从全球油气勘探发展趋势来看，深部−超深部天然气领域已经成为化石能源未来勘探开发的主战场^[1]。煤层气作为自生自储的非常规天然气，也经历了从浅部到深部勘探开发的转变^[2]。2021年以前，全国煤层气勘探主要集中在埋深1 500 m以浅的领域，发现了沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘2个超千亿立方米的煤层气田。随着2021年吉深6-7平01井在 2 000 m 以深的深部(层)煤层气获日产量10.1×10⁴ m³高产工业气流，标志着深部煤层气取得重大突破^[3]。中国海油在鄂尔多斯盆地东北缘的临兴−神府区块开展了深部煤层气勘探开发试验，2023年实施的深煤一号水平井单井最高日产气量6×10⁴ m³，在神府区块提交探明储量超过1100×10⁸ m³，发现我国首个千亿立方米深煤层大气田，当前日产气量突破100×10⁴ m³，显示出较快的上产势头。

近年来，鄂尔多盆地东缘深部煤层气成为研究热点，李曙光等^[4]指出深部煤层气具有“广覆式生烃、高含气、高饱和、高压束缚游离气与吸附气共存”的特征，利用构造、煤厚、埋深、含气量、顶底板岩性、应力差、割理和煤储层矿物质种类及含量等参数，指导了深部煤层气先导试验区的优选。徐凤银等^[3]在大宁−吉县地区提出“广覆式生烃、箱式封存、微构造调整、自生自储、毯式成藏”的富集规律，基于生烃基础、储集性能和保存条件优选了勘探有利区。熊先钺等^[5]通过系统总结大宁−吉县区块负向微构造区、构造平缓区、正向微构造区和构造抬升区深部煤层气资源、解吸、渗流、保存及可改造等五大必要条件，提出了相应的工程技术对策。众多学者一致认为^[3-8]，深部煤层气的富集条件较好，但煤储层压实作用明显，孔渗条件相对较差，地应力高，需要有效储层改造才能保障产气效果。对深部煤层气的勘探开发，首先要优选深部煤层气地质“甜点”，其次需寻找可压性好、易于改造的工程“甜点”，“双甜点”评价是保障深部煤层气勘探开发效果的根本。笔者以鄂尔多斯盆地东缘北部神府南区为研究对象，通过深部煤层气资源性与可压性的系统研究，综合分析深部煤层气资源富集的地质主控因素，结合煤层脆性、水平主应力差和煤层裂缝评价储层可压性，在此基础上建立地质−工程“双甜点”评价方法，优选深部煤层气地质−工程“双甜点”，为下一步高效勘探开发奠定基础。

1   地质背景与勘探现状

1.1   地质背景

鄂尔多斯盆地是在华北克拉通古生代海相−滨海相沉积基础上发育的中生代三叠纪−早白垩世多旋回沉积叠合型陆内坳陷盆地，可划分为6个二级构造单元，即伊盟隆起、渭北隆起、天环坳陷、伊陕斜坡、西缘冲断带、晋西挠褶带^[9-10]。研究区位于鄂尔多斯盆地东北缘，在构造位置上横跨伊陕斜坡和晋西挠褶带，整体为向西南倾的平缓单斜，地层变形较弱^[11]。晚古生代主要为三角洲和障壁海岸沉积体系，成煤环境优越，石炭−二叠系太原组和二叠系山西组是主要含煤地层，发育1~13号多套煤层，其中太原组8+9号煤层厚度大、分布稳定，是研究区深部煤层气勘探的主要目标煤层(图1)。

图  1  研究区位置与煤系柱状图

Figure  1.  Maps illustrating the location of the study area and the stratigraphic column of coal measures in the region

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   勘探开发现状

研究区2021年以前主要以致密气勘探开发为主，仅在东部埋藏相对较浅的区域开展了煤层气勘探工作。2021年后，在研究区东部部署了煤层气探井CBM-C6、CBM-C7井，并于当年对CBM-C6井山西组4+5号煤层和太原组8+9号煤层进行了压裂排采，稳定产气量为8 000 m³/d，最高达12 000 m³/d，产气效果较好。为加快煤层气勘探开发进程，对致密气低产低效井开展煤层气试采利用。2022年6月，对CBM2-23井太原组8+9号煤层(埋深超2 000 m)进行压裂试采，排采9 d后见气，稳产气量大于2 000 m³/d，时间超6个月，揭示出深部煤层气良好的勘探潜力。此后，持续加大深部煤层气勘探投入，累计完成49口煤层气井取样工作，并对45口井开展了煤层气试采试验，发现了我国首个千亿立方米深煤层大气田，拉开了神府区块深部煤层气快速勘探开发的序幕。

