一探究竟：煤系气形成分布、甜点评价与展望

文章通过煤系气的源外、源内成因对煤系气的形成与分布进行了详细全面的综述，指出中国对煤系气的全面系统勘探开发尚处于初期阶段，煤系非常规天然气的共探合采将成为中国继页岩油气革命以来的下一次“新非常规革命”。

基于非常规油气地质学理论及最新研究成果，构建了包含4个要素共计15项指标的煤系气地质—工程甜点评价体系，这些指标不仅涉及储层地质参数，还包括煤系气渗流能力、含气量预测以及储层改造要素评价，为准确评估煤系气资源量，特别是深层储层资源量提供可靠的依据。

此外，文章从未来煤系气勘探开发新方向、深部煤系非常规天然气聚集成藏理论、新型排采技术、煤系各类天然气甜点综合评价研究等角度进行了展望，尤其是在强化多尺度孔缝表征、跨层渗流、合压增透、数智化天然气工厂新型排采技术等方面，强调通过联合沉积学、储层地质学、地球化学、地质力学等多学科，不断丰富和完善煤系天然气立体化甜点指标评价体系。

Ⅰ

煤系气主要分为源外成因（以下简称源外）和源内成因（以下简称源内）。源外煤系气主要指从煤系源岩中运移出来并在煤系或其外聚集形成的气藏，包括煤系致密砂岩气、铝土岩气、致密碳酸盐岩气；而源内煤系气则主要指煤系源岩中的天然气滞留形成的气藏，包括煤岩气、页岩气。深层煤层气（煤岩气）形成地质条件与中浅层煤层气（煤岩气）及页岩气均有显著差异，属于一种较为特殊的气藏类型。

目前，中国煤系气潜在地质资源量 135.00× 10¹² m³，其中，2 000 m以浅煤系气地质资源总量达82.00×10¹² m³。

图1 中国煤系非常规天然气分布图

Ⅱ

煤系气“甜点”可分为勘探评价的纵向“甜点段”和开发评价的平面“甜点区”。在勘探阶段，通过风险井、预探井、参数井等来评估煤系气的地质特征，并获取物性、含气性、脆性指数等关键参数，为科学评价确定“甜点段”提供重要依据；在开发阶段，则通过评价井、生产井、水平井等来验证“甜点段”，并采用储层改造技术落实“甜点区”。煤系气“甜点”的概念涵盖“地质—工程甜点”及“经济甜点”双重内涵，因此煤系气“甜点段”及“甜点区”的科学厘定既需要对地质—工程复杂要素的科学评价，也需要经济甜点标尺的准确度量。

图2 煤系气甜点综合评估方案统筹图

Ⅲ

一、富气甜点地质参数优选

煤系具有强非均质性，煤系气在不同岩性组合中的成藏规律及富集程度也存在着显著的差异。对于煤层气（煤岩气）而言，高产井的单井产气量可以达到低产井的100倍。煤系气开发中通常会有大量低产井及干井，部分井还有可能会发生严重水侵，因而富气甜点地质参数的优选就显得十分重要。

1.埋深、热演化程度及物性

埋深及热演化程度对煤系气含量的影响，本质上是地应力及温度对煤系储层物性影响的间接反映。

图3 不同埋深条件下煤系各类储层物性演化路径图

2.厚度及岩性组合

煤系通常形成于动荡、不稳定的海陆交互相沉积环境，具有充填反复发生的非渐变沉积旋回特征。煤系储层厚度及岩性组合受古沉积环境的控制。不同古沉积环境影响或者控制了煤系岩性组合及厚度。

图4　鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系层序地层及岩性组合发育模式图

3.显微组分及结构特征

4.古地理、古今构造、圈闭及保存

二、互层性煤系气渗流能力评价

互层性煤系中天然气的聚集受烃源岩、古沉积环境、沉积微相、疏导体系、保存条件等的控制，而煤系储层渗流能力则是决定煤系气能否高产的关键因素。

1.煤系互层结构、裂缝及渗流特征

渗透率是影响煤系气产能的关键因素之一，互层结构对渗流能力的影响是众多煤系地质研究的焦点。高渗透煤系通常表现为单层厚度小、见产早、产量高、稳产期长，甚至有些高渗透煤系（渗透率超过5 mD）不需压裂即可投产。决定高渗透煤系物性的因素为孔隙、裂隙及割理系统，其中，裂隙是主导因素。煤系天然气渗流包含水平方向和垂直方向的双向渗流。

