富集区不等于高产区，寻找高丰度煤层气富集区和提高开采效率才是关键

　　煤层气是一种以吸附状态为主的非常规洁净能源，开发利用煤层气，对缓解常规油气供应紧张状况、改善煤矿安全生产条件、保护大气环境、实现国民经济可持续发展具有十分重要意义；我国煤层气地质条件多样性复杂，煤层气勘探开发面临着如何寻找高丰度煤层气富集区和如何提高煤层气开采效率的关键问题。

　　▲ 沁水盆地南部地区煤层气资源富集区与产能关系图

　　国内外对煤层气资源富集区进行了区划，但从煤层气开发的角度来看，资源富集区并不等于高产区，而资源富集区内的高产区才是煤层气勘探开发的重点目标去，因此需要有效预测煤层气富集高产区的分布

　　从2002年开始，国家科技部针对煤层气勘探开发基础理论问题，开始设立煤层气勘探与开发基础研究。经过两期攻关，理论和开发技术取得不断创新。前期的研究主要针对于煤层气资源的富集及预测，煤层气的开采效率，揭示了我国煤层气成因、赋存、成藏和渗透率变化机制，系统建立了中国煤层气地质理论体系，丰富完善了天然气地质理论，为煤层气资源评价、富集区预测和经济开采提供了理论基础；建立了煤层气基础研究的实验平台，形成了从煤层气可采资源预测、综合地质评价、地球物理探测、开采优化设计的技术系列并服务于煤层气开发实践。尽管在煤层气成因类型、赋存的微观机理、煤层气成藏的规律、煤层气水平井数值模拟及煤层压裂裂缝展布规律研究等方面取得了重要进展，但是尚未解决煤层气勘探开发所面临煤层气富集与高产“甜点”区的勘探与开发问题，急需高丰度煤层气富集区形成机制、分布规律和高效开采的理论指导，因此，在后期则主要针对高丰度煤层气富集区开展研究，研究对象不仅是资源丰富程度，同时也强调高产因素，把开发因素同等重要的纳入到研究中。高丰度煤层气富集区是指相似地质构造单元的有效供气面积内，具有一定规模的资源丰度高、产气量高的煤层发育带。

　　后五年的研究以沁水盆地、鄂尔多斯盆地以及两淮矿区等为重点研究地区，针对高丰度煤层气富集区勘探和提高煤层气开采效率所面临的基础性问题，围绕“高丰度煤层气富集区形成机理及分布预测”、“煤层气开采过程中地质效应及机理”和“煤层气不同开发方式及压裂增产机理”三个科学问题，进行地质学、地球化学、地球物理、渗流力学等多学科联合与交叉研究，野外观测和室内实验相结合，生产动态分析与物理和数值模拟相结合，以高丰度煤层气富集区形成机理和分布规律、地球物理识别、煤层气开采过程中地质效应及机理和煤层气增产机理为重点研究内容；加强成果的应用，以我国沁水盆地樊庄试验区和鄂尔多斯盆地韩城试验区作为实验基地，把研究成果及时应用到这两个试验区进行预测与验证，理论与实践的结合，保证成果的可靠与实用。创新成果主要体现于以下三方面：

　　01 围绕“高丰度煤层气富集区形成机理及分布预测”科学问题，揭示了含气量-渗透率耦合控制的高丰度煤层气富集区形成机理及模式，建立了基于产能分析的高丰度煤层气富集区评价方法体系和多信息融合的地球物理预测技术，为高丰度煤层气富集区勘探提供了理论基础和预测技术。

　　▲ 斜坡区含气量和渗透率优势叠合带富集高产模式

　　▌（1）通过对我国沁水盆地南部、鄂尔多斯东缘和两淮地区地质条件的研究，在含气量、渗透率变化规律和控制因素分析的基础上，提出了含气量-渗透率耦合控制的高丰度煤层气富集区形成机理，即：含气量控制资源条件、渗透率控制开采条件，两者优势耦合控制了煤层气的高产。在此基础上，首次建立了高丰度煤层气富集区形成的三种模式：斜坡区含气量和渗透率优势叠合富集模式；脆韧性过渡带煤层气富集模式；富集区相对构造高部位高产模式。