2   深部煤层气资源性

2.1   沉积相带适宜，煤层分布稳定

鄂尔多斯盆地所在的华北地区晚石炭世−早二叠世广泛发育海陆交互相和以陆相为主的近海盆地含煤沉积体系，主要为障壁海岸和三角洲成煤环境，太原组和山西组发育多套煤层，是我国石炭−二叠世主要的聚煤区^[12-13]。受控于区域成煤的有利环境，神府区块太原组沉积时期，北部和西南部主要为三角洲成煤环境，分流间湾及废弃的三角洲朵叶体为泥炭沼泽发育提供了有利条件，主要分布在西北部一带，8+9号煤层厚度基本在18 m以上，分布稳定；向南逐渐过渡为障壁海岸沉积体系，障壁岛后潟湖−潮坪沼泽化形成泥炭沼泽，煤层略变薄，厚度介于12~20 m；而三角洲前缘与潮坪的过渡带，由于水体的波动性强，造成泥炭沼泽的稳定性差，煤层变薄，厚度介于8~14 m，并且煤层结构变得复杂，普遍发育1~3层夹矸。整体上，研究区西部位于三角洲前缘与潮坪的过渡带，煤层厚度介于10~14 m，发育1~3层夹矸，而中东部属于潮坪中的泥坪成煤环境，8+9号煤层厚度大、分布稳定，厚度介于14~16 m(图2)。

图  2  研究区煤层厚度和含气量分布

Figure  2.  Isopach map of coal seams and their gas content in the study area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   构造简单，煤体结构完整

研究区位于鄂东缘晋西挠褶带北段，以离石断裂带与吕梁山隆起相隔，现今构造格局的形成与演化主要受区域构造演化的控制，主要经历了燕山期NW—SE向的挤压作用和喜马拉雅期NW—SE向的伸展作用^[14]。通过三维地震精细构造解释，显示研究区整体构造简单，整体为向西倾的单斜构造，地层变形弱、起伏小，倾角0~4°(图3)；断裂较少，局部发育小规模逆断层，走向以NNE、近N向为主，断距均小于10 m，平面延伸长度0.7~2.2 km。构造的破坏作用是造成煤体结构破坏的首要地质因素，现今简单的构造形态也反映了地质历史时期构造的破坏作用较弱。区内45口已钻井8+9号煤层取心显示煤体结构保持较好，以原生结构煤为主，局部发育少量的碎裂煤(图4)，有利于后期水平井的钻进及大规模体积压裂改造增产。

图  3  研究区东西向地震剖面(剖面位置如图1所示)

Figure  3.  W-E-trending seismic profile in the study area (profile location shown in Fig.1)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  研究区8+9号煤层取心照片

Figure  4.  Photos of cores from the No .8 and 9 coal seams in the study area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   孔隙发育，储集空间优越

煤储层孔隙成因类型多样、大小不一，是煤层气聚集的主要场所和扩散−渗流产出的重要通道^[15-16]。据张慧等^[17]对煤储层孔隙成因类型划分结果，将研究区8+9号煤层发育分为4种类型孔隙(图5)：原生胞腔孔，部分被黏土质矿物充填；后生气孔，有机质生烃后残余孔，主要发现于镜质体中；外生碎粒和角砾孔，煤基质被裂隙分割成碎粒或角砾之间的孔隙；矿物质铸膜孔和晶间孔，无机颗粒由于硬度差异在有机质上形成铸膜孔，高岭石等黏土矿物形成晶间孔。测试结果表明，研究区8+9号煤层孔隙率介于2.2%~7.6%，平均为4.6%；此外，利用二氧化碳、氮气吸附和高压压汞实验进行煤层全尺度孔隙结构的定量表征，小于2 nm的孔隙体积占比20.86%~34.04%，2~50 nm的孔隙体积占比0.07%~0.10%，大于50 nm的孔隙及裂隙体积占比65.22%~78.56%，宏孔及裂隙较为发育，占总体积较大，为煤层气提供了良好的储集空间。

