【论文】郗兆栋，等：煤层自封闭性对深层煤岩气的富集与改造意义

“十三五”期间，中国新增煤岩气探明地质储量达到1 555×10⁸ m³，2023 年煤岩气产量已经突破110×10⁸ m³，同比增幅20.5%，彰显了中国煤岩气良好的资源潜力和开发前景^[1-2]。2 000 m 以深煤岩气的有效动用对近年中国煤岩气迅速发展起到了重要支撑作用。初步估计埋深2 000 m 以深煤岩气资源量超过30×10¹² m³， 其中埋深1 500 ～ 2 000 m 煤岩气资源量约占1/3。当前，深层煤岩气单井日产天然气量超万立方米，甚至十万立方米；深层煤岩气探明地质储量达千亿立方米，彰显了深层煤岩气的快速发展^[3-4]。同时，中国深层煤岩气在成藏、富集、储层改造及排采等方面面临众多基础科学问题， 并亟需解决。

随着埋藏深度的增加，深层煤储层具有含气饱和度更高的优势（富集游离气），以及压裂改造难度更大的劣势（孔隙度变小、渗透率变差、地应力变高）。相关学者针对深层煤层含气性特征，尤其是针对游离气的含量、富集、预测及产出效应等方面开展了相关探索^[5-7]。在游离气富集机理方面，总体认为构造改造强度弱、抬升幅度小及适宜的煤储层温压系统利于深层煤层游离气的富集^[8-10]，而针对煤层的非常规属性（自封闭性）对游离气富集的控制机制认识稍显薄弱。构造抬升阶段煤层发生破裂，自封闭性变差会直接导致游离气的大量逸散，使得现今一些深层煤岩气井产出特征与浅层煤岩气井无异^[11-13]。因此，研究煤储层自封闭性对游离气的滞留效应是揭示深层煤岩气富集机制的关键。

煤储层自封闭性越好，越有利于煤岩气的保存， 但同时也意味着煤储层较为致密，天然孔隙裂缝不发育，不利于煤储层的压裂改造继而影响煤岩气的可采性。深层煤储层可改造性的相关研究主要围绕煤体结构、地应力、温压场及煤岩组合体力学性质等开展研究^[14-16]，而对于煤储层自封闭性与可改造性的耦合关系缺少关注。煤储层天然孔隙裂缝越发育，相对越易于改造，但其自封闭性相对变差，不利于煤岩气富集，尤其是不利于游离气的保存。可见， 煤储层自封闭性对深层煤岩气的富集以及对煤储层的改造均具有显著影响，找到既利于深层煤岩气富集又利于煤储层改造的地质—工程甜点，实现煤岩气地质—工程一体化对于深层煤岩气进一步的勘探开发势在必行。

参考页岩气储层自封闭性评价的研究思路并应用土力学中超固结比（Over Consolidation Ratio, OCR）的概念^[17-21]，结合华北地区石炭系—二叠系深层煤层实验测试资料，建立煤储层自封闭性与煤岩气富集及煤储层改造的耦合关系，揭示深层煤岩气地质—工程甜点的深度界限，旨在为华北地区深层煤岩气及相似地质条件深层煤岩气区块的勘探开发提供指导。

1 　煤储层自封闭性的表征

针对煤储层自封闭性的研究多从其致密程度考虑，主要基于孔渗性和孔隙结构评价其自封闭能力。随着埋藏深度（围压）的增加，煤储层孔隙度和渗透率总体呈现降低的趋势（图1-a），煤储层自封闭能力逐渐增强。杨兆彪等^[22] 认为原位渗透率低于0.1 mD 的煤储层具有较好的自封闭性，可以作为煤系地层含气系统的隔水阻气层。陈世达等^[23] 提出黔西地区埋深大于750 m 且渗透率小于0.01 mD 的煤储层可阻断煤层内部流体流出和外部流体流入。张雷等^[24-25]、联合压汞、N₂ 吸附和CO₂ 吸附实验发现鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区深层煤储层孔隙主要以小孔为主， 占比超过80%，而中、浅层煤储层主要以中、大孔为主，深层煤储层自封闭性明显强于浅层煤储层（图1-b）。