　　▌（2）通过深入研究已知高丰度刻度区评价指标和气井产能的关系，采用地质分析和数学相关分析相结合，确立了权重较大的7个指标即煤层含气量、Langmuir体积、Langmuir压力、厚度、储层压力、渗透率和水文地质条件构成评价指标集。在此基础上，首次建立了基于产能分析的高丰度煤层气富集区的评价方法体系，利用该方法在我国沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘预测出 2 处高丰度煤层气富集区。

　　▌（3）通过井下原位测试与煤岩样应力下速度各向异性实验，揭示含气量与地震响应关系和进行了储层与渗透率地球物理预测方法等研究，以含气量与煤厚的资源融合、裂缝与应力场渗透性融合和资源条件与开采条件的融合为思路，首次建立了多信息融合地球物理识别方法。这一技术成功应用于沁水盆地煤层气实验区的预测，预测结果已得到验证。

　　02 围绕“煤层气开采过程中地质效应及机理”科学问题，揭示了煤储层渗透率变化规律、煤层气开发井压力传播规律和煤储层不同尺度空间结构的三级流动规律，为煤层气高效开采和开发方案优化奠定了理论和技术基础 。

　　▲ 煤储层三元结构系统及内部流体流动模式图

　　▌（1）基于生产数据分析和有效应力效应、基质收缩效应的综合作用研究，阐明了煤层气开发过程中煤储层渗透率变化的控制因素，揭示了不同排采阶段渗透率变化规律：水流阶段表现为储层渗透率呈持续下降的趋势；不稳定解吸阶段渗透率下降幅度逐渐减小或保持不变；稳定解吸阶段：煤储层渗透率出现恢复，储层渗透率逐渐得到改善，优于初始渗透率；衰减解吸阶段：渗透率基本不变。

　　▌（2）通过压力在煤储层中的传播影响因素的研究，阐明了煤层气开发过程中解吸气进入割理后形成的气水两相流动阶段以及束缚水饱和度下的单相气流动阶段压力传播特征；揭示了气水两相毛管力对煤层气井压力传播的控制作用及压力传播先快后慢的两段式规律，创建了不同开发阶段压力传播数学模型，为井间压力干扰的研究提供了理论依据和计算方法。

　　▌（3）基于流体渗流理论的扩散、渗流模型，通过对煤储层空间结构特征的剖析，提出了煤层气在排采运移路径上存在三级流动和开采过程中四个阶段的三级流动特征：水流阶段表现为宏观裂隙内一级层流和显微裂隙、大中孔隙内的二级非线性达西渗流；宏观裂隙（压裂裂缝）内的层流与紊流；过渡孔—显微裂隙内的渗流；微孔—过渡孔内的扩散；不稳定解吸阶段与稳定解吸阶段表现为过渡孔、微孔内的三级扩散、显微裂隙、大中孔隙内的二级非线性达西渗流和宏观裂隙内的一级层流；衰减解吸阶段表现为煤基质块内煤层气的三级扩散和显微裂隙、大中孔隙内的二级线性达西渗流。

　　03 围绕“煤层气不同开发方式及压裂增产机理”科学问题，揭示了煤层气多井开发井间干扰机理，建立基于井间干扰理论的井网优化设计方法和多因素耦合的煤层裂缝导流能力评价方法体系，为煤层气井高效增产及产能变化规律预测奠定了理论基础。

　　▲ 井间干扰定量化表征示意图

　　▌（1）通过研究煤层气藏开发压降传递规律以及多井生产时的压降传递及产气特征，首次提出了压力干扰和解吸区干扰概念，并依据井间干扰理论认识，将煤层气多井生产划分为三个阶段：单相水生产-解吸区形成及扩展-全区解吸，阐明了三个阶段开发井井间压力传播与煤储层解吸效应，从而揭示了煤层气多井开发“两干扰、三阶段”的井间干扰机理，并在此基础上，建立了井间干扰定量化指标和井网优化方法。

