《煤田地质与勘探》虚拟专题︱深部煤层气最新研究进展

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《煤田地质与勘探》虚拟专题︱深部煤层气最新研究进展

来源：煤田地质与勘探

在能源结构转型和环境保护的大趋势下，深部煤层气的勘探与开发日益成为全球能源领域的热点话题。《煤田地质与勘探》特此聚焦深部煤层气富集成藏机理及勘探开发的最新研究成果与实践进展，精选分享近期刊发的多篇论文，以供行业内的专家学者参考借鉴。

行业视野: 煤层气
类别; 91个
关键词; 140位
专家; 23篇
论文; 3791IP
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鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策

作者(Author)：徐凤银, 闫霞, 李曙光, 熊先钺, 王予新, 张雷, 刘川庆, 韩金良, 冯延青, 甄怀宾, 杨贇, 王成旺, 李宇新

摘要：我国深部(层)(以下均指埋深大于2 000 m)煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大。2019年以来,鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)大宁–吉县区块逐步进入深部(层)煤层气“规模勘探+先导试验”阶段,直井日产气量突破2×104 m3,水平井日产气量突破10×104 m3,这一标志性成果既突破传统意义上煤层气勘探开发领域的深度禁区,使得煤层气总资源量有望在30.05×1012 m3基础上大幅度增加,又将成为“十四五”乃至长远煤层气产业实现规模发展的重点勘探开发方向。面对以地面传统钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输和数智化等为主体技术及开发方式的迫切需求,鄂东缘深部(层)煤层气面临许多基础理论和技术难点,包括:成藏机理和赋存规律,有利区优选方法;高产主控因素及控制机理,解吸–渗流机理与开发规律,“地质–工程一体化”开发甜点分类评价标准,关键开发指标确定方法和依据;低成本优快高效钻完井技术,水平井水泥环高效密封控制技术;煤岩缝网形成机理,低成本、高效、环保压裂入井材料,改造后缝网孔渗特征、流动规律;高盐、高水气比、出砂等工况下排采及举升控制技术;高效节能集输、规模开发所需复杂集输管网稳定运行理论与实践体系;数智气田建设和人工智能应用研究。在系统梳理上述难点基础上,针对性地提出勘探地质、开发地质、钻完井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输与数智化等理论与技术的研究方向和具体对策,这一成果不仅对加快鄂东缘深部(层)煤层气规模上产具有重要的指导意义,而且对国内外深部(层)煤层气规模开发具有很强的引领和示范作用,也可有力推动煤层气产业高质量发展、支撑实现国家碳达峰碳中和目标与保障清洁能源安全。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

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鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气开发先导试验效果与启示

作者(Author)：聂志宏, 徐凤银, 时小松, 熊先钺, 宋伟, 张雷, 刘莹, 孙伟, 冯延青, 刘世瑞, 闫霞, 孙潇逸, 吴满生

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县区块深部煤层气勘探开发取得突破对煤层气产业带来重大影响，引起业内广泛关注和跟进。前期一些学者对深部煤层气勘探开发理论技术难点与对策开展了研究，但缺乏对典型气田开发先导试验系统总结。通过深入剖析深部煤层气地质特征与效益开发难点，总结大宁−吉县区块开发先导试验项目取得的进展和成效，明确开发规律并提出效益开发对策。结果表明：(1) 深部煤层具有广覆式发育、含气性好、游离气含量高、保存条件好、煤体结构好、脆性指数高、顶底板封盖性强等地质特征，但微构造发育、渗透性极差、矿化度高等因素制约了深部煤层气效益开发；(2) 不同地质条件下气井生产特征差异较大，通过先导试验落实气井产能和适应性开发技术对策，采用滚动开发模式可有效降低煤层强非均质性带来的开发风险；(3) 开展地质−工程一体化井网优化设计，构建井网与缝网高度弥合的人造气藏，可实现资源动用和采收率最大化；(4) “长水平段+多段多簇+大砂量”的大规模、大排量极限体积压裂技术可增大有效改造体积和井控储量，大幅提高单井产量；(5) 深部煤层气井具有“见气时间短、上产速度快、初期产量高、递减快”的生产特征，可实现短期快速规模上产，但气田长期稳产需持续新井投入；(6) 前期开发成本偏高，实现效益开发需不断提高工程作业效率、降低开发成本。综合认为，深部煤层气资源品质好，可动用性强，具备快速推广复制条件，大宁−吉县区块深部煤层气开发实践可为国内其他区块深部煤层气规模动用提供技术借鉴，对加快深部煤层气规模勘探开发具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

