煤系非常规天然气勘查方法探讨

张庆辉，宋 儒，苏育飞，屈晓荣

(1.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原 030006； 2.山西省煤炭地质局，山西太原 030006)

煤系非常规天然气勘查方法探讨

张庆辉1，宋 儒2，苏育飞1，屈晓荣1

(1.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原 030006； 2.山西省煤炭地质局，山西太原 030006)

近年来，随着基础地质理论研究和勘探开发技术取得突破，海陆交互相含煤地层煤系非常规天然气勘探开发越来越受重视。但是，目前对煤系非常规天然气主要还是集中在理论研究方面，如何对其进行勘查开发尚无一套完整可供参考的标准和方法。以山西省煤炭地质局实施的沁水煤田榆社-武乡区块煤层气页岩气普查项目为例，介绍山西省煤炭地质局在煤系非常规天然气方面的一些勘查经验和方法：一是采用“滚动式开发”“地震先行、钻探验证”等油气勘查理念以及气测录井、DST试井、页岩气测试、二维三分量地震、微地震裂缝监测等一些油气勘查手段；二是通过走“产学研用”相结合的工作模式，联合科研院校开展综合研究工作，取得了煤系非常规天然气的地震储层反演、有利目标区预测、测井精细化解释、资源潜力综合评价、大口径深井连续绳索取心300m等一批科研成果，逐步形成了一套系统的煤系非常规天然气勘查方法，并结合现有工作成果，提出了本区下一步的工作方向。

煤系非常规天然气；山西省煤炭地质局；榆社-武乡区块；勘查方法

随着我国对能源需求的逐年增加，天然气勘探开发步伐逐渐加快，单一非常规天然气资源勘探开发不仅造成严重的资源浪费，也使得重复勘探开发成本增加。近年来，基础地质理论研究和勘探开发技术逐步取得突破，海陆交互相含煤地层煤系非常规天然气勘探开发越来越受重视[1-3]。但是，目前对煤系非常规天然气主要还是集中在理论研究和单一气源勘探开发方面[4-7]，如何对其进行勘查开发尚无一套完整的可供参考的标准和方法。

山西省煤炭地质局作为山西省煤炭资源勘查的主要单位，六十多年来，完成煤田地质勘查覆盖面积为3.4万km2，占全省煤炭已勘查面积的90%；钻探进尺1100万m，累计提交各类地质报告700余件；累计查明煤炭资源储量2500亿t，占全省已查明资源储量的80%，为山西各大型煤炭企业的建立奠定了坚实的基础，为山西乃至全国煤炭工业发展做出了突出贡献。但是，近几年，煤炭市场正遇寒潮，为寻找新的发展机遇，摆脱以往单一的煤炭勘查模式，自“十二五”以来，我局开展了大量的煤系非常规天然气的勘查和研究工作，逐渐形成了一套系统的煤系非常规天然气勘查方法，为煤系非常规天然气产业的发展作出了重要贡献。

为了加快山西省非常规天然气产业的发展， 2014年4月22日山西省政府专题会议在省内确定了5个煤层气页岩气综合勘查区块进行煤系非常规天然气的勘查和研究工作，榆社-武乡区块是其中之一。

1 榆社-武乡区块地质条件

榆社-武乡区块位于山西省沁水煤田中部的榆社县和武乡县境内，面积1219.72km2，处于沁水盆地复向斜东翼，地层总体为一走向北东、倾向北西的单斜构造，倾角3°～10°。区内中北部基岩出露广泛，从老至新出露有二叠系上统上石盒子组(P2s)及石千峰组(P2sh)，三叠系下统刘家沟组(T1l)及和尚沟组(T1h)，三叠系中统二马营组(T2er)，地层由南西向北东由老到新依次出露。新近系和第四系广泛分布于研究区南部及山梁、沟谷两侧。

