叠置含气系统共采兼容性——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题

秦　勇，申　建，沈玉林

(中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州　221008)



叠置含气系统共采兼容性
——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题

秦勇，申建，沈玉林

(中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州221008)

摘要:以煤层气、致密砂岩气和页岩气共生为特征的煤系“三气”是一类重要的非常规天然气资源，但我国目前尚未实现规模性共采。煤系“三气”地质条件客观存在的六大基本特点，一方面提供了优越的气源及其保存条件，另一方面造成多套流体压力系统叠置共生，共采兼容性问题突出，常规措施难以解决这一技术难题。控制叠置含气系统共采兼容性的核心地质条件在于2个方面：一是流体能量差异影响到含气系统之间的兼容性；二是不同储层力学性质和孔渗条件差异影响到系统内部共采兼容性。研究认为，层序地层格架、流体能量系统和岩石力学性质是影响叠置含气系统兼容性的3个关键地质要素；实现煤系“三气”共探与共采的基础是对相关地质问题的深刻理解，对共生特性及其共采地质动态的深入阐释则是贯穿煤系“三气”共采工艺优化和技术创新的主线。煤系“三气”共采工艺技术优化和创新的途径，需要以充分释放产能为目标，以叠置含气系统共采兼容性为约束条件。为此，叠置含气系统共采兼容性未来探索方向，集中在关键层高分辨识别、地层流体及能量高分辨识别、共采兼容性定量表征、开发地质单元与开发方式4个方面。

关键词:煤系；叠置含气系统；共采兼容性；地质原理；探索方向

煤系“三气”作为一类潜力可观的非常规天然气资源被纳入勘探、开发与研究的视野[1]，我国将设置科技重大专项进行工程示范，但目前尚未实现规模性共采。叠置含气系统表现为同一煤系内部垂向上发育2套及2套以上相互独立的含气系统，实质是地层流体压力系统相互独立[2]。实践显示，煤系“三气”共采试验中普遍存在叠置含气系统兼容性的地质现象。例如，如果打开一个煤系储层，单井产量往往较高，但随后打开其他储层，单井产气量则发生大幅度衰减[3]。由此，造成煤系“三气”共采效果不甚理想[4]，限制了煤系天然气产能最大限度的释放。对于这一地质与工程现象的原因，油藏工程界解释为层间干扰或地层流体干扰，强调开发层系划分与组合的重要性[5- 6]。实际上，地层流体干扰是叠置含气系统在采气工程条件下的地质显现，叠置含气系统是产生这一现象的地质根源；地层流体干扰发生的可能性及程度，正是叠置含气系统共采的兼容性问题。进一步而言，叠置含气系统兼容性既受控于特定地质因素的耦合作用，又影响到共采的可行性与效果，对其的地质认识贯穿于整个勘探开发过程，是煤系“三气”共生、共探与共采乃至深部煤层气开发的共性地质问题。鉴于此，笔者基于近年来的研究实践与思考，分析了煤系叠置含气系统发育的基本地质特点和共采兼容性的地质原理，讨论了未来应探索的主要方向，期望为煤系“三气”共采技术优化与创新提供借鉴。

1煤系“三气”地质条件基本特点

煤系是形成于一定构造时期，含有煤层或煤线并具有成因联系的一套沉积岩系，主要沉积于海陆交互相或陆相环境，赋存在不同构造性质的残留盆地。

这种构造-沉积背景，造就了煤系“三气”六大基本地质特点(图1)：一是储层岩石类型和天然气赋存态多样，既有以吸附态为主的煤层气，又有以游离态为主的致密砂岩气和碳酸盐岩气，还有混合态的页岩气；二是储层和盖层一般相对较薄，岩性多样，互层频繁，旋回性极强[7-8]，由此在垂向上构成多套与层序地层格架有关、厚度一般不大且类型多变的生储盖组合及多重内幕封盖[9-10]；三是煤系内部气水分布关系复杂，多套生储盖组合导致多套流体压力系统共存[9,11-13]，气显示强烈且形式多变[14]；四是生储盖组合关系多变，同一岩层(如煤层和泥页岩层)可兼具源岩、储层和盖层的功能，导致同一组合中天然气既具有自生自储性质，又具有它生它储特征，气藏类型多样[9,10,15]；五是叠置含气系统紧邻或间距较小，系统之间的动态平衡关系脆弱，易于受到开采扰动而发生系统间干扰[3,7,11,16]；六是同一含气系统内部储层的岩性变化大，如煤储层往往紧邻页岩储层或致密砂岩储层，不同岩性储层的力学性质差异显著，常规措施难以对各类储层进行统一且有效的改造[17]。

图1　临兴区块某井煤系“三气”柱状地质剖面Fig.1　Columnar section of coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series in Linxing Block