（资料来源：据本文参考文献[24,26]，有修改）

当前，针对煤储层自封闭性的表征主要基于静态指标分析，而非常规油气自封闭成藏作用是动态的，在其成藏、富集和改造阶段是不断变化的^[27-28]， 尤其是构造抬升阶段煤储层自封闭性容易被破坏。现今埋深条件下具有相似自封闭性的深层煤层含气性（尤其是游离气的富集程度）差异较大，从基本无游离气到占比超过30% ；天然气测试产量方面表现为单井日产气量从几百立方米到几万立方米，深层煤岩含气量与日产气量的差异与煤储层自封闭性的动态演化过程具有显著耦合关系。

超固结比指岩石的先期固结压力与现今所受垂向有效应力之比（式1）。超固结比常用来表征岩石的力学性质^[29-31]，超固结比越大的岩石越容易发生破裂，继而导致其自封闭性变差。先期固结压力指岩石在地质历史时期所经受的最大垂向有效应力，与最大埋深期上覆地层压力与煤储层压力相关（式2）。现今所受垂向有效应力与煤层现今埋深上覆地层压力和煤储层压力相关（式3）。OCR 为1 的煤层被称为正常固结煤层，表明现今埋深就是整个沉积—埋藏演化过程中的最大埋深。经历过构造抬升阶段，且现今埋深小于最大古埋深的煤层，称为超固结煤层。传统油气地质理论认为，构造抬升阶段地层的抬升和剥蚀使得岩石逐渐变得易于发生破裂继而破坏其封闭性^[18,31-32]。超固结煤层OCR ＞ 1 且OCR 越大，煤层越容易破裂，自封闭性越差。基于超固结比可以评价煤储层现今自封闭性，同时只要知道抬升阶段任一地质历史时期所受垂向有效应力，即可以计算整个构造抬升阶段煤层的超固结比，继而可以评价煤储层自封闭性的演化特征^[33]。

超固结比计算公式如下：

式中σ_vmax 表示煤层在地质历史时期所经受的最大垂向有效应力，MPa ；σ_v 表示煤层现今承受的垂向有效应力，MPa ；p_jmax 表示煤层在最大古埋深下所经受的最大静岩压力，MPa ；p_cmax 表示煤层在最大古深埋时的储层压力，基于PetroMod 软件埋藏史重建获取，MPa；p_jo 表示煤层在现今埋深下经受的静岩压力， MPa ；p_co 表示煤层在现今埋深下的储层压力，通过试井资料获取，MPa ；H_max 表示煤层的最大古埋深， 基于PetroMod 软件埋藏史重建获取，m ；ρ₁ 表示最大古埋深时上覆地层平均密度，g/cm³ ；H_o 表示煤层现今埋藏深度，m ；ρ₂ 表示煤层现今上覆地层平均密度，g/cm³ ；g 表示重力加速度，m/s²。

2 　煤储层自封闭性与深度的耦合效应

收集整理鄂尔多斯盆地东缘临兴区块、沁水盆地中东部榆社—武乡区块和宁武盆地南部煤岩气钻井资料及试井资料，计算得到石炭系—二叠系8 号+9 号、15 号煤层现今埋深条件下的超固结比（图2）。随着埋深的增加，OCR 整体呈现减小的趋势。深埋藏煤层的OCR 普遍低于中、浅层煤层，指示深层煤储层自封闭性相对较强，与渗透性及孔隙结构等参数表征现今深层煤储层自封闭性的结论一致。