下二叠统山西组和上石炭统太原组是区内的主要含煤地层，也是区内的主要含气地层，山西组3号煤层和太原组15号煤层为本区主要可采煤层。3号煤层位于山西组中下部，平均厚度为1.14m，含气量为13.73～28.67m3/t，煤层埋深1 000～1 500m；15号煤层位于太原组下部，平均厚度为5.08m，含气量为7.51～27.38m3/t，煤层埋深为1 100～1 600m。煤层主要以原生结构煤为主，煤体结构简单，以无烟煤为主，储层破裂压力较低，易于储层改造，煤层吸附能力强，含气量高，预测该区块煤层气资源量为2 414亿m3。

区内山西组和下石盒子组砂岩层段拥有连续厚度较大的北岔沟和骆驼脖子等砂岩标志层段，横向延展性也较好，拥有较高的砂地比，太原组砂岩厚度为14.13～75.62m，平均厚度为35.41m；山西组砂岩厚度4.25～54.42m，平均20.8m；下石盒子组砂岩厚度为7.5～57.55m，平均厚度25.01m，上石盒子组砂岩厚度为61.1～184.75m，平均厚度为115.58m。沉积相以障壁岛相和分流河道为主，致密砂岩气叠合有利区总面积为250.71km2。

区块富有机质页岩存在灰质页岩、粉砂质页岩和泥岩粉砂岩几大岩类型，常发育水平层理和复合波状层理；厚度平均为120m，大部分地区埋深都在1 000m以上，主要矿物成分为黏土矿物和石英，整体脆性指数较高。区块整体泥页岩发育稳定，有机质类型以腐植型(III型干酪根)为主，含气量平均为0.5m3/t，最高为6.11m3/t，有机质含量(TOC)高，镜质组随机反射率R0普遍大于2%，成熟度高，利于甲烷的大量生成，页岩气储存、生烃能力好，预测页岩气潜在的资源量为3 041亿m3。

2 煤系非常规天然勘查工程部署原则和勘查手段选择

2.1 工程部署原则

为了系统评价区块的煤层气开发潜力，探索煤系非常规天然气共探共采的可行性，本次勘查工作以“立足煤层气、探索页岩气、兼顾砂岩气”为总体思路，采用“分阶段、分梯次、滚动勘探”的油气工作方法。项目从设计之初，即采用“地震先行，钻探验证”的油气勘查理念，全区按6km×6km网格部署二维地震，设计煤层气钻井21口。目前已进行了2个阶段的勘查工作，主要采用了二维地震、钻井及相配套的气测录井、测井、试井、采样测试、水文调查等工作手段，完成了全部二维地震和2口煤层气参数井及8口探井(图1)。并将其中的一口参数井参7-1井作为实验井，采用电缆桥塞+射孔联作投球分层压裂工艺，对其3号煤层组(含泥页岩)和8号煤层组(含砂泥岩)实施了压裂改造工作。

2.2 煤系非常规天然气勘查手段

2.2.1 地质填图和野外构造重点观察

地质填图工作的目的在于通过对自然露头和工程揭露点等进行系统地观测及描绘，研究地面地质规律和地质构造发育特征，水文地质、工程地质特征及环境地质现状，是勘查工作的基础。而野外构造重点观察是通过对断层、节理等构造特征进行详细观察和分析，研究其对气体资源流动的影响，为后期储层改造提供帮组。研究结果表明，节理发育方向以50°和317°为主，其中50°为主要方向，317°为次要方向(图2)。地质填图工作执行《煤田地质填图规程(1∶5万、1∶2.5万、1∶1万、1∶5千)》(DZ/T0175-2014)，填图范围以区块边界外扩200m，面积1 267km2。填图方法以追踪法为主，穿越法为辅。

