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本文創(chuàng)新點(diǎn)

論文系統(tǒng)闡述了煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)在儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)、滲透率、跨尺度非均質(zhì)性、流體性質(zhì)及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)等方面的研究進(jìn)展。煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究正在從宏觀向微觀、從定性向定量、從單學(xué)科到多學(xué)科協(xié)同發(fā)展。未來需要精細(xì)研究深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴(kuò)散運(yùn)移機(jī)理，建立健全煤系非常規(guī)天然氣合采技術(shù)制度，根據(jù)納米孔隙超量吸附的聚散過程厘定不同溫壓條件下煤儲(chǔ)層微納米孔隙中氣體凝聚與游離空間變化。

作者簡介

劉大錳 教 授劉大錳( 1965—)，男，湖南桃源人，教授，博士生導(dǎo)師。1994年7月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部(現(xiàn)中國礦業(yè)大學(xué)(北京) ) 煤田、油氣地質(zhì)與勘探專業(yè)，獲博士學(xué)位。1994年7月至今在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工作，現(xiàn)任中國地質(zhì)大學(xué)(北京)副校長，兼任中國高等教育學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國地質(zhì)學(xué)會(huì)地質(zhì)教育研究分會(huì)秘書長及煤炭地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)副主任、《煤炭科學(xué)技術(shù)》《煤田地質(zhì)與勘探》《現(xiàn)代地質(zhì)》《資源與產(chǎn)業(yè)》、Energies雜志編委、Energy Reports副主編。

劉大錳教授主要從事煤層氣地質(zhì)理論與評(píng)價(jià)技術(shù)方面的研究，圍繞煤層氣富集與高效開發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問題，建立了區(qū)塊尺度煤層氣富集理論，揭示了煤層氣儲(chǔ)集與產(chǎn)出微觀作用機(jī)理，構(gòu)建了煤層氣藏精細(xì)描述技術(shù)體系，研發(fā)了煤層氣儲(chǔ)層靜態(tài)表征與動(dòng)態(tài)變化預(yù)測技術(shù)，創(chuàng)新性提出了中-高煤階煤層氣地質(zhì)與開發(fā)一體化新思路，實(shí)現(xiàn)了煤層氣勘探開發(fā)新突破。主持完成國家科技重大專項(xiàng)課題、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中石油創(chuàng)新基金等50余項(xiàng)。

劉大錳教授獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)和二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，北京市高等教育教學(xué)成果獎(jiǎng)2 項(xiàng)；培養(yǎng)博士、碩士137名，其中1 名博士的學(xué)位論文獲評(píng)“全國優(yōu)秀博士論文”；榮獲全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師(2011)等榮譽(yù)。先后在國內(nèi)外核心刊物上發(fā)表論文300余篇，其中在AAPG、International Journal of Coal Geology和Fuel等刊物發(fā)表SCI檢索論文140余篇，出版專著6部。

作 者

劉大錳，賈奇鋒，蔡益棟

單 位

中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院

我國煤層氣資源豐富，發(fā)展煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)理論與技術(shù)有助于我國煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)一步突破?；趯?duì)文獻(xiàn)調(diào)研與分析，闡述了煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)與表征技術(shù)的研究內(nèi)容及進(jìn)展，分析了前緣發(fā)展方向。研究認(rèn)為，煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究正在從宏觀向微觀、從定性向定量、從單學(xué)科到多學(xué)科協(xié)同發(fā)展，研究內(nèi)容涉及煤儲(chǔ)層成因類型、沉積環(huán)境、構(gòu)造作用、應(yīng)力特征、物性特征、幾何形態(tài)、井網(wǎng)布置方式、儲(chǔ)層改造及保護(hù)、井網(wǎng)調(diào)整及優(yōu)化等產(chǎn)業(yè)全過程；煤層氣運(yùn)聚動(dòng)力分為2類，一類是在氣體濃度差作用下的擴(kuò)散-滲流機(jī)制，另一類是壓差或勢差作用下的水動(dòng)力-浮力機(jī)制；構(gòu)造擠壓應(yīng)力主要通過骨架巖石的變形改變含水層與隔水層，并影響到流體滲流網(wǎng)絡(luò)的疏導(dǎo)能力；沉積壓實(shí)主要影響孔-裂隙空間及喉道，沉積物沉降速度過快容易形成異常高壓帶，不利于儲(chǔ)層流體流動(dòng)；流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會(huì)引起流體發(fā)生瑞利和非瑞利對(duì)流驅(qū)動(dòng)，一般淺部低溫、密度較大的流體會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而深部高溫、密度較小的流體會(huì)向上運(yùn)動(dòng)；滲透率研究經(jīng)歷了4個(gè)階段，包括表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗(yàn)推測定性分析、多種理化效應(yīng)與細(xì)化各因素作用影響機(jī)制、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值分析等多種模擬手段定量表征以及精細(xì)完善儲(chǔ)層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動(dòng)態(tài)變化。研究指出，未來需要精細(xì)研究深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴(kuò)散運(yùn)移機(jī)理，建立健全煤系非常規(guī)天然氣合采技術(shù)制度，根據(jù)納米孔隙超量吸附的聚散過程厘定不同溫壓條件下煤儲(chǔ)層微納米孔隙中氣體凝聚與游離空間變化。