受游离天然气保存条件的限制，可供煤系“三气”共采的有利深度一般大于1 000 m。美国皮森斯盆地共采先导性试验的煤层埋深1 560～2 560 m，65口单井产气量稳定在10 890 m3/d左右，其中60%来自煤层[18-19]。在鄂尔多斯盆地东部，临兴区块煤系埋深700～2 100 m，前期7口以致密砂岩为主要目的层的生产试验井单井产气量达到4 800～52 785 m3/d[9,20]；延川南区块煤系埋深600～1 500 m，煤系“三气”开发以煤层气为主，不排除相当一部分天然气来自致密砂岩储层[21]，产气效果较好的产层埋深均在1 000 m以深[21-23]；大宁—吉县区块吉探1井山1段埋深2 180～2 184 m，致密砂岩日产气量达2.1万m3/d；石楼西区块YH18井开展深部致密砂岩气开发试验，产气量达到5.2万m3/d[20]。深部与浅部煤层气的界线，取决于埋深增大过程中地应力状态转换和含气量转折的“临界深度”，华北地区石炭二叠纪煤系这一深度一般在400～1 300 m[24]。也就是说，煤系“三气”共采也是提高深部煤层气井产量的重要途径，叠置含气系统共采兼容性同样是深部煤层气开采面临的核心地质问题。上述基本特点，既为煤系“三气”共生提供了有利条件，又造成了共探与共采的困难。一方面，煤系发育多重内幕封盖使得天然气保存条件优越，储层累计厚度较大，含气量和天然气资源丰度较高[9-10]；另一方面造成多套流体压力系统叠置共存，系统间流体能量在共采过程的再分配和传递难以控制，常规措施难以对系统间和系统内的各类储层进行统一且有效改造。叠置含气系统兼容性问题的客观存在，导致共采地质条件复杂化，限制了煤系天然气产能的充分释放，成为共探共采所面临的首要地质难题。实现煤系“三气”的共生共探与共采，必须正视、了解和查明叠置含气系统共采兼容性的地质规律，包括系统之间流体动力条件兼容性以及同一系统内部不同储层可改造条件兼容性2个方面。问题的科学实质在于叠置流体系统发育特点及共采诱导下地层流体的再分配规律，技术实质在于共采条件下含气系统之间地层流体传递以及改造过程中系统内人工裂缝延展的可控性。

2叠置含气系统共采兼容性地质原理

2.1地质基本原理

叠置含气系统共采兼容性受控于诸多地质因素，如储层埋深、储层厚度、含气饱和度、含水饱和度、压力状态、孔渗特征、供液能力、系统间跨度等，也与储层改造和排采措施密切相关。无论影响因素有多少，兼容性的根本判识标准是兼容程度对采气工艺技术的适应性，以及通过一定技术措施能够最大限度克服不兼容地质障碍而释放煤系“三气”产能的可行性。

兼容具有容纳和共享的双重意义。由此分析，叠置含气系统共采兼容性受控于2方面核心地质条件：一是不同含气系统之间流体能量差异及其被共采工艺技术的可容纳性，即共采技术对系统间流体干扰的兼容性；二是系统内部不同储层力学性质、孔渗条件差异及其对改造措施的有效共享性，即系统内不同储层适应于相似改造措施的兼容性(图2)。其中，含煤地层的沉积序列与层序格架、含气系统间流体能量差异、系统内不同储层力学性质是控制叠置含气系统共采兼容性的3个地质要素。

图2　叠置含气系统共采兼容性的关键地质控制Fig.2　Geological controlling on co-mining compatibility for multiple superposed gas-bearing system

2.2层序地层格架与含气系统叠置

层序地层格架特点奠定了叠置含气系统的物质及物性基础，限定了系统之间地层流体在垂向上的连通特性[2]。研究发现，作为常规隔水阻气层的泥岩是界定叠置含气系统上下边界的关键层，对应于基准面旋回的升降转换面[12]；最大海泛面附近的钙质、菱铁质海相泥岩区域分布面积大，渗透性极低，造成叠置含气系统相对独立，构成单个含气系统的上下边界[25]。也就是说，层序地层格架通过边界层(关键层)控制煤系渗流能力的垂向变化，通过频繁交替的旋回结构控制储盖组合、储水隔气条件以及含气系统的层级、规模与叠置频率，进而影响到含气系统之间流体能量差异及其被共采工艺技术的可容纳性，成为影响叠置含气系统间共采可容性的重要宏观地质因素(图2)。

临兴区块石炭二叠纪煤系垂向上叠置发育5套含气系统，关键层分别形成于SQ1,SQ4,SQ6,SQ9四个亚层序的高位体系域(图3)[9]。其中，第1关键层发育在本溪组下段(SQ1)，由泥岩、薄煤层、粉砂质泥岩及灰岩构成，厚度一般为4～10 m，以泻湖-潮坪亚相为主；第2关键层出现在太原组下段上部(SQ4)，为泥岩、薄煤层或煤线以及粉砂质泥岩，厚度一般在2～5 m，主要为泻湖-潮亚相，部分为三角洲前缘相；第3关键层位于太原组上段(SQ6)，为泥岩、粉砂质泥岩和灰岩，厚度一般为4～10 m，以泥坪相和三角洲前缘水下分流间湾微相为主；第4关键层发育在山西组下段上部(SQ9)，为泥岩、粉砂质泥岩和薄煤层、煤线，厚度一般10～20 m，属于三角洲前缘相沉积。在此层序格架控制下，岩层物性在垂向上呈旋回式变化，关键层的孔隙率、渗透率和压力系数最低(图1)。