图5　中国南方海相页岩气储层与煤层气

（煤岩气）储层顶底板封闭类型对比图

值得关注的是，天然裂缝，特别是其形成演化模式、分布规律及与割理的耦合关系等，对煤系气的成藏非常重要。

图6 澳大利亚苏拉特盆地中侏罗统薄互层煤系的成像测井图

2.复合断裂系统及渗流特征

煤系断裂系统通常发育同沉积正断裂、逆断裂及走滑断裂，它们对煤系气的分布均有重要影响。

浅部正断裂系统代表一种拉张或弱挤压应力环境，对煤系气有疏导作用；对于深部正断裂，其对煤系气有疏导和封闭双重作用；逆断裂发育的煤系， 断裂在逆冲及滑脱过程中容易形成断背斜构造；走滑断裂发育的煤系在鄂尔多斯盆地东缘石炭系—二叠系很常见，走滑断裂带煤系气聚集也成为非常规天然气勘探研究的热点之一。

中国南方上二叠统煤系多发育由同沉积正断裂、滑脱型逆断裂、走滑断裂所组合的复合断裂系统。

图7 沁水盆地南部郑庄区块煤系正断裂—走滑断裂复合系统及岩体变形特征图 

注：σH表示水平最大主应力,σh表示水平最小主应力

三、含气量预测

影响深部煤游离气饱和度的因素较复杂，仅靠联合实验、测井及地震等方法就想准确获取深部煤游离气饱和度难度较大，预测精度也亟待提高。整体而言，构建适合互层煤系且与产能释放能力相匹配的高精度含气性解释模型极为重要，可以为准确评估煤系气资源量提供可靠的依据。

图8 煤系储层含气量变化关系示意图

四、煤系合压储层改造要素评价

煤系气开发通过压裂克服最小水平主应力和抗张强度来实现对煤系储层的改造。煤系工程甜点侧重可压裂性考量，指标包含岩石力学属性、地应力（大小及方向）及脆性。脆性评价的重点为煤系储层可压裂层段和可压裂区优选，以及人工裂缝扩展机制分析， 脆性指数是其中的主要评价指标之一。

图9 煤系四维合压储层改造评价要素及

技术方案示意图

煤系合压的关键在于穿层控制、复杂缝网形成及导流能力的维持。煤系中大量弱面及层理的存在限制了压裂的纵向扩展，这是煤系合压中面临的一个难题；另外，强穿层性代表具有较强的突破能量，而横向扩展能力则必然有限，即复杂缝网难以形成。基于这种现状，如何使压裂缝在垂向上穿过尽可能多的含气层且最大限度地增加有效储层改造体积，逐渐成为煤系压裂被关注的热点。

Ⅳ

煤系气经济甜点评价应该立足于良好的经济资源条件，综合考虑烃源性、储集性、含气性、保存性、成缝性、储改性和经济性等“七特性”。

Ⅴ

一、深层煤层气（煤岩气）及铝土岩气作为扩展，将成为煤系气勘探开发的新方向

深层煤层气（煤岩气）资源量大、发展前景好，对甜点参数体系进行科学分类和分级有利于摸清深层煤层气（煤岩气）储量“家底”，尽快实现产业化发展布局。在构建其甜点指标体系时，要融入深部岩体变形的地质力学和地化等指标。铝土岩气藏主要受源岩、古环境、古地貌等的控制，因此在构建铝土岩气藏甜点指标体系时，要采用表征源岩及古环境演化的元素地球化学方法及相关指标。

二、深部煤系非常规天然气聚集成藏理论逐步形成

当前煤系气勘探开发主要集中在中浅层，能取得成功得益于传统致密砂岩气成藏模式的指导，而未来的煤系气勘探开发将向深部进军。因此，形成一套新的深部煤系非常规天然气聚集理论极为重要。这套理论应集合岩矿学、沉积学、煤田地质学、构造地质学、地球化学、地质力学等学科的基本原理及理论，突出深部与浅部、海陆过渡相、陆相煤系与海相致密气储层在沉积规律、构造演化、有机质富集、疏导体系、储层结构等方面的演化差异，既要从传统思维“源—汇—聚”出发，又要突破传统思维，形成一套能被广泛认同的、新的深部煤系天然气聚集理论体系。

三、强化多尺度孔缝表征、跨层渗流、合压增透、数智化天然气工厂新型排采技术等方面的研究

煤系定量化排采制度应综合考虑流固耦合下的应力效应，甲烷吸附、扩散及渗流的动态转化，同时，开发新的智能决策软件并构建煤系渗流数学模型，建立“精细压差、动态排量、均衡互补”的排采制度。对于煤岩，还要考虑不同煤阶在排采过程中对储层可能造成的伤害。人工智能是变革的引擎，未来应探索基于大数据的“数智化技术”，提高深部大气田透明化程度，制订高效排采制度、开发新型排采方案、构建煤系天然气开发工厂化智能排采模式。

四、联合多学科持续开展煤系各类天然气甜点综合评价研究

通过联合沉积学、储层地质学、地球化学、地质力学等多学科，不断丰富和完善煤系天然气立体化甜点指标评价体系，综合采用实验、地质、测井、地震、测试及声—光—电—磁—核先进解释技术对甜点区（段）进行科学预测，可以最大限度地挖掘煤系气开发利用潜力并加速煤系气产业化规模化进程。