对于同一区块煤层而言，一般煤层埋深越大， OCR 越低；当比较不同区块煤层的OCR 时，存在埋藏深的煤层OCR高于埋藏浅煤层的现象（图2）；可见， OCR 不仅能反映现今煤储层的自封闭性同时也反映了煤层经历的历史演化过程。如不同区块相似埋深条件下的深层煤层含气性往往存在很大差异，就是因为含气性与煤层经历的历史演化过程息息相关。由于不同区块煤层的构造演化过程不同，就会导致煤层OCR 与埋深的耦合关系变差，也反映出OCR 包含的信息更为丰富和动态。

基于临兴区块和榆社—武乡区块典型井埋藏史的恢复，计算得到石炭系—二叠系8 号+9 号、15 号煤层的OCR 在构造抬升阶段的演化特征（图3）。两个区块煤层OCR 均随着埋藏深度的减小而逐渐增大，其中榆社—武乡区块煤层超固结比增加的幅度远高于临兴区块。此外，榆社—武乡区块抬升幅度明显大于临兴区块，进一步导致榆社—武乡区块现今埋深条件下煤层的OCR 远高于临兴区块。

3 　煤储层自封闭性对深层煤岩气富集与改造的指示意义

3.1 　对深层煤岩气富集的指示意义

在应用超固结比评价黏土和页岩的力学性质时，认为当岩石的OCR 值超过某一阈值（OCR_yz）时， 岩石极易发生破裂（达到完全脆性），形成的裂缝主要为肉眼可见的穿层裂缝，即裂缝的尺度较大。在构造抬升阶段该类裂缝的开启导致煤储层的自封闭性显著降低，不利于煤岩气的富集，尤其是可能会导致游离气的大量逸散。当煤层OCR 值小于该阈值时，煤层不易破裂（即不易形成大尺度裂缝），但可能在煤层内部发育大量微裂缝^[34]。在构造抬升阶段微裂缝的形成在一定程度上会使得煤储层的自封闭性降低，但是由于裂缝在其内部形成所以没有破坏煤储层整体的自封闭性，不会造成煤岩气的大规模逸散。

该阈值满足下列公式^[35] ：

基于临兴^[36]、榆社—武乡区块^[37] 煤层样品的三轴压缩实验数据及OCR 拟合得到系数a 和b（图4）， 继而计算得到临兴区块和榆社—武乡区块的OCR_yz 分别为2.32 和1.82。临兴区块在整个构造抬升阶段的OCR 值均低于OCR_yz（图3-a），表明煤储层自封闭性维持相对较好，利于煤岩气的保存。临兴区块深层煤层的含气性测试资料也证实其富集一定的游离气^[6,38]。对于榆社—武乡区块而言，煤层在抬升至 2 300 m 以浅后其OCR 值高于阈值（图3-b），表明至少在后续抬升过程中煤层极易发生破裂继而导致煤岩气的逸散。榆社—武乡区块深层煤层的含气性测试资料也显示该区块煤岩气赋存相态基本以吸附态为主，表明在抬升阶段而且极有可能是在抬升至2 300 m 左右（ 距今约 20 ～ 5 Ma）煤层发生破裂而 造成游离气的逸散。

OCR 值反映的是煤层破裂的难易及破裂的程度， 并与煤层的埋藏深度具有一定的耦合关系，在一定程度上指示了煤岩气保存条件的优劣。由于不同区块甚至同一区块不同构造带深层煤层的历史演化过程、煤储层特征及地质背景存在明显差异^[39-40]，煤层的OCR 值和OCR_yz 显著不同，在应用超固结比评价其煤岩气富集条件时应结合具体区块的实际情况灵活运用。