2.3流体能量与叠置含气系统共采兼容性

在含煤地层层序格架控制下，关键层所限定的独立含气系统与其上覆、下伏含气系统之间缺乏水力联系，从而构成叠置含气系统共采兼容性的水文地质基础。一个含气系统的实质，是其内部发育统一的流体压力系统。为此，叠置含气系统的存在必然导致系统之间的流体能量和供给量出现差异，差异大小是控制含气系统共采可行性和兼容程度的直接地质原因。

煤系含气系统地层流体由地下水和天然气构成，地下水动力场在宏观上受控于盆地构造格架之下的补给、径流和排泄体系，微观上与系统内部岩层的渗流能力和储集能力有关。换言之，叠置含气系统之间流体能量的异同在宏观上取决于盆地构造和地下水补径排条件，控制着系统之间储层压力高低和供液能力强弱的差异；在钻孔柱状剖面上，若非发育开放性断层，则含煤地层构造特征一般不会发生明显变化，不同含气系统之间流体能量差异直接取决于地下水补径排条件的差异，成为含气系统之间流体干扰的关键诱因，属于影响叠置含气系统间共采可容性的另一宏观地质因素(图2)。

在共采情况下，井眼贯通不同的叠置含气系统，系统之间流体能量动态平衡状态遭受破坏，流体会从高势含气系统向低势含气系统转移，以寻求新的动态平衡。如果不同含气系统之间流体能量差异显著，则会导致初始压力差较大，较高能势系统的流体会屏蔽或封堵较低能势系统中流体向井眼方向的流动，甚至造成对较低能势系统的“倒灌”和水锁效应，2个或多个含气系统的产能被相互消耗而无法充分释放，这是造成共采叠置含气系统产气能力往往不尽如人意的实质原因。

图3　临兴区块石炭二叠纪煤系叠置含气系统及关键层分布Fig.3　Multiple superposed gas-bearing system and the distribution of key layer in the permo-carboniferous in Linxing Block

叠置含气系统共采兼容性问题在多产层煤系天然气开发中十分突出。黔西1口生产试验井上二叠统龙潭组下段发育2套含气系统，上含气系统煤储层试井流体压力为2 940 kPa。固定上含气系统煤储层压力，将下含气系统煤储层压力作为变量进行数值模拟[26]。结果显示：随着两套含气系统初始流体压力差异的加大，排采40 d时井筒附近下含气系统煤储层压力高于原始储层压力，压降漏斗明显上凸，指示了上含气系统流体向下含气系统的“倒灌”；随着2套含气系统初始煤储层压力差的降低，压降漏斗上凸形态逐渐减缓，倒灌现象逐渐消失，最终恢复正常的压降漏斗形态(图4)。由此说明，高势含气系统地层流体在共采过程中的迁移，一方面会由于水锁效应而“憋死”低势含气系统；另一方面可能由于速敏效应而造成高势煤储层吐砂吐粉，严重影响气井产能。根据煤层气吸附原理，在一个统一流体压力系统中，随着煤层埋深加大或层位降低，煤储层压力随之增高，煤层含气量呈单调函数式变化[2]。然而，储层压力和含气量与吸附原理相悖或呈“波动式”变化的现象在煤系地层中并不鲜见[27]，在多煤层发育地区尤为如此[2,12,28]。例如，黔西地区上二叠统煤系发育30～60层煤层，相当一部分煤层气井煤储层压力在垂向上呈波动式变化，由此诱发的含气系统间干扰是制约该区煤层气规模性开发的重要地质原因(表1)[29]。再如，临兴区块石炭二叠纪煤系流体压力系数在垂向上呈旋回式规律性变化，且与测井响应、物性变化的旋回性一致，指示5套叠置含气系统“三气”共采需要通过兼容性分析进行产层组合优化设计(图1，图3)。

表1　黔西地区上二叠统部分钻孔不同煤储层的试井压力

注：每口钻孔煤层自上而下顺序编号。

2.4复合储层物性差异与含气系统内部共采兼容性

即使在煤系的一个含气系统内部，不同岩性储层也会叠置发育，如煤层-顶板(致密砂岩/泥页岩/灰岩)、煤层-底板(致密砂岩/泥页岩)、致密砂岩-泥页岩等相邻储层的组合[15]。这类复合储层的存在，一方面由于流体能量和渗流特征差异可能造成薄互层产层的层间干扰[30]，另一方面层间应力差、界面性质等因素会对压裂缝的延伸能力和扩展方式产生较大影响[17]，进而影响到采气速率、最终采收率和经济效益。国内外对前一兼容性现象及其解决措施研究较多，但鲜见针对煤系薄互层复合储层的研究工作。后一兼容性现象起源于不同岩性储层力学性质的差异，涉及产层组合及其压裂设计、复合储层共享改造措施的程度等，是煤系单个含气系统内复合储层高效经济开采的技术难题(图2)。