图1 工作部署图Figure 1 Working deployment diagram

图2 节理观测点及节理走向玫瑰花图Figure 2 Joint observation points and strike rose diagram

2.2.2 二维地震

其目的是落实区块内煤系“三气”储层的空间展布形态、埋藏深度及构造形态，预测储层厚度和含气性，圈定有利区。在第一阶段工作中按6km×6km网格部署北西西向主测线11条，北北东向联络线2条，满覆盖长度共332.76km，续作工作中在圈定的有利区内又加密了北西西向主测线3条(图1)。二维地震工作执行《煤层气地震勘探规范》(NB/T10002-2014)和《煤炭煤层气地震勘探规范》(MT/T897-2000)。

2.2.3 钻探

其目的是获取全井段地层的地质资料和油气显示资料；获取暗色泥页岩目标层系的岩心资料、油气样品等直接资料；获取钻遇地层层段的地球物理测井等辅助资料；通过压裂排采等技术手段，获取目标层段的天然气产能资料。主要设计2种井型(参数井和探井)，参数井井径按煤层气井要求，一开为311mm，下表套固井后，二开为215.9mm钻到终孔；探井按煤田孔要求，井径为97mm。其中，探井要求全孔绳索取心，参数井要求下石盒子组以下进行绳索取心，煤心直径不小于60mm；参数井井斜最大不得超过3°，全角变化率不大于1.4°/25m，探井按煤田标准要求。参照中华人民共和国地质矿产行业标准《煤层气钻井作业规程》(DZ/T 0250-2010)以及全国页岩气资源战略调查先导试验区《页岩气战略调查井钻井技术要求(试行)》(国土资源部油气资源战略研究中心，2010)。

本次施工的参数井参7-1井，在国内首次实现了大口径深部地层连续绳索取心300m，为后期采样测试、地层层序等方面研究奠定了坚实的基础。另外，建议在对新区进行勘查时，首先施工一批探井，尽可能的进行取心。

2.2.4 综合录井

其目的是为钻井监督和地质监督提供准确的信息,以便迅速作出决策，发现油气层，解放油气层，降低钻井成本，提高钻井速度，减少意外事故 。根据气测录井曲线，可初步评价钻遇地层的含气层类型、厚度及气体组成，是新区进行气体勘查的重要手段，尤其是对发现致密砂岩气藏是一个很好的工作手段。但是，气测录井技术非常受钻井设备、录井设备的制约，资料解释以定性解释为主，其成果仅供定性参考[8-9]。本次主要进行了气测、岩心(屑)、钻时、钻井液、工程等几方面的录井工作，参照《煤层气地质录井作业规程》(Q/CUCBM 0201-2002)、《页岩气战略调查井钻井技术要求》国土资源部油气资源战略研究中心等规范进行。

2.2.5 测井

其目的是划分地层、判别岩性；解释煤层、含气泥页岩层深度、厚度及结构；求取目的层的固定碳、灰分、水分的质量百分比含量，估算含气量；求取其它岩层的砂质、泥质和水分(孔隙)的体积百分比含量；进行主要目的层及其围岩的含水性、渗透性分析。测井推荐采用自然电位、自然伽马、视电阻率、三侧向、双井径、补偿密度、补偿中子、补偿声波、井温、井斜、声波成像、γ能谱、阵列声波及微球聚焦等多项参数，按照《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T0080-2010)测井技术要求测井施工。

2.2.6试井

其目的是判断储层的地应力、渗透率等性质，为后期储层改造提供数据参考。本次煤层采用的是注入/压降测试方法，泥页岩和砂岩储层采用的是DST试井方法。，但实际工作中发现，泥页岩采用DST试井方法对于研究区的地层条件效果不够理想。注入/压降参照《煤层气井注入/压降试井方法》(GB/T 24504-2009)等规范进行，DST 试井参照《常规地层测试技术规程》(SY/T 5483-2005)等规范进行。

3 产学研相结合，加大资料的研究深度

在实施勘查工作的同时，我局通过走产学研相结合的工作模式，联合中国地质大学、中国矿业大学、中国石油大学、西安石油大学等科研院所，对取得的资料进行了大量研究工作，取得了系非常规天然气的地震储层反演、有利目标区预测、测井精细化解释研究、资源潜力综合评价、大口径深井连续绳索取心300m等一批科研成果。先后在SCI、EI、国内核心期刊上发表学术论文18篇，编写论著2部，申请专利一项，培养了一批年轻的煤系非常规天然气勘查人才。

