煤系气是非常规天然气的重要组成部分 ，中国煤系气资源丰富，煤层气、页岩气和致密气资源量分别为 36.8×1012 m3、32.0×1012 m3 和 20.0×1012 m3，主要分布在沁水、鄂尔多斯、准噶尔和海拉尔等盆地，赋存于石炭系—二叠系及侏罗系。
目前，煤系气勘探开发以单一气藏为主，合采产层层间矛盾与兼容性问题突出，合采实施效果不及预期 ，尚未实现规模性合采 ；经济高效开采模式尚在探索 。根据地质特点划分叠置含气系统并研究其成藏特征极为必要。
本期将分享文章是《煤系气叠置含气系统与天然气成藏特征——以沁水盆地榆社—武乡示范区为例》。
文章信息
陈尚斌, 侯晓伟, 屈晓荣, 等. 煤系气叠置含气系统与天然气成藏特征——以沁水盆地榆社—武乡示范区为例[J]. 天然气工业, 2023,43(5): 12-22.
看点导读
中国煤系气资源丰富，其中沁水盆地是中国煤系气分布的主要盆地之一，明确煤系气叠置含气系统分布特征，有助于实现煤系气的共探合采。为此，以沁水盆地榆社—武乡示范区石炭系—二叠系含煤地层为研究对象，在分析煤系气地质特征的基础上，划分了煤系气叠置含气系统，研究了煤系气的源岩—储层共生组合特征、储层分布特征、共生成藏特征，并详细分析了示范井的压裂合采效果，预测了示范井产量。
研究结果表明 ：研究区目标煤系空间上发育 3 个独立叠置含气系统；煤系气储层具有单层厚度薄、累计厚度大的空间展布特征，各含气系统中气藏组合类型以煤层气为主，页岩气和致密砂岩气发育较差 ；示范井煤系气具备压裂合采基础，运用电缆桥塞与射孔联作投球分层压裂工艺配套技术实现了深部煤系气的有效开采。
地质特征
一、示范区概况
榆社—武乡煤系气共探合采示范区位于沁水盆地中东部（图 1）。近年来，示范区已实施了 12 口煤系气共探合采参数井和示范井，建设了共探合采先导性示范工程，开展了一系列基础理论和勘探开发试验研究，取得了突破性进展，实现了深部煤系气单井日产量大于1 000 m3 的突破。
二、构造特征
沁水盆地榆社—武乡示范区构造部位隶属于沁水复向斜中段东翼榆社—武乡背斜构造带。示范区形成了挤压变形与伸展拉张变形共存的格局，总体为一单斜形态，地层走向为北东向，倾向为北西向，平均倾角介于 3°～ 10°。
三、地层特征
示范区位于华北地层区的山西地层分区，除华北区整体缺失地层外，其余地层发育完全，由老至新发育了中上元古界、古生界和中新生界沉积盖层，与基底层系呈角度不整合接触。地层总厚度达 5 000 m ；包括上石炭统本溪组、下二叠统太原组和下二叠统山西组等含煤地层，厚度约 850 m，其中太原组和山西组中主力煤层发育稳定，连续性好，是煤系气共探合采的目标层系。
图1 沁水盆地榆社—武乡示范区构造纲要与煤系气含气系统特征图
煤系气叠置含气系统与成藏特征
一、叠置含气系统
海陆过渡相煤系中，不同岩性或多元岩性组合储层形成于不同的沉积亚相或微相，构造演化历程、现今区域构造特征及地下水活动进一步制约了不同含气系统的含气性。结合钻井资料、气测录井解释结果、实测含气量及试井参数等，基于关键层发育特征、储层含气性与储层压力等空间分异性，将示范区目标煤系划分为 3 个含气系统（图 1、表 1）。
表1 示范区各含气系统中不同储层含气量及甲烷碳同位素值统计表
二、源岩—储层共生组合特征
对各含气系统中各类岩性储层发育程度的统计结果表明，含气系统Ⅰ为主力煤层（15 号煤）占绝对优势的单一储层或煤层夹泥岩的多元储层；含气系统Ⅱ为煤层夹泥岩或砂岩的多元岩性储层组合；含气系统Ⅲ以单煤储层或主力 3 号煤层夹砂岩、泥岩的多元岩性组合（图2）。
图2 示范区含气系统主要层段源岩—储层共生组合类型图
三、煤系气储层分布特征
1.地层埋深