3.2 　对深层煤储层改造的指示意义

临兴区块和榆社—武乡区块煤层超固结比均随着埋藏深度的减小而逐渐增大，埋藏深度越大的煤储层自封闭性越强，越利于煤岩气的富集，尤其是利于游离气的保存。然而，埋藏深度越大，煤储层自封闭性越强，天然孔隙裂缝发育程度越差，越不利于煤储层的压裂改造，影响深层煤岩气的可采性。基于大量单轴和三轴压缩实验表明，随着温度和压力的增加， 岩石的力学性质会发生显著改变，裂缝的起裂和扩展难度明显增强。以页岩为例，围压较小时页岩易于破碎并伴随较大的应变，而当围压增至50 MPa 时， 页岩的峰值强度（σ_fz）和残余强度（σ_cy）基本相似， 呈现明显的塑性变形，不利于压裂改造（图5）。

（资料来源：据本文参考文献[27], 有修改）

基于临兴区块煤层样品三轴压缩实验数据^[16]， 拟合得到围压与残余强度/ 峰值强度比值的耦合关系（图6）。

式中σ_cy 表示三轴压缩实验残余强度，MPa ；σ_fz 表示三轴压缩实验峰值强度，MPa。

当σ_cy/σ_fz 为1 时，σ_cy 为33.23 MPa， 对应的埋藏深度约3 000 m，OCR 值约为1.2。当现今煤层的OCR 值小于1.2 时（埋深3 000 m 以深），煤储层具有极强的自封闭性，煤层的峰值强度和残余强度基本相似，开始呈现明显的塑性变形，煤层极难破裂， 并且不利于裂缝的扩展和维持，可改造性差。尽管该深度以深煤储层较强的自封闭性有助于煤岩气的富集，尤其是有利于游离气的保存，但富集并不等同于高产。煤储层较强的自封闭性是制约深层煤岩气可采性的重要因素之一，储层越致密，天然裂缝越不发育，渗透性越低，煤储层改造难度大，煤岩气的可采性就越差。

煤储层自封闭性与煤岩气的保存及煤储层的改造均具有明显的耦合关系，此是寻找深层煤岩气地质—工程甜点层段的桥梁。超固结比能够有效表征煤储层自封闭性，并与埋藏深度具有明显的耦合关系（图7）。某一深度以浅时，煤储层自封闭性较差， 容易破裂形成较多且尺度较大的天然裂隙，不利于气体的富集；某一深度以深时，煤储层具有极强的自封闭性，利于气体的保存，但煤储层孔渗性较差且呈现塑性特征，可改造性差（图7-a）。因此，存在一个深度区间使得煤储层的自封闭性既能够利于气体的富集，尤其是深层煤层游离气的富集，又能够利于深层煤储层的压裂改造。在该深度区间的煤储层可能呈现一种“裂而不破”的状态^[34]，即煤储层发育天然裂隙，但这些裂隙尺度较小，形成于煤层内部，不会导致游离气的大规模逸散。同时这些天然微裂隙能够有效改善煤储层的渗透性，利于压裂改造。对于临兴区块而言，根据本文使用的相关数据，认为1 500 m 以浅时存在煤层含气性低的勘探风险，3 000 m 以深时煤层的压裂改造难度可能较大（图7-b）。因此，临兴区块的地质—工程甜点深度区间在1 500 ～ 3 000 m 之间，需结合其他地质、工程参数在此区间内进一步确定有利区范围和精细化靶体深度。与临兴区块具有相似构造演化背景和地质特征的深层煤层地质—工程甜点深度区间可以进行类比和参考。

4 　结论

1）煤储层自封闭性是评价深层煤岩气富集和煤储层可改造性的重要参数。基于超固结比可以有效表征煤储层自封闭性的动态演化，且超固结比与埋藏深度具有耦合关系。

2）基于超固结比能够预测深层煤岩气地质—工程甜点的深度界限，埋深浅于该深度界限的煤储层可能煤岩气富集程度差，埋深深于该深度界限的煤储层可能改造难度大，位于该深度区间的煤储层既利于煤岩气富集且易于压裂改造。

3）不同地区或同一区块不同构造带的深层煤层， 其沉降—抬升历史演化过程、煤储层特征及地质背景存在明显差异，基于超固结比确定的地质—工程甜点深度界限差异显著。