在诸多非常规天然气储层改造工艺技术中，水力压裂是长期以来的主导技术。基于这一技术原理，针对煤系复合储层开展过诸多探索和尝试，如合压合采、分压合采、虚拟产层、垂向间接压裂、滑套连续多层压裂等。合压合采作业相对简单，成本较低，但不同储层的产气贡献不清，往往只有一个层位可见效果[31]，在一定程度上造成了改造投入的浪费。分压合采作业相对复杂，成本较高，施工周期长，排采不易控制。虚拟产层与垂向间接压裂有相似之处，通过对产层邻近脆性岩层的压裂改造在邻近层形成裂缝型间接产层，并力图使裂缝穿层扩展而在储层中构建裂缝网络。这一方法在美国白河隆起共采先导性试验中得到成功运用[18-19]，但我国近年来所开展的尝试未见明显效果。

国内外针对这一技术难题开展了研究与探讨，但问题未能得到有效解决，复合储层共采兼容性、人工裂缝扩展规律及其地质力学机制仍然不是十分明了。例如，通过数值模拟，认为薄互层油藏层间干扰的主要因素是渗透率级差[31]。再如，基于煤岩、灰岩、页岩、致密砂岩的人工储层组合开展物理模拟试验，发现水力裂缝起裂方向受地应力场及近井筒天然弱面共同控制，裂缝能否穿透岩层界面取决于应力差大小，较大的层间弹性模量差有助于激活煤岩微裂缝而形成复杂裂缝网络，水力裂缝在煤岩中扩展路径受天然裂缝影响较大[17]。一些研究者认为，模量差对裂缝高度扩展的影响不大，水平应力差对分层介质中缝高扩展的影响较大[32]；分层岩石中裂缝的扩展，很大程度上受交界面两边岩石力学性质差异、穿过交界面时水平应力状态改变及交界面剪切强度的影响[33]；岩石分层物性差异以及应力差会导致分层岩块中形成的裂缝比较复杂，并可能伴随沿交界面的剪切滑移[34]。

美国白河隆起深部煤系“三气”共采之所以取得成功的关键原因之一，是通过对复合储层岩石力学性质组合与岩性组合之间关系的研究，明确了垂向间接压裂法适用的地层条件，即：产层之间发育脆性的砂岩或粉砂岩隔层，煤岩垂向渗透率高于水平渗透率，支撑剂能进入砂岩隔层并有较高导流能力，砂岩和粉砂岩延伸压力梯度较低且沿缝长方向可贯穿至煤层[18-19]。换言之，岩石力学性质差异对含气系统内部复合储层共采兼容性影响的实质是一个地质力学问题，有效解决这一问题的基础在于阐明煤系不同地层条件复合储层人工裂缝发生与发展的特点与地质-力学机制。

3叠置含气系统共生共探与共采探索方向

阐明叠置含气系统共生地质特点以及开展有效共探，是实现煤系“三气”共采乃至深部煤层气开采的前提。近10年来，国内针对煤系叠置含气系统非常规天然气开展研究工作，重点集中在成藏要素与成藏机制方面[2,8,10-13,15,29,35-40]，在地质评价[9,14,41-43]、开采方式[3,4,16,17,26,44-47]等方面有零星成果见诸报道，值得关注的是对开采机制进行了深入思考[48]。分析前期成果，共采是有效释放煤系“三气“产能及经济开发深部煤层气资源的重要技术途径，煤系非常规天然气商业性开发前景可观但面临诸多技术瓶颈，地质研究贯穿于整个产业链上～中游的主要环节，叠置含气系统特点、规律和机制是其中不可或缺的研究内容，叠置含气系统兼容性进而合理确定开发地质单元(选区选层与产层组合)为其中应关注的焦点，所有地质工作的重心在于经济高效提高单井产气量。

前期探索推动了对本领域共性地质问题实质的理解，为煤系“三气”共探共采试验提供了有益的借鉴，但对于机制的理解尚待深化，一些与共采密切相关的方向尚未涉及，地质研究成果的工程化有待加强，所有探索工作尚待从系统工程的层次上加以规划和实施。只有深化对煤系“三气”共生特性的地质认识，才能了解含气系统的叠置和能量分配特点；只有实现兼容性的量化评价，才可能理解系统之间流体静态分配特点及其在共采过程中的传递和再分配规律；只有发展更为精细的探测与解释技术，才有可能确定叠层含气系统之间及内部的物性与能量差异；只有确定煤系“三气”赋存态差异，才可能优化和创新兼顾吸附气和游离气生产特点的共采技术(图5)。一句话，实现煤系“三气”共探与共采的基础是对叠置含气系统地质问题的深刻理解，对其共生特性及开采地质动态的深入阐释是指导煤系“三气”共采工艺优化和技术创新的主线。