研究背景

中國埋深2000ｍ 以淺煤層氣地質(zhì)資源量為30×10¹²m³，可采資源量為12.5×10¹²m³，具有現(xiàn)實(shí)可開發(fā)價(jià)值有利區(qū)的可采資源量為4×10¹²m³，其中高、中、低煤階煤層氣資源占比基本相近，主要分布在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣、滇東黔西川南和準(zhǔn)噶爾盆地南部。煤層氣儲(chǔ)層（簡稱煤儲(chǔ)層）作為源巖和存儲(chǔ)載體，包含了多尺度孔－裂隙、較大比表面積及流體傳導(dǎo)介質(zhì)等特殊性質(zhì)，影響煤層氣有效產(chǎn)出。

國內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)研究了煤儲(chǔ)層孔－裂隙系統(tǒng)的空間特征、結(jié)構(gòu)分類及其配置關(guān)系，認(rèn)為顯微裂隙是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁，孔－裂隙發(fā)育程度直接影響滲透性、應(yīng)力響應(yīng)及煤層氣可采性。煤儲(chǔ)層滲透性是表征煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)，其受地應(yīng)力影響，一般與有效應(yīng)力、應(yīng)力差存在指數(shù)關(guān)系。我國煤儲(chǔ)層普遍具有低孔、低滲、強(qiáng)非均質(zhì)等特點(diǎn)，儲(chǔ)層微觀和宏觀煤巖組成及本構(gòu)關(guān)系差異顯著，儲(chǔ)集性、可采性及開發(fā)技術(shù)選擇與其煤巖學(xué)特征密切相關(guān)。煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究取得了豐碩成果，然而缺乏系統(tǒng)的研究總結(jié)。因此，筆者基于大量文獻(xiàn)分析與研究實(shí)踐，總結(jié)了我國煤層氣儲(chǔ)層研究領(lǐng)域的主要進(jìn)展，指出前緣研究方向，以期為完善煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)理論體系提供借鑒。

內(nèi)容概要

１ 煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)概述

煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)是應(yīng)用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)理論方法結(jié)合勘探開發(fā)資料，研究和解釋煤層氣儲(chǔ)集地質(zhì)體的物質(zhì)組成、成因、演化與分布、空間展布規(guī)律，描述與表征儲(chǔ)層幾何特征與成藏機(jī)制的一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科。煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)經(jīng)歷了30余年的理論與實(shí)踐探索，在煤儲(chǔ)層表征及其非均質(zhì)性控制機(jī)制、滲透性影響因素及增滲改造技術(shù)、煤儲(chǔ)層巖石學(xué)、巖石物理學(xué)及巖石力學(xué)、煤層氣儲(chǔ)集及產(chǎn)出機(jī)理等方面取得了豐碩研究成果。

1.1 研究意義

煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究在一定程度上解釋了煤層氣賦存和產(chǎn)出機(jī)理、運(yùn)移機(jī)制及不同類型儲(chǔ)層特征差異的形成原因，為煤層氣資源合理高效開發(fā)提供了最基本的信息，使得“趨利避害” 式的開采逐步代替了“粗放”式的經(jīng)驗(yàn)開采。

1.2 儲(chǔ)層理論應(yīng)用

1.2.1 儲(chǔ)層表征

1.2.2 儲(chǔ)層滲透性

1.2.3 儲(chǔ)層有機(jī)巖石學(xué)

２ 煤儲(chǔ)層地質(zhì)研究進(jìn)展

煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究從宏觀向微觀、定性向定量、單學(xué)科到多學(xué)科協(xié)同發(fā)展，各種模擬方法和精密儀器的涌現(xiàn)使儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)的研究進(jìn)一步精細(xì)化，并不斷豐富和深化了其理論內(nèi)涵。

2.1 煤儲(chǔ)層物性特征

2.1.1 煤儲(chǔ)層孔－裂隙結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究目的差異，孔－裂隙分類存在顯著差別。高階煤孔隙自然分類方案以15、50、400nm為界，劃分為微孔、過渡孔、中孔、大孔。結(jié)合煤層甲烷擴(kuò)散與滲流特征，可將煤孔隙劃分為擴(kuò)散孔隙（＜65nm）和滲流孔隙（＞65nm），擴(kuò)散孔隙進(jìn)一步劃分為微孔（＜8nm）、過渡孔 （8~20nm）、小孔（20～65nm），滲流孔隙劃分為中孔（65～325nm）、過渡孔（325～1000nm）和大孔（＞1000nm）。