图  5  研究区8+9号煤层不同孔隙类型扫描电镜图

Figure  5.  Scanning electron microscope images showing various types of pores in the Nos. 8 and 9 coal seams in the study area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   源储一体，煤层含气性好

烃源岩和储层是油气生成和聚集的关键条件，煤层气作为自生自储的非常规天然气藏，自身既是烃源岩又是储集层。太原组8+9号煤层有机质含量高，有机显微组分体积分数76.7%~97.9%，平均为93.4%，镜质体反射率0.7%~1.5%，平均为1.2%，具备较好的生烃能力，且局部已达到了生烃高峰。8+9号煤层Langmuir体积7.8~22.6 m³/t，平均为12.9 m³/t，具有较强的吸附能力。煤层水总矿化度介于34 662~262 252 mg/L，水型为CaCl₂型，高矿化度指示其地下水环境较为封闭，位于地下水滞流区，且煤层顶底板均以厚层泥岩为主，有利于煤层气的保存。研究区11口已钻井绳索取心测试显示8+9号煤层含气性整体较好，含气量介于12~18 m³/t(图2b)，平均为16.0 m³/t，具有形成规模资源的物质基础。此外，研究区深部煤层气投产井见气快、排水时间短，2口煤层气井投产即见气、8口煤层气井投产后10 d内见气，显示出含游离气的生产特征。

3   深部煤储层可压性

深部煤层气虽然成藏条件优越，但煤储层孔渗性差、应力高，相对于浅部来说煤储层改造难度大幅增加，因此，强化深部煤储层工程可改造性研究，对深部煤层气勘探开发选区具有重要的指导意义^[18-19]。研究表明，煤层脆性、水平主应力差、裂缝发育程度是影响煤储层改造效果的关键因素，因此，充分挖掘研究区的地震资料信息，利用地球物理预测技术刻画工程“甜点”关键参数的分布，落实研究区的工程“甜点”。

3.1   煤层脆性

煤层的脆性指数表征煤储层压裂改造的难易程度，是煤层气工程“甜点”评价的重要参数之一。目前，对于脆性指数的研究主要集中于页岩、砂岩中，常用方法是利用泊松比和弹性模量构建脆性指数。煤的岩石力学实验表明，煤与页岩岩石力学特征有所不同。通过煤的单轴抗压实验结果发现，煤的单轴抗压强度与弹性模量有着较好的正相关关系，与泊松比有一定的负相关关系(图6)。

图  6  煤的弹性模量、泊松比与抗压强度相关关系

Figure  6.  Compressive strength of coals vs. elastic modulus and Poisson's ratio

下载: 全尺寸图片 幻灯片

借鉴Rickman页岩脆性指数计算方法，基于弹性模量和泊松比分别与煤的抗压强度的相关关系权重，提出了适合本区的煤层脆性指数的计算公式：

采用自适应叠前纵横波速度和密度同步反演方法，获得弹性模量与泊松比参数，进而计算煤的脆性指数，并进行归一化处理，其分布如图7a所示。由图中可知，研究区东南部和东北部煤的脆性指数高，有利于储层压裂改造。

图  7  研究区8+9号煤层脆性指数、水平主应力差和裂缝强度地震预测分布

Figure  7.  Seismic prediction-derived distributions of the brittleness index, horizontal principal stress difference, and fracture intensity of the No.8 and 9 coal seams in the study area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   水平主应力差