3.1 测井精细解释研究

通过遵循地质约束测井、岩心刻度测井原则，建立煤系非常规天然气储层精细解释技术。关键点是要对测井曲线进行预处理，井径精细校正。获得了煤岩层的煤质参数、孔隙度及渗透率、含气量及弹性参数等预测模型；泥页岩层的矿物含量、孔隙度及渗透率、TOC、含气量及弹性参数等预测模型。发现计算结果与实验分析结果符合性非常好，表明测井手段可以对煤系“三气”进行共探，评价含气储层的地化、物性和含气性等参数，尤其是对于不取心井，但前提是必须建立适合勘查区的预测模型[10]。

其中，采用等温吸附线法、回归分析法及修正的KIM方程法三种方法对煤层含气量进行了预测，将计算含气量与测试含气量进行对比，可以看出，吸附等温线法总体计算趋势较好，但需依据测试数据才能计算；KIM方程法计算结果偏大；多元回归分析法计算误差最小(图3)。所以此次煤层含气量计算优选的方法是多元回归分析法。

图3 煤层气储层样品含气量预测效果对比图Figure 3 Comparison of CBM reservoir sample gascontent predicted results

3.2 煤系“三气”地震储层反演与有利目标区预测

通过开展储层岩石物理统计，利用钻井、测井等资料，建立了岩性、物性与速度、密度等测井曲线的关系量板，为储层反演、流体检测提供可靠的约束关系。利用叠后地震相控非线性随机反演技术刻画了区块内煤系非常规天然气储层的空间展布特征。在测井资料的约束下，开展叠前地震多参数同时反演，得到纵波、横波、密度、纵横波速度比、泊松比、拉梅系数乘密度等多个剖面，并优选出对含气储层敏感的参数(拉梅系数乘密度)， 从而对区块内各目的层段的含气性进行了预测(图4)。综合区块内的构造、

图4 叠前反演识别储层含气性Figure 4 Prestack inversion reservoir gas-bearing property identification

沉积相特征、储层厚度与含气性预测成果，进行了有利目标区预测，提出了下一步工作井位部署建议。

3.3 非常规天然气资源潜力综合评价

通过开展层序地层及沉积相，煤层及页岩层有机地化特征，煤储层及页岩储层储集性能，煤系砂岩储层物性特征，煤系非常规天然气成藏等多方面研究，最终完成了研究区的煤系非常规天然气储层的综合评价，并采用层次分析和模糊数学评价相结合的方法，运用层次分析法计算各影响因素指标的权重，模糊数学评价法评价各影响因素的配置，对本区煤层气和页岩气共采有利区进行了优选。

3.4 非常规天然气资源共采研究

通过对区内的参7-1井进行压裂排采作业，对煤系“三气”的共采可行性进行了初步探讨。利用射孔+桥塞联作投球分压方式，对该井的两大层组5小层(3号煤组及其间的泥岩、8号煤层及其下部的粉砂岩)进行了压裂作业，压裂过程中，采用微地震对压裂裂缝进行了监测，发现裂缝方向主要集中在NE46°，与地面野外构造观察基本一致，。

该井从2016年10月26日开始排采，2017年1月27日开始解析，套压最大达4.60MPa，4月5日开始进行试采，当前产气量已达700m3/d，实现日产气1 000m3的目标应该是指日可待。

4 榆社-武乡区块下一步的工作方向和研究重点

综合榆社-武乡区块以往勘查成果，煤系“三气”各成藏主控因素时空耦合较好，具备煤层气-页岩气-致密砂岩气连续性聚集成藏的潜力，且根据排采井目前取得的产气效果更能说明本区具有煤系“三气”的开发潜力，尤其适合开展深部煤层气的相关研究工作。目前，虽然已经对煤系“三气”共探共采进行了初步研究，且取得了不错效果，但并未开展各个气藏对产气的贡献多少，与其他勘查开发手段的优劣对比等煤系“三气”共生特性、共探方法与共采有效性地质评价方面的系统性研究工作。