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深、浅部煤层气地质条件差异性及其形成机制

作者(Author)：许浩, 汤达祯, 陶树, 李松, 唐淑玲, 陈世达, 宗鹏, 董煜

摘要：深部煤层气资源丰富、开发前景广阔，但对其与浅部煤层气地质条件的内在联系研究尚不够深入。从煤层形成演化角度出发，以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例，总结了煤层深埋深藏型、深埋浅藏型及浅埋浅藏型3种埋深演化模式。系统分析了深部和浅部煤层在温压条件与含气性、地应力与渗透率特征、变质程度与含水性等方面的差异性及其形成机制。研究指出，受埋深与演化过程影响，深部和浅部煤储层温度最多相差100℃以上，储层压力最大相差40 MPa左右，导致由浅部向深部，气体赋存状态以吸附气为主转变为吸附气与游离气共存，地应力场由水平应力主导转化为垂向应力主导，煤储层孔隙率、渗透率及含水性逐渐降低。明确了深部煤层气的典型特点，即：在高温高压条件下，以吸附态和游离态共存于一定深度以下煤储层中的甲烷气体，该类煤储层在垂向应力为主导的作用下，孔裂隙空间极度压缩，含水极少且矿化度极高，内生微裂隙为主要渗流通道。基于含气性临界深度和地应力场转换深度的不一致性，指出浅部向深部煤层演化过程中存在过渡区，该区内呈现出非典型深部煤层气的特点，或深部煤层气和浅部煤层气地质条件共存的情况，在勘探开发过程中，应具体分析，制定针对性开发方案，以实现浅部与深部煤层气的高效协同开发。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

134

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深部煤层气水赋存机制、环境及动态演化

作者(Author)：李勇, 徐立富, 刘宇, 王子炜, 高爽, 任慈

摘要：准确认识深部条件下气体和水分的赋存状态、相对含量及分布特征，对煤层气高效勘探开发具有重要指导意义。基于理论模型、分子模拟和气水演变分析，明确了煤层中气、水的赋存状态，揭示了气、水动态运聚界限和动态演化过程。考虑煤−水界面作用、水的可动性及赋存状态，煤中水可分为可动水(重力水和毛细水)、束缚水(吸附水、沸石水、结晶水和层间水)、结构水，其中毛细水、重力水和吸附水由孔隙主导，沸石水、结构水、结晶水和层间水由矿物主导。分子模拟结果显示，水分子在0.7 nm孔隙中可以饱和充填，吸附和解吸路径一致，在更大孔隙中出现弱吸附层和自由态。水分子吸附过程表现为单分子含氧基团吸附、单层强吸附、多层弱吸附、水团簇形成和充填孔隙等阶段。甲烷分子在1.5 nm孔隙可存在3层稳定充填吸附，在较大孔隙中(>1.5 nm)即以单层吸附和游离态共存，游离态在介孔及更大孔隙中普遍存在。结合上述吸附−游离气存在界限，改进了游离气和吸附气理论计算公式，为含气量计算提供新思路。深部热成因煤层气是煤大规模生排烃之后的残余气，在排烃过程中发生气驱水和水分蒸发扩散，残余水分为束缚水和结构水，后期无法改变。假定静水压力20 MPa，在0、5、10、15和20 MPa储层压力下，外来水分可入侵最大孔径为7、9、13、27 nm和不侵入。受差异保存条件控制，煤成气除了形成超压和欠压等差异含气系统外，还可能在煤系形成多类型含气模式。上述研究明确了煤层气、水微观赋存机制及形成演化模式，对深部煤层气富集特征及高效开发设计具有指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