　　▌（2）针对煤岩裂缝导流能力影响因素，创新“煤粉驱替”实验方法来定量计算煤粉对裂缝导流能力的影响；在引进的大型压裂物理模拟系统基础上，也创新煤岩压裂物模方法，评价煤岩压裂多裂缝发育程度。在以上实验基础上，首次提出了在煤岩低闭合应力（5-25MPa）、低杨氏模量（2000-8000MPa）条件下，支撑剂粒径、闭合应力、支撑剂嵌入、煤粉、压裂液及多裂缝6个因素对煤岩裂缝导流能力影响的定量计算模型，建立煤岩裂缝多因素耦合导流能力评估方法。

　　▌（3）以煤层压裂裂缝多因素耦合导流能力评价系统为理论基础，针对煤层特征及导流伤害的主要因素，以提高裂缝有效支撑和高效排水降压为目标，配合低伤害压裂液体系，形成多级段塞、复合压裂、优化砂比提升、压后返排控制等以提高裂缝有效支撑和高效排水降压为核心的高效支撑压裂技术体系。

　　理论的不断创新和技术的不断进步，为我国煤层气产业做出了重大贡献。通过十年的煤层气基础研究攻关，从立项之初我国历年煤层气的累计钻井数不到300口，煤层气年产量不到1亿方，尚未进入到商业化的开发阶段，到目前我国沁水盆地南部和鄂尔多斯东缘两个千亿立方米煤层气田的探明以及沁水煤层气与西气东输管网的联网，显示出我国煤层气产业的重大突破。这些勘探开发的突破与这十年煤层气基础研究所取得的创新成果息息相关，正如邱中建院士、贾承造院士、康玉柱院士、郭尚平院士、袁亮院士、傅诚德教授等专家曾经评价过的那样：项目成果在煤层气地质理论、勘探开发技术方面取得的多项创新成果和明显的工业化应用效果，引领了我国煤层气工业的发展。

　　END

　　本文摘编自《煤层气富集高产控制因素及勘探开发基础研究》（宋岩 等著. 北京：科学出版社，2019.3）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。

　　本书为国家重点基础发展计划（973）“高效天然气藏形成分布与凝析、低效气藏经济开发的基础研究（2001CB2091）”与“中低丰度天然气藏大面积成藏机理与有效开发的基础研究（2007CB2095）”十年研究成果的凝练，分为天然气地质、地球物理和气藏开发三部分共十二章：第一章至第四章重点介绍中国两类天然气资源成藏地质理论与分布；第五章到第八章重点介绍两类天然气藏地震识别理论、技术及应用；第九章至第十二章重点介绍致密砂岩天然气藏有效开发基础理论与关键方法和技术。

　　南海天然气水合物成藏理论

　　杨胜雄 等著

　　北京：科学出版社，2019.5

　　ISBN 978-7-03-056448-1

　　本书主要反映国家重点基础研究计划（973 计划）项目“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”的重要研究成果，针对南海北部典型天然气水合物藏，分别从微观、介观及宏观角度深入揭示天然气水合物开采方法的传热和传质机理，在天然气水合物成核机制、海域天然气水合物的综合识别方法、南海水合物成藏类型和形成机制，以及南海北部天然气水合物富集规律等重大基础问题上取得一系列重要研究成果和创新性认识。这些重要的理论成果正在逐渐被南海水合物勘查工作所证实，也必将对我国海域水合物勘探开发起到重要的理论指导作用。

　　煤层气富集高产控制因素及勘探开发基础研究

　　宋岩 等著

　　北京：科学出版社，2019.3

　　ISBN 978-7-03-055211-2

　　煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的天然气。本书立足于解决煤层气富集高产区勘探和提高煤层气开采效率所面临的基础性问题，阐述煤层气富集高产区形成机理、煤层气开采过程中地质效应、不同开发方式和压裂增产机理，针对煤层气富集高产区的勘探，建立煤层气富集高产区评价方法体系和多信息融合的地球物理预测技术，针对提高煤层气开采效率，建立基于井间干扰理论的井间优化设计方法和多因素耦合的煤层裂缝导流能力评价方法体系。本书内容丰富，自成体系，涵盖煤层气富集高产区形成、地质评价方法、地球物理预测技术、煤层气开发过程中储层渗透变化规律、开发井间干扰、水力压裂裂缝导流能力评价等，是一部煤层气地质理论与勘探、开发技术结合的著作，为煤层气勘探和开发提供理论指导。

　　（本文编辑：刘四旦）