煤层地应力是煤层原位条件下受力情况的综合体现，其组合特征反映了煤储层所处的应力状态，是影响深部煤储层渗透性、储层可改造性和气体产出的关键因素^[20-21]，尤其是水平主地应力差，差值越大越容易形成单一缝，越接近越容易形成复杂缝，有利于大规模体积压裂。常用的地应力测量方法包括Kaiser法、水力压裂法、构造应力系数法、井壁崩落法、地应力数值模拟和地震预测等^[22-23]。本文基于高压条件下煤岩纵横波速度测试数据，提出了基于地震−地质一体化的煤系三维建模与有限元模拟相结合的煤层应力场预测方法，一是通过精细构造解释确定构造单元(断层、背斜和向斜)及地层的几何形态和特征，二是通过叠前地震同步反演方法确定煤在不同位置力学参数的空间分布，最后利用试井获得的最小、最大水平主应力作为约束，以关键井地应力实测值与计算值的残差为目标函数，采用有限元约束优化反演方法获得最佳拟合结果，得到研究区煤层的应力场分布，提取出3个方向地应力大小，进而获得水平主应力差的分布。结果显示，研究区中西部水平主应力差相对较大，基本在6 MPa以上，压裂易形成单一裂缝，其他区域应力差相对较小，有利于煤储层大规模压裂体积改造形成复杂缝网(图7b)。

3.3   煤层裂缝

深部煤层本身孔渗条件相对较差，寻找微裂缝发育区显得尤为重要。裂缝在地震上表现出明显的各向异性，即不同方位接收到的纵波会产生振幅和速度的各向异性。通过对振幅衰减和速度的分析，可以预测各向异性的大小程度，进而推测裂缝的发育方位、密度等。利用研究区煤系参数建立正演模型，采用波动方程正演模拟技术，阐明了煤系薄互层背景夹持煤层的各向异性地震响应特征。在此基础上，利用研究区三维宽方位叠前地震数据，优选分方位、中远偏移距道集数据进行椭圆拟合计算裂缝参数，对目标层段每个采样点提取裂缝属性，预测了研究区主力煤层的裂缝发育强度，归一化处理后其平面分布特征如图7c所示，预测结果与测井评价的裂缝发育符合度达到75%以上。研究认为，本区裂缝总体上呈SN向条带分布于高煤层脆性发育区，主体位于研究区的东部，符合区域构造应力场特征。

4   地质−工程“双甜点”评价与实践

4.1   划分标准

常规的煤层气“甜点”评价主要集中体现在资源性，其评价指标主要包括“煤岩宏观组分、煤层厚度、构造特征、水文地质条件、含气量、资源丰度”等^[24-28]。这种侧重资源性的煤层气“甜点”评价在煤层气多年的勘探开发实践中出现了不同比例的低产低效井，难以取得规模性商业开发，即富集不一定高产。而深部煤储层含气性和储层物性经历了复杂的演化历程，孔渗条件更差、地应力更大，要实现高产则需要进行更为有效的储层改造^[29-32]。因此，除资源性评价外，深部煤储层工程改造评价更应是煤层气“甜点”评价中的重点。本文在煤层气资源性评价的基础上，结合前人研究成果，引入煤层脆性、水平主应力差和煤层裂缝强度等3项工程“甜点”指标，建立了地质−工程“双甜点”评价划分标准(表1)，为深部煤层气优选勘探开发区提供技术支持。

表  1  深部煤层气地质−工程“双甜点”评价划分标准

Table  1.  Criteria for the assessment and classification of geological-engineering “dual sweet spots” of deep CBM

分类	地质参数					工程参数
	构造条件	资源丰度/ (108 m3·km−2)	游离气	镜质组 体积分数/%		脆性指数 (归一化)	水平 主应力差/MPa	裂缝强度 (归一化)
Ⅰ类	断裂不发育 地层倾角<5°	>3.0	含游离气	>70		>0.8	<6	>0.6
Ⅱ类	断裂不发育 地层倾角5°~10°	1.5~3.0	弱含游离气	50~70		0.4~0.8	6~8	0.4~0.6
Ⅲ类	发育断裂 地层倾角>10°	<1.5	不含游离气	<50		<0.4	>8	<0.4

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.2   有利区分布及产能模式

综合区内煤层气钻井和地震数据处理和分析的基础上，根据表1地质−工程“双甜点”评价划分标准，落实了鄂东缘神府南区深部煤层气地质−工程“甜点”区的平面分布，如图8所示。由图中可知，Ⅰ类“甜点”区位于研究区的东部，Ⅱ类“甜点”区主要位于研究区的中西部，Ⅲ类“甜点”区位于研究区的西北部。

图  8  神府南区深部煤层气地质−工程“双甜点”分区评价结果

Figure  8.  Assessment results for geological-engineering “dual sweet spots” of deep CBM in the southern Shenfu block