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煤储层含气性深度效应与成藏过程耦合关系

作者(Author)：陈世达, 侯伟, 汤达祯, 李翔, 许浩, 陶树, 李松, 唐淑玲

摘要：埋深是影响煤层气富集程度的综合要素，理解含气性深度效应是认识深浅部煤层气赋存状态与聚集机制的重要基础。基于煤层气勘探现状，在剖析鄂尔多斯盆地东缘煤层气探井资料的基础上，综合常规−非常规油气成藏地质学理论，探讨了煤层含气量、饱和吸附量、含气饱和度深度效应及其与成藏过程的耦合关系。煤层气成藏是构造沉降阶段生烃供气和回返抬升阶段相态转化、逸散的耦合结果，体现为自封闭成藏和浮力成藏的深度耦合，含气性变化存在饱和吸附量转折和游离气滞留两个关键深度界限，且二者不具备绝对同步性：(1) 饱和吸附气量是煤在特定温压条件下的固有属性，不受保存条件的严格限制，其随深度的演化过程是控制相态转换的基础，压力梯度和变质程度补偿效应会引起现今区域饱和吸附量转折深度(带)的明显滞后。(2) 游离气的运聚成藏与改造定型受控于地层回返抬升阶段的遮盖条件，涉及埋深−构造−水动力场三元耦合效应及浮力、储盖层毛管力的综合影响，抬升幅度小且改造强度弱时方可具备游离气滞留保存条件，滞留深度以浅地层封闭性降低，游离气普遍散失。鄂尔多斯盆地东缘柳林−延川南一带煤层总含气量随埋深增大近乎线性增高，深部收敛趋势不明显，不同变质程度煤理论饱和吸附量转折深度为1 600~2 200 m，但煤阶的区域分异致使原位饱和吸附量随埋深持续增大；大宁−吉县区块游离气滞留临界深度约2 000 m，2 500 m处含气饱和度平均约120%，3 000 m处含气饱和度预计可达136%。不同地区煤层气成藏背景和地质条件存在差异，含气性深度效应需具体分析，分析重点应聚焦于甲烷相态转换、地层封闭条件的时空演化对现今气、水分布的综合影响，以实现深部煤层气的分区分带评价和高效开发设计。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

119

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鄂尔多斯盆地东缘临兴−神府区块深部煤层气富集规律与勘探对策

作者(Author)：徐长贵, 季洪泉, 王存武, 朱学申

摘要：目的鄂尔多斯盆东缘以大宁−吉县区块为代表的高煤阶深部煤层气富集成藏规律已取得一定认识，但位于东缘北段的临兴−神府区块中煤阶深部煤层气勘探刚刚起步，富集成藏规律认识还不够准确清晰，需要总结其富集成藏规律有效指导深部煤层气开放。方法以临兴−神府区块太原组8+9号煤为研究对象，依据煤的烃源岩−储集层双重属性，开展了源储、生烃、赋存和富集控制因素及其耦合关系研究。结果和结论结果表明：(1)研究区具有东西分带性，分为东部断阶带和西部平缓带，主体埋深超过1 500 m。太原组8+9号煤层厚度大，微孔和宏孔发育，热演化程度中等、含气量整体较高，深部煤层气成藏条件优越，具备较大的资源勘探潜力。(2)研究区泥坪与分流间湾沉积微相煤层厚度大、镜质组含量高、煤层结构简单，随着热演化程度的增高，煤层含气量变大、气体中甲烷含量的占比显著增加，8+9号煤层温−压条件耦合控制的临界吸附带在1 750 m左右，泥岩良好的封盖性、稳定的构造环境和封闭的水动力条件是煤层气富集的重要保障。(3)针对研究区地质条件的差异性，平缓带的煤层气富集区应加快勘探节奏，围绕探明储量区扩大勘探，同时加强该区深部煤层可压性研究，推动规模建产；断阶带的煤层气富集区应开展试采评价，加强离石走滑断裂带的压扭、张扭过渡区研究，以期获得储量发现。研究成果系统总结了临兴−神府区块中煤阶深部煤层气富集成藏规律，指导了富集区的优选，对推动该区效益勘探与规模开发具有积极意义。