图5　煤系“三气“及其共生共探共采关系Fig.5　Relationship of symbiosis,co-exploration and co-mining for coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series

在此领域，需要开展3方面地质探索：一是深刻理解煤系“三气”的共生特性，包括煤系“三气”叠置成藏的共生规律以及叠置能量系统的可控开采地质条件，探索叠置含气系统的流体压力特点和共采兼容特性；二是发展针对煤系“三气”共生赋存状态、储层特点的共探方法，包括地球物理探测和地质-地球化学分析，实现对叠置含气系统以及产气来源和贡献的高分辨识别；三是探讨适应于煤系“三气”共采工艺与技术的地质条件，发展共采优化及地质诊断方法，支撑适应性共采技术的研发。这些研究的最终目的，是建立集产气系统兼容、改造技术适应、产气贡献明确、采气工艺优化等为一体的煤系“三气”共采地质技术，为实现高效经济的勘探开发提供技术支持。

上述研究的核心技术目标是“叠置含气系统精细描述与共采兼容性地质评价技术”，需要针对如下4方面内容具体展开：

(1)叠置含气系统关键层高分辨识别。以煤系单井剖面沉积旋回结构为基础，精细分析特定区块煤系沉积相及其三维空间分布特点，建立煤系层序地层格架。以单井沉积序列及其测井响应为约束，构建叠置含气系统关键层高分辨识别技术，建立关键层三维地质模型。分析层序格架对低孔低渗关键层发育的控制作用，提取关键层物性测井响应信息，建立以关键层为约束的煤系储(产)层组合模型。

(2)叠置含气系统流体及能量高分辨识别。分析三级层序地层单元框架下的地下水动力场及其富水性特征，提取叠置含气系统流体压力的测井响应信息，分析叠置含气系统之间物质和能量的转化、传递以及再分配过程。以此为基础，分析叠置含气系统发育规律，阐释地下水流场、叠置含气系统主控地质因素与机制，形成叠置含气系统富水性及流体压力的分析与预测技术。

(3)叠置含气系统共采兼容性定量表征。面向特定区块开展以含气系统为单元的储盖序列地质建模研究，探讨叠置含气系统共采兼容性的流体驱动机制，建立集关键层、储层含气性和物性、含气系统能量等重要信息为一体的共采地质模型。以此为基础，考察含气系统之间流体压力、含气性、渗透性、岩石力学性质等差异，建立叠置含气系统共采兼容性与可行性的量化判识指标和方法体系。

(4)叠置含气系统开发地质单元与开发方式。耦合分析上述3方面地质条件，结合构造、地应力场等特点，分析叠置含气系统共采地质动态综合效应，优化产层组合设计，划分特定区块煤系“三气”开发地质单元，并阐明其三维空间分布特点。最终，以最大限度释放叠置含气系统产能为目标，以叠置含气系统共采兼容性为约束条件，提出优化和创新煤系“三气”共采工艺技术的具体建议。

4结语

我国煤系“三气”共采和深部煤层气高效经济开采，需要创新和发展适应性的共采工艺技术，而“适应性”研究面向的对象是控制叠置含气系统兼容性的地质条件。对这些特殊地质条件及其作用效应的深刻理解，应该贯穿叠置含气系统共生、共探与共采的整个过程，核心目标是研发叠置含气系统精细描述与共采兼容性地质评价技术。为了实现这一目标并推进共采工艺和技术的发展，研究重点在于叠置含气系统关键层高分辨识别、叠置含气系统流体及能量高分辨识别、叠置含气系统共采兼容性定量表征以及叠置含气系统开发地质单元与开发方式等4个方面。

参考文献：

[1]曹作华,范亚芳,王健,等.我国十年来煤层气研究热点分布转换与产业发展[J].煤炭科学技术,2015,43(2):5-9,20.

Cao Zuohua,Fan Yafang,Wang Jian,et al.Transformation and industrial development of coalbed methane study hot point distribution in passed ten years of China[J].Coal Science and Technology,2015,43(2):5-9,20.

[2]秦勇,熊孟辉,易同生,等.论多层叠置独立含煤层气系统:以贵州织金-纳雍煤田水公河向斜为例[J].地质论评,2008,54(1):65-70.

Qin Yong,Xiong Menghui,Yi Tongsheng,et al.On unattached multiple supersosed coalbed-methane system:In a case of the Shuigonghe syncline,Zhijin-Nayong coalfield,Guizhou[J].Geological Review,2008，54(1):65-70.

[3]傅雪海,葛燕燕,梁文庆,等.多层叠置含煤层气系统递进排采的压力控制及流体效应[J].天然气工业,2013,33(11):35-39.