在下一步工作中需针对深部煤层气，开展储层改造与高效开发以及煤系“三气”共探共采有效性地质评价方面的研究工作，在该研究区建设一个深部煤层气勘探开发示范工程，在区块内选择30km2先行开展先导试验，通过地震、钻探、测试、压裂排采及地面集输系统，达到采气效果，建立煤系成藏模式及储层评价体系，有效推进山西深部煤层气、煤系“三气”勘探开发，为我省煤层气产业进一步发展提供依据，为“气化山西”提供资源保障。

5 结语

通过总结以往煤系非常规天然气方面的工作经验，尤其是榆社-武乡区块的工作经历，探讨了煤系非常规天然气的勘查方法，对新区进行勘查时需要重点关注的一些方法进行了论述。认为利用“分阶段、分梯次、滚动勘探”的油气工作理念法，“地震先行，钻探验证”的工作方法，采用二维地震、钻井及相配套的气测录井、测井、试井、采样测试等各种工作手段，通过走产学研用道路，加大资料处理和研究深度，可以很好的完成煤系非常规天然气的勘查工作。并根据现有勘查成果，认为开展深部煤层气储层改造与高效开发以及煤系“三气”共探共采有效性地质评价方面的研究工作，建立深部煤层气勘探开发示范工程是该区下一步的工作方向和研究重点。

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ProbeintoExplorationMethodofUnconventionalNaturalGasinCoalMeasures

Zhang Qinghui1, Song Ru2, Su Yufei1and Qu Xiaorong1

(1.Shanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030006;2.Shanxi Bureau of Coal Geological Exploration, Taiyuan, Shanxi 030006)

In recent years, with the break through in basic geological theory study and exploration, exploitation technologies, the unconventional natural gas exploration and exploitation in the interactive marine and terrestrial coal measures have been paid more and more attention to. But the study on coal measures unconventional natural gas is still concentrated in theoretical study, how to carry out its exploration and exploitation have not a set of complete, referenced standard and method. Taking the Shanxi Bureau of Coal Geological Exploration implemented Yushe-Wuxiang block CBM and shale gas reconnaissance project in the Qinshui coalfield as the basis, introduced some exploration experiences and methods used by the bureau, expected to provide some references and helpful for colleagues. The first is using oil and gas exploration ideas of “rolling exploration”, “seismic prospecting first, then identified by drilling” and to use some oil and gas exploration means of gas logging, DST well test, shale gas test, 2D three component seismic prospecting and microseismic fissure monitoring etc. The second is through industry-university-research institution interactive and joint action mechanism to carry out integrated study, obtained a batch of scientific research achievements including coal measures unconventional natural gas seismic reservoir inversion, favorable target area prediction, well logging fine interpretation study, resource potential integrated assessment, large diameter 300m deep well continuous wire line coring etc. Thus have gradually formed a set of systematic unconventional coal measures natural gas exploration methods contributed to the development of the industry. Combining with existed working results put forward further working orientation in the area.

coal measures unconventional natural gas; Shanxi Bureau of Coal Geological Exploration; Yushe-Wuxiang block; exploration method

2014年度山西省煤基重点科技攻关项目-煤层气、页岩气资源潜力综合评价及共探共采选区研究，项目编号：MQ2014-02；2014年度山西省地质勘查资金项目-山西省沁水煤田榆社-武乡区块煤层气页岩气普查，项目编号：煤层气2014-1。

张庆辉(1961—)，男，高级工程师，主要从事煤层气、煤炭、页岩气相关地质及工作。

2017-08-06

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.06

1674-1803(2017)09-0031-06

A

责任编辑：宋博辇