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煤田地质与勘探

2024年第08期

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鄂尔多斯盆地府谷地区深部煤层气富集成藏规律及有利区评价

作者(Author)：郭广山, 徐凤银, 刘丽芳, 蔡益栋, 秦玮, 陈朝晖, 邓纪梅, 李卓伦

摘要：鄂尔多斯盆地东缘神府区块是典型深部煤层气田，资源丰富且勘探开发潜力巨大。2023年10月，神府深部煤层大气田成功申报探明地质储量超1100亿m3。府谷地区位于神府区块中部，是最早深部煤层气生产试验区，但目前对其煤层气的富集成藏规律和勘探开发潜力的认识尚不清楚。综合应用地震、测井、钻井和煤岩测试等资料以查明该地区深部煤层气地质特征、富集成藏规律和有利区分布。结果表明：主力煤层4+5、8+9号煤发育稳定且厚度较大(4+5号煤：3.2~5.8 m；8+9号煤：8.7~13.5 m)，有利层段主要分布在煤层中上部位置；宏观煤岩类型主要为光亮−半亮煤，煤体结构主要为原生−碎裂结构煤；受深成变质作用的影响，煤类以气煤、肥煤和焦煤为主，煤的变质程度处于热解生气的高峰期，煤储层表现出中−高含气量(4+5号煤：3.0~12.0 m3/t；8+9号煤：7.5~18.5 m3/t)和中−高含气饱和度(35.0%~115.0%)等特征；主力煤层属于低渗储层((0.01~0.09)×10−3 μm2)，孔隙结构主要以微孔和小孔为主。提出府谷地区煤层气为“挠褶−断层−水动力”富集成藏模式，煤层气富集区位于构造平缓区和斜坡带。建立深部煤层气地质−工程双甜点评价体系，识别出I类地质−工程甜点区位于东部和西南部，是研究区深部煤层气勘探开发首选区带。因此，该研究认识进一步丰富了深部煤层气富集成藏理论，对鄂东缘深部煤层气勘探开发实践具有重要指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

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大宁–吉县区块深层煤层气成藏特征及有利区评价

作者(Author)：李曙光, 王成旺, 王红娜, 王玉斌, 徐凤银, 郭智栋, 刘新伟

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块下二叠统太原组埋深大于2 000 m的8号煤是国内首个千亿方级别的深层煤层气田，但是深层煤层气成藏特征尚不明确。综合应用地质、测试、生产资料，开展深层煤层气成藏特征及有利区评价2方面研究。结果表明：研究区深层煤储层全区发育、厚度大、热演化程度高、两期成藏及古热流体侵入，使其具备大量生烃的条件；深层煤储层裂隙、微孔广泛发育，储层具备吸附气和游离气共同赋存的条件；顶底板以灰岩及泥岩为主，封盖能力强，具备游离气保存条件；深层煤层气具有“广覆式生烃、高含气、高饱和、高压束缚游离气与吸附气共存”的赋存特征。建立了深层煤层气“地质–工程”双甜点识别指标体系12项，划分了3类工程–地质甜点区，其中，地质–工程Ⅰ类甜点区位于研究区的西北部，地质–工程Ⅱ类甜点区位于研究的中部，地质Ⅱ类–工程Ⅰ类甜点区位于研究东北部和南部；在地质–工程Ⅰ类甜点区内实施的JS-01井自喷生产，最高日产气9.4～9.7万m~3，展现了良好的上产潜力。研究成果有效指导了深层煤层气先导试验区的优选及国内首个千亿方级别的深层煤层气田探明。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

252

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