Fu Xuehai,Ge Yanyan,Liang Wenqing,et al.Pressure control and fluid effect of progressive drainage of multiple superposed CBM system[J].Natural Gas Industry,2013,33(11):35-39.

[4]秦勇,汤达祯,刘大锰,等.煤储层开发动态地质评价理论与技术进展[J].煤炭科学技术,2014,42(1):80-88.

Qin Yong,Tang Dazhen,Liu Dameng,et al.Geological evaluation theory and technology progress of coal reservoir dynamics during coalbed methane drainage[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):80-88.

[5]姜汉桥,姚军,姜瑞忠.油藏工程原理与方法[M].东营:中国石油大学出版社,2006:8-22.

[6]于会利,汪卫国,荣娜,等.胜坨油田不同含水期层间干扰规律[J].油气地质与采收率,2006,13(4):71-73.

Yu Huili,Wang Weiguo,Rong Na,et al.Rule of interlayer interference in various water cut periods of Shengtuo Oilfield[J].PGRE,2006,13(4):71-73.

[7]Lei Bo,Qin Yong,Gao Di,et al.Vertical diversity of coalbed methane content andits geological controls in the Qingshan syncline,western Guizhou Province,China[J].Energy Exploration & Exploitation,2012,30(1):43-58.

[8]杨兆彪,秦勇,高弟.黔西比德—三塘盆地煤层群发育特征及其控气特殊性[J].煤炭学报,2011,36(4):593-597.

Yang Zhaobiao,Qin Yong,Gao Di.Development character and particularity of controlling coalbed methane under coal seam groups from Bide-Santang Basin,Western Guizhou[J].Journal of China Coal Society,2011,36(4):593-597.

[9]秦勇,申建,沈玉林,等.鄂尔多斯盆地东北缘煤系“三气”勘探潜力与开发可行性[R].徐州:中国矿业大学,2015.

Qin Yong,Shen Jian,Shen Yulin,et al.Exploration potential and development feasibility of coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coalserieson the northeast margin of Ordos Basin[R].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2015.

[10]王鹏.沁水盆地石炭—二叠系煤系地层游离气多赋存类型依存关系定量分析[D].青岛:山东科技大学,2011.

Wang Peng.Quantitative analysis of free gas occurrence types in coal seams in the permo-carboniferous in Qinshui Basin[D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2011.

[11]杨兆彪,秦勇,陈世悦,等.多煤层储层能量垂向分布特征及控制机理[J].地质学报,2013,87(1):139-144.

Yang Zhaobiao,Qin Yong,Chen Shiyue,et al.Controlling mechanism and vertical distribution characteristics of reservoir energy of multi-coalbeds[J].Acta Geologica Sinica,2013,87(1):139-144.

[12]袁学旭.多煤层含气系统识别研究——以黔西上二叠统为例[D].徐州:中国矿业大学,2014.

Yuan Xuexu.Recognition of multi-coalbed methane bearing system:A case study of coal-bearing strata of Upper Permian in Western Guizhou[J].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2014.

[13]Yang Zhaobiao,Qin Yong,Geoff X Wang,et al.Investigation on coal seam gas formation of multi-coalbedreservoir in Bide-Santang Basin Southwest China[J].Arabian Journal of Geosciences,2014,8(8):5439-5448.

[14]秦勇,梁建设,申建,等.沁水盆地南部致密砂岩和页岩的气测显示与气藏类型[J].煤炭学报,2014,39(8):1559-1565.

Qin Yong,Liang Jianshe,Shen Jian,et al.Gas logging shows and gas reservoir types in tight sandstones and shales from Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1559-1565.

[15]梁宏斌,林玉祥,钱铮,等.沁水盆地南部煤系地层吸附气与游离气共生成藏研究[J].中国石油勘探,2011,16(2):72-78.

Liang Hongbin,Lin Yuxiang,Qian Zheng,et al.Study on coexistence of absorbed gas and free gas in coal strata Sourth of QinshuiBasin[J].China Petroleum Exploration,2011,16(2):72-78.

[16]王伟,程远平,袁亮,等.深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性[J].煤炭学报,2016,41(1):138-148.

Wang Wei,Cheng Yuanping,Yuan Liang,et al.Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):138-148.

[17]孟尚志,侯冰,张健,等.煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模实验研究[J].煤炭学报,2016,41(1):221-227.

Meng Shangzhi,Hou Bing,Zhang Jian,et al.Experimental research on hydraulic fracture propagation through mixed layers of shale,tight sand and coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):221-227.

[18]Oisnt H.Paying off for Tom Brown in White River Dom field’s tight sandstone deep coals[J].The American Oil and Gas Reports,2002,10:67-75.

[19]Nelson C R.In deep coalbed gas plays in the U.S.Rocky Mountain Region[A].AAPG Annual Meeting[C].Denver,2003:5-8.

[20]叶建平.我国煤层气产业发展现状[A].2013全国煤层气学术研讨会[C].青岛,2013.