下载: 全尺寸图片 幻灯片

针对区内煤层埋藏深、孔渗性差、塑性强、割理裂隙发育等特征，通过大规模体积压裂技术实现储层改造体积最大化、缝网有效支撑，形成以“高排量大规模注入+变黏滑溜水造缝携砂+高强度加砂+全尺度裂缝支撑”为核心的体积压裂技术。该工艺技术关键在于；(1) 控近扩远。采用“快提排量+高黏液造缝+粉砂多级段塞打磨”等综合措施，加强煤层近井裂缝处理，形成近井简单、远井复杂的裂缝网络。(2) 大排量施工。套管注入，大排量(18~20 m³/min)，提高净压力，造优势主缝，同时结合密切割体积压裂工艺，提高裂缝复杂程度和改造体积。(3) 变黏滑溜水。中低砂比阶段用低黏滑溜水，中高砂比阶段用中黏滑溜水，大粒径高砂比阶段用高黏滑溜水；强化低温破胶，确保低温对配液、施工和液体破胶不产生影响。(4) 组合粒径支撑剂。采用 70/140目(212/106 μm)+40/70目(425/212 μm)+30/50目(600/300 μm)石英砂组合，实现全尺度裂缝支撑(微裂缝、支裂缝、主裂缝)，提高大粒径石英砂占比，降低支撑剂嵌入伤害；提高加砂强度，进一步提高和长期保持裂缝支撑导流能力。

神府南区深部煤层气直井从2023年开始经过近1 a的试采，显示Ⅰ类“甜点”区投产井上产快，峰值产量8 000 m³/d，生产稳定在7 000~8 000 m³/d；Ⅱ类“甜点”区投产井上产速度明显低于Ⅰ类“甜点”区，峰值产量3 500 m³/d，生产稳定在3 000 m³/d且后续略有升高至4 000 m³/d；Ⅲ类“甜点”区投产井上产速度略低于Ⅱ类“甜点”区，峰值产量约3 000 m³/d，到达峰值后稳定在2 000 m³/d(图9)。

图  9  神府南区深煤层气“双甜点”分区直井典型生产曲线

Figure  9.  Typical production curves of vertical wells in various geological-engineering “dual sweet spots” of deep CBM in the southern Shenfu block

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5   结 论

(1) 神府南区整体构造简单，为向西倾的单斜构造，地层变形弱，以原生结构煤为主；太原组 8+9 号煤成煤环境以潮坪为主，煤层厚度大、分布稳定，孔−裂隙系统发育，为煤层气的赋存奠定基础；含气量较高，整体具有“游离气与吸附气共存”的特征，具备良好资源潜力。

(2) 建立了深部煤层气地质−工程“双甜点”评价划分标准，包括构造条件、资源丰度、游离气、镜质组体积分数、脆性指数、水平主应力差、裂缝强度等 7项指标，划分了3类地质−工程“甜点”区，Ⅰ类“甜点”区位于东部，Ⅱ类“甜点”区位于中西部，Ⅲ类“甜点”区位于西北部，有效指导了该区深部煤层气先导试验区的优选。

(3) 针对区内煤层埋藏深、孔渗性差、割理裂隙发育等特征，提出以“高排量大规模注入+变黏滑溜水造缝携砂+高强度加砂+全尺度裂缝支撑”为核心的体积压裂技术。压后试采评价显示Ⅰ类“甜点”区投产井上产快，峰值产量8 000 m³/d，生产稳定在7 000~8 000 m³/d。Ⅱ类“甜点”区投产井上产速度明显低于I类“甜点”区，峰值产量3 500 m³/d，生产稳定在3 000 m³/d且后续略有升高至4 000 m³/d；Ⅲ类“甜点”区投产井上产速度略低于Ⅱ类“甜点”区，峰值产量约3 000 m³/d，到达峰值后稳定在2 000 m³/d。

符号注释：

BRIT为煤岩脆性指数；E为弹性模量，GPa；E_min、E_max分别为弹性模量最小、最大值，GPa；ν为泊松比；ν_min、ν_max分别为泊松比最小、最大值；λ为岩石力学自适应因子。