2.1.2 煤儲(chǔ)層滲透率

煤層氣開發(fā)過程中，隨著煤儲(chǔ)層水和氣的排出，流體與煤巖體相互作用，滲透率呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。滲透率受地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造史及其伴隨的流體活動(dòng)史、宏／ 微觀割理／ 裂隙的張開程度、充填情況等影響，其中地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性具有重要的控制作用，古構(gòu)造應(yīng)力與煤化作用共同控制天然裂隙的發(fā)育程度及分布情況，現(xiàn)今地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層前期形成的構(gòu)造形態(tài)起改造作用，控制著割理／ 裂隙的開度及充填情況，以此影響煤儲(chǔ)層滲透性。

2.2 儲(chǔ)層跨尺度非均質(zhì)性

煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性直接影響煤層氣的成藏與開采，系統(tǒng)地定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)于煤層氣勘探選區(qū)和有效開發(fā)具有重要意義。儲(chǔ)層非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在平面、層內(nèi)和層間等方面，并受控于構(gòu)造演化、沉積環(huán)境、巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用及其相互的耦合作用。

2.3 煤儲(chǔ)層流體地質(zhì)

2.3.1 煤儲(chǔ)層地球物理表征

對(duì)巖石物理、地震預(yù)測、測井解釋３個(gè)方面內(nèi)容的深入研究，使得地球物理方法可以在儲(chǔ)層精細(xì)表征方面發(fā)揮重要作用。利用疊前或疊后地震勘探數(shù)據(jù)中的振幅、時(shí)間、衰減程度、頻率、橫/縱波速度、泊松比等基本信息，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換得到震波測井預(yù)測的動(dòng)力學(xué)、幾何學(xué)模型，以此提供煤層氣儲(chǔ)層的相關(guān)信息。

2.3.2 流體－地質(zhì)響應(yīng)

流體活動(dòng)影響煤儲(chǔ)層中的物質(zhì)演變和能量分配，貫穿于整個(gè)成煤作用（包括沉積、變質(zhì)、巖漿與構(gòu)造活動(dòng)等） 過程，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)主要是通過流體之間以及流體和煤巖之間的理化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

2.4 儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究主要集中在多相介質(zhì)耦合特征、滲透率評(píng)價(jià)、產(chǎn)氣過程相滲演化、排采工藝技術(shù)和產(chǎn)能預(yù)測等方面。

３ 煤儲(chǔ)層地質(zhì)發(fā)展方向

3.1 儲(chǔ)層地質(zhì)與工程更加緊密融合

3.2 定性描述向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和衍生性研究蓄勢勃發(fā)

結(jié) 論

１）煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)是應(yīng)用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)理論方法結(jié)合勘探開發(fā)資料，研究和解釋煤層氣儲(chǔ)集地質(zhì)體的物質(zhì)組成、成因、演化與分布、空間展布規(guī)律，描述與表征儲(chǔ)層幾何特征與成藏機(jī)制的一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科。 其從理論上解釋了不同類型儲(chǔ)層特征差異的形成原因及煤層氣產(chǎn)出機(jī)理、運(yùn)移機(jī)制，為煤層氣資源的合理高效開發(fā)提供了基本信息。

２）煤儲(chǔ)層中氣體的主要運(yùn)聚動(dòng)力分為２類：一類是在氣體濃度差作用下的滲流－擴(kuò)散機(jī)制，另一類是壓差或勢差作用下的水動(dòng)力－浮力機(jī)制。 流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會(huì)引起流體發(fā)生瑞利和非瑞利對(duì)流驅(qū)動(dòng)，一般淺部低溫、密度較大的流體會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而深部高溫、密度較小的流體會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。

３）煤儲(chǔ)層滲透性的研究經(jīng)歷了根據(jù)表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗(yàn)推測定性分析、考慮多種理化效應(yīng)與細(xì)化各因素作用影響機(jī)制、結(jié)合數(shù)學(xué)模型與數(shù)值分析等多種模擬手段定量表征、精細(xì)完善儲(chǔ)層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動(dòng)態(tài)變化４個(gè)階段。 儲(chǔ)層滲透率非均質(zhì)性普遍表現(xiàn)為“變質(zhì)程度控制垂向滲透性，中部較底部內(nèi)生裂隙發(fā)育，滲透率分層現(xiàn)象嚴(yán)重”等特點(diǎn)。

４）隨著煤層氣行業(yè)越來越多科學(xué)問題的涌現(xiàn)，未來需要厘定不同溫、壓條件下煤儲(chǔ)層微納米孔隙中氣體凝聚與游離空間變化，分析超臨界條件下煤層氣賦存狀態(tài)及煤層中氣、液、固三相物理化學(xué)反應(yīng)與相態(tài)轉(zhuǎn)化，并深化煤儲(chǔ)層微觀賦存機(jī)制與超壓吸附理論研究。 另外，需動(dòng)態(tài)融合煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)理論與微生物厭氧發(fā)酵生物工程，以此豐富煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究。

引用格式

劉大錳，賈奇鋒，蔡益棟.中國煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)與表征技術(shù)研究進(jìn)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),2022,50（1）：196-203.
LIU Dameng, JIA Qifeng, CAI Yidong.Research progress on coalbed methane reservoir geology and characterization technology in China［J］.Coal Science and Technology，2022，50（1）：196-203.

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