[21]秦勇,吴财芳,申建,等.延川南区块煤储层精细描述[R].徐州:中国矿业大学,2013.

[22]王运海.延川南煤层气勘探开发实践[A].2013全国煤层气学术研讨会[C].青岛,2013.

[23]李辛子,王运海,姜昭琛,等.深部煤层气勘探开发进展与研究[J].煤炭学报,2016,41(1):24-31.

Li Xinzi，Wang Yunhai，Jiang Zhaochen，et al.Progress and study on exploration and production for deep coalbed methane[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):24-31.

[24]秦勇,申建,王宝文,等.深部煤层气成藏效应及其耦合关系[J].石油学报,2012,33(1):48-54.

Qin Yong,Shen Jian,Wang Baowen,et al.Accumulation effects and coupling relationship of deep coalbed methane[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(1):48-54.

[25]沈玉林,秦勇,郭英海,等.多层叠置独立含煤层气系统形成的沉积控制因素[J].地球科学—中国地质大学学报,2012,37(3):573-579.

Shen Yulin,Qin Yong,Guo Yinghai,et al.Sedimentary controlling factor of unattached multiple superimposed coalbed-methane system formation[J].Earth Science-Journal of China Unversity of Geosciences,2012,37(3):573-579.

[26]王乔.黔西多煤层区煤层气井合层排采干扰机理数值模拟[D].徐州:中国矿业大学,2014.

Wang Qiao.Numerical simulation on the inter-well interference of multi-layer drainage in the Western Guizhou[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2014.

[27]叶建平,秦勇,林大扬,等.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999:126-189.

[28]赵丽娟,秦勇,林玉成.煤层含气量与埋深关系异常及其地质控制因素[J].煤炭学报,2010,35(7):1165-1169.

Zhao Lijuan,Qin Yong,Lin Yucheng.Abnormal relation and its geological controls of coalbed methane content to buried depth of coal seams[J].Journal of China Coal Society,2010,35(7):1165-1169.

[29]杨兆彪,秦勇.地应力条件下的多层叠置独立含气系统的调整研究[J].中国矿业大学学报,2015,44(1):70-75.

Yang Zhaobiao,Qin Yong.A study of the unattached multiple superposed coalbed-methane system under stress conditions[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(1):70-75.

[30]王峙博,黄爱先,魏进峰.薄互层油藏层间干扰数值模拟研究[J].石油天然气学报,2012,34(9):247-250.

Wang Shibo,Huang Aixian,Wei Jinfeng.Numerical simulation on interference of thin and interbedreservoirs[J].Journal of Oil and Gas Technology,2012,34(9):247-250.

[31]吴浩.苏里格区块压裂工艺配套研究[D].武汉:长江大学,2013.

Wu Hao.Study on fracturing technology in Sulige Block[D].Wuhan:Yangtze University,2013.

[32]Van Eekelen H A M.Hydraulic fracture geometry:Fracture containment in layered formations[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1982,22(3):341-349.

[33]Teufel L W,Clark J A.Hydraulic Fracture Propagation in Layered Rock:Experimental Studies of Fracture Containment[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1984,24(1):19-32.

[34]Athavale A S,Miskimins J L.Laboratory hydraulic fracturing tests on small homogeneous and laminated blocks[A].The 42nd US rock mechanics symposium[C].Francisco,2008.

[35]李伍,朱炎铭,陈尚斌,等.滇东老厂矿区多层叠置独立含煤层气系统[J].中国煤炭地质,2010,22(7):18-21.

Li Wu,Zhu Yanming,Chen Shangbin,et al.Multilayer Superimposed CBM-bearing independent system in Laochang Mine Area,Eastern Yunnan[J].Coal Geology of China,2010,22(7):18-21.

[36]许浩,汤达祯,秦勇,等.黔西地区煤储层压力发育特征及成因[J].中国矿业大学学报,2011,40(4):556-560.

Xu Hao,Tang Dazhen,Qin Yong,et al.Characteristics and origin of coal reservoir pressure in the west Guizhou Area[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(4):556-560.

[37]杨兆彪,秦勇,高弟.黔西比德—三塘盆地煤层群含气系统类型及其形成机理[J].中国矿业大学学报,2011,40(2):215-221.

Yang Zhaobiao,Qin Yong,Gao Di.Type and geological controls of coalbed methane-bearing system under coal seam groups form Bide-Santang basin,Western Guizhou[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(2):215-221.

[38]Lan Fengjuan,Qin Yong,Li Ming.Abnormal concentration and origin of heavy hydrocarbon in upper permian coal seams from Enhong syncline,Yunnan,China[J].Journal of Earth Science,2012,23(6):842-853.

[39]顾娇杨,张兵,秦勇,等.临兴区块深部煤层气富集规律与勘探开发前景[J].煤炭学报,2016,41(1):72-79.