示范区内目标含煤地层埋深介于 800 ～ 2 000 m，主体埋深大于 1 000 m（图 3）。平面上呈现由东向西逐渐增深的趋势。
图3 示范区煤系气储层底板埋深分布图
2. 储层厚度特征
示范区煤系内共发育煤层 20 层，总厚度平均值为9.34 m，主力煤层为山西组3号煤和太原组15号煤，分别处于含气系统Ⅲ和含气系统Ⅰ。其中 3 号煤厚度介于 0.39 ～ 2.75 m，平均值为 1.25 m，区域上表现为中部厚、南北薄的分布特征（图 4-a）。15 号煤区内厚度介于 1.02 ～ 7.68 m，平均值为 4.73 m，沿构造迹线方向表现出由南西向北东逐渐增厚的趋势（图 4-b）。
图4 示范区主力煤层厚度分布图
含气系统Ⅰ的泥岩累计厚度介于13.46～23.67 m，平均值为 16.93 m，具有东厚西薄的特征（图 5-a）。含气系统Ⅱ的泥岩厚度介于 23.47 ～ 62.33 m，平均值为 43.98 m，由北向南逐渐增厚（图 5-b）。含气系统Ⅲ的泥岩厚度介于 14.27 ～ 59.34 m，平均值为 40.05 m，区内表现为南东部薄、北西部厚的不均衡分布格局（图 5-c）。
图5 示范区不同含气系统泥岩储层厚度分布图
含气系统Ⅰ的砂岩厚度介于 1.61 ～ 14.14 m，平均值为 6.19 m，表现出中部厚、南北薄的分布特征（图 6-a）；含气系统Ⅱ的砂岩厚度介于 6.89 ～ 25.96 m，平均值为 16.73 m，区内表现为由南向北逐渐增厚的趋势（图 6-b）；含气系统Ⅲ的砂岩较其他含气系统发育，且呈现由南西向北东逐渐减薄的趋势（图 6-c）。
图6 示范区不同含气系统砂岩储层厚度等值线图
四、煤系气共生成藏特征
沉积环境和构造演化等地质因素综合控制使含气系统呈现空间分异性，导致各含气系统气藏组合存在差异性（图 7）。
图7 示范区不同含气系统中储层岩性—含气量对比图
开发实践
一、压裂排采方案
示范区煤系气具备煤系气共探合采的条件，但不同含气系统的煤系气共生成藏组合类型各异，不同平面位置同一含气系统中各类煤系气藏的相对发育程度亦有显著差异。因此，需要强化“一井一策”理念，针对单一生产井制订合理的合采压裂排采方案。
二、排采生产效果
示范区 Z7-1 井于 2016 年 10 月 27 日开始进行排采生产，依据排采设计并结合生产数据进行生产制度调整，保证排采作业连续、稳定、高效。Z7-1 井累计排采363 d，流压由11.523 MPa 降至 0.800 MPa，累计产水1396 m3，累计产气11.58×104 m3（图 8）。
图8 Z7-1 井排采曲线图
启示意义与展望
未来一个时期，还需开展煤系气共生特性研究，发展基于煤系气共生赋存状态特征的共探方法，实现有效含气层段高分辨辨识，揭示共生主体单元相互关系，完善煤系气资源分级分区评价体系 ，提取合采关键地质参数，创新性的探索提高资源开发程度、服务于高效勘探开发的技术。
结论
煤系气储层具有单层厚度薄、累计厚度大的空间展布特征，各含气系统气藏组合类型以煤层气为主，页岩气和砂岩气发育较差。
示范井优质煤系气合采甜点含气层段对应于含气系统Ⅱ和含气系统Ⅲ，具备压裂合采基础。利用电缆桥塞与射孔联作投球分层压裂工艺改造储层，实现了煤系气分压合采目标，且能够释放深部煤层气资源，合采产能效果显著。
叠置含气系统空间展布规律、形成机制、共生成藏机理及模式仍然是煤系气共探合采的基础，创新探索提高资源开发程度、服务于高效勘探开发的技术，强化“一井一策”理念，根据煤系气高效合采约束性要素，不断优化排采制度，实现煤系气高效开发。
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作者|杨晓龙 重庆大学
审核|赵昱龙 重庆大学