Gu Jiaoyang,Zhang Bing,Qin Yong,et al.Deep coalbed methane enrichment rules and its exploration and development prospect in Linxing block[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):72-79.

[40]Zhang Zheng,Qin Yong,Fu Xuehai,et al.Multi-layer superposed coalbed methane system in southern Qinshui Basin,Shanxi Province,China[J].Journal of Earth Science,2015,26(3):391-398.

[41]郭本广,许浩,孟尚志,等.临兴地区非常规天然气合探共采地质条件分析[J].中国煤层气,2012,9(4):3-6.

Guo Benguang,Xu Hao,Meng Shangzhi,et al.Geology condition analysis for unconventional gas co-exploration and concurrent production in Linxing Area[J].China Coalbed Methane,2012,9(4):3-6.

[42]谢英刚,秦勇,叶建平,等.临兴地区上古生界煤系致密砂岩气成藏条件[J].煤炭学报,2016,41(1):181-191.

Xie Yinggang,Qin Yong,Ye Jianping,et al.Accumulation conditions of tight gas in the Upper Paleozoic of Linxing Block[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):181-191.

[43]高为,田维江,秦文,等.贵州省煤层气与页岩气共探共采的地质优选[J].断块油气田,2014,21(1):36-38.

Gao Wei,Tian Weijiang,Qin Wen,et al.Geological optimization of coalbed methane and shale gas co-exploration and concurrent production in Guizhou Province[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2014,21(1):36-38.

[44]郭晨,秦勇,易同生,等.黔西肥田区块地下水动力条件与煤层气有序开发[J].煤炭学报,2014,39(1):115-123.

Guo Chen,Qin Yong,Yi Tongsheng,et al.Groundwater dynamic conditions and orderly coalbed methane development of Feitian Block in Western Guizhou,South China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):115-123.

[45]杨宇,周文,闫长辉,等.砂岩-页岩共生气藏物质平衡方程构建与应用[J].煤炭学报,2016,41(1):174-180.

Yang Yu,Zhou Wen,Yan Changhui,et al.Application and derivation of material balance equation for shale gas reservoirs with laminated sandstone pay zones[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):174-180.

[46]易同生,周效志,金军.黔西松河井田煤系气成藏特征及共探共采技术[J].煤炭学报,2016,41(1):212-220.

Yi Tongsheng,Zhou Xiaozhi,Jin Jun.Study on the reservoir forming characteristics and co-exploration and concurrent production technology of Longtan coal measure coalbed methane & tight gas in Songhe field,western Guizhou[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):212-220.

[47]梁冰,石迎爽,孙维吉,等.我国煤系“三气”成藏特征及共采可能性[J].煤炭学报,2016,41(1):167-173.

Liang Bing,Shi Yingshuang,Sun Weiji,et al.Reservoir forming characteristics of “the three gases” in coal measure and the possibility of commingling in China[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):167-173.

[48]杨陆武.煤层气开采地质条件与工程解构[J].煤炭学报,2016,41(1):32-39.

Yang Luwu.Coupling and decouple of CBM resources-CBM resources and engineering control of “Window-Longtail Effects”[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):32-39.

Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series

QIN Yong,SHEN Jian,SHEN Yu-lin

(KeyLaboratoryofCBMResourcesandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Abstract:Three gases in coal series,including coalbed methane (CBM),tight sandstone gas and shale gas,are important unconventional gas resources,but their large scale mining has not been realized in China.Six basic geological characteristics of the“three gases”,on the one hand,provide a superior gas source and preservation condition,and,on the other hand,result in outstanding co-mining compatibility,which originates from the superposed coexistence of multiple sets of fluid pressure systems and could not been resolved with conventional measures.Key geological controls of the compatibility among the superposed gas-bearing system (SGS) are represented as the compatibility from the fluid energy difference among the systems and from the difference of the mechanical properties,pore and permeability of various reservoirs inside the system.It is considered that the sequence stratigraphic framework,fluid energy system and rock mechanics properties are three key factors affecting the compatibility.Foundation for the “three gases”co-exploration and co-mining is to understand profoundly the relevant geological controls,and the main approach for the optimization and innovation of co-mining technology is to expound deeply the geological dynamics during the joint mining,which need to take the compatibility as a constraint condition for the full release of the production capacity in SGS.To this end,the future investigation of the compatibility should be focused on some aspects,such as the high-resolution recognition of key strata and fluid energy system,the quantitative characterization of the compatibility,and the geological units and model of the “three gases” development.

Key words:coal series；superposed gas-bearing system；co-mining compatibility；geological principle；future investigation

中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0014-10

作者简介:秦勇(1957—)，男，重庆人，教授，博士。E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(41530314,U1361207);国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034,2016ZX05066-01-04)

收稿日期:2015-10-15修回日期:2015-11-28责任编辑:韩晋平

秦勇，申建，沈玉林.叠置含气系统共采兼容性——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题[J].煤炭学报,2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032

Qin Yong,Shen Jian,Shen Yulin.Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032