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本文創(chuàng)新點

論文系統(tǒng)闡述了煤層氣儲層地質(zhì)在儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)、滲透率、跨尺度非均質(zhì)性、流體性質(zhì)及動態(tài)評價等方面的研究進展。煤層氣儲層地質(zhì)學研究正在從宏觀向微觀、從定性向定量、從單學科到多學科協(xié)同發(fā)展。未來需要精細研究深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲層納米級孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴散運移機理，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)大學北京研究生部(現(xiàn)中國礦業(yè)大學(北京) ) 煤田、油氣地質(zhì)與勘探專業(yè)，獲博士學位。1994年7月至今在中國地質(zhì)大學(北京)工作，現(xiàn)任中國地質(zhì)大學(北京)副校長，兼任中國高等教育學會常務(wù)理事、中國地質(zhì)學會地質(zhì)教育研究分會秘書長及煤炭地質(zhì)專業(yè)委員會副主任、《煤炭科學技術(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)理論與評價技術(shù)方面的研究，圍繞煤層氣富集與高效開發(fā)的關(guān)鍵科學問題，建立了區(qū)塊尺度煤層氣富集理論，揭示了煤層氣儲集與產(chǎn)出微觀作用機理，構(gòu)建了煤層氣藏精細描述技術(shù)體系，研發(fā)了煤層氣儲層靜態(tài)表征與動態(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課題、國家自然科學基金重點項目、中石油創(chuàng)新基金等50余項。

劉大錳教授獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步一等獎3項和二等獎2項，北京市高等教育教學成果獎2 項；培養(yǎng)博士、碩士137名，其中1 名博士的學位論文獲評“全國優(yōu)秀博士論文”；榮獲全國優(yōu)秀博士學位論文指導(dǎo)教師(2011)等榮譽。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(北京) 能源學院

我國煤層氣資源豐富，發(fā)展煤層氣儲層地質(zhì)學理論與技術(shù)有助于我國煤層氣勘探開發(fā)的進一步突破。基于對文獻調(diào)研與分析，闡述了煤層氣儲層地質(zhì)與表征技術(shù)的研究內(nèi)容及進展，分析了前緣發(fā)展方向。研究認為，煤層氣儲層地質(zhì)學研究正在從宏觀向微觀、從定性向定量、從單學科到多學科協(xié)同發(fā)展，研究內(nèi)容涉及煤儲層成因類型、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、儲層改造及保護、井網(wǎng)調(diào)整及優(yōu)化等產(chǎn)業(yè)全過程；煤層氣運聚動力分為2類，一類是在氣體濃度差作用下的擴散-滲流機制，另一類是壓差或勢差作用下的水動力-浮力機制；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，不利于儲層流體流動；流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會引起流體發(fā)生瑞利和非瑞利對流驅(qū)動，一般淺部低溫、密度較大的流體會向下運動，而深部高溫、密度較小的流體會向上運動；滲透率研究經(jīng)歷了4個階段，包括表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗推測定性分析、多種理化效應(yīng)與細化各因素作用影響機制、數(shù)學模型與數(shù)值分析等多種模擬手段定量表征以及精細完善儲層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動態(tài)變化。研究指出，未來需要精細研究深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲層納米級孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴散運移機理，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)實可開發(fā)價值有利區(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、滇東黔西川南和準噶爾盆地南部。煤層氣儲層（簡稱煤儲層）作為源巖和存儲載體，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)外學者系統(tǒng)研究了煤儲層孔－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。我國煤儲層普遍具有低孔、低滲、強非均質(zhì)等特點，儲層微觀和宏觀煤巖組成及本構(gòu)關(guān)系差異顯著，儲集性、可采性及開發(fā)技術(shù)選擇與其煤巖學特征密切相關(guān)。煤儲層地質(zhì)學研究取得了豐碩成果，然而缺乏系統(tǒng)的研究總結(jié)。因此，筆者基于大量文獻分析與研究實踐，總結(jié)了我國煤層氣儲層研究領(lǐng)域的主要進展，指出前緣研究方向，以期為完善煤層氣儲層地質(zhì)理論體系提供借鑒。

內(nèi)容概要

１ 煤儲層地質(zhì)學概述

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

1.1 研究意義

煤儲層地質(zhì)學研究在一定程度上解釋了煤層氣賦存和產(chǎn)出機理、運移機制及不同類型儲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)驗開采。

1.2 儲層理論應(yīng)用

1.2.1 儲層表征

1.2.2 儲層滲透性

1.2.3 儲層有機巖石學

２ 煤儲層地質(zhì)研究進展

煤儲層地質(zhì)學研究從宏觀向微觀、定性向定量、單學科到多學科協(xié)同發(fā)展，各種模擬方法和精密儀器的涌現(xiàn)使儲層地質(zhì)學的研究進一步精細化，并不斷豐富和深化了其理論內(nèi)涵。

2.1 煤儲層物性特征

2.1.1 煤儲層孔－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)合煤層甲烷擴散與滲流特征，可將煤孔隙劃分為擴散孔隙（＜65nm）和滲流孔隙（＞65nm），擴散孔隙進一步劃分為微孔（＜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 煤儲層滲透率

煤層氣開發(fā)過程中，隨著煤儲層水和氣的排出，流體與煤巖體相互作用，滲透率呈現(xiàn)動態(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)力對煤儲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)力對儲層前期形成的構(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，以此影響煤儲層滲透性。

2.2 儲層跨尺度非均質(zhì)性

煤儲層非均質(zhì)性直接影響煤層氣的成藏與開采，系統(tǒng)地定量評價儲層非均質(zhì)性對于煤層氣勘探選區(qū)和有效開發(fā)具有重要意義。儲層非均質(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、變質(zhì)作用及其相互的耦合作用。

2.3 煤儲層流體地質(zhì)

2.3.1 煤儲層地球物理表征

對巖石物理、地震預(yù)測、測井解釋３個方面內(nèi)容的深入研究，使得地球物理方法可以在儲層精細表征方面發(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)學變換得到震波測井預(yù)測的動力學、幾何學模型，以此提供煤層氣儲層的相關(guān)信息。

2.3.2 流體－地質(zhì)響應(yīng)

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

2.4 儲層動態(tài)評價

煤儲層動態(tài)評價研究主要集中在多相介質(zhì)耦合特征、滲透率評價、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 煤儲層地質(zhì)發(fā)展方向

3.1 儲層地質(zhì)與工程更加緊密融合

3.2 定性描述向定量評價轉(zhuǎn)變

3.3 實時動態(tài)和衍生性研究蓄勢勃發(fā)

結(jié) 論

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

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

３）煤儲層滲透性的研究經(jīng)歷了根據(jù)表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗推測定性分析、考慮多種理化效應(yīng)與細化各因素作用影響機制、結(jié)合數(shù)學模型與數(shù)值分析等多種模擬手段定量表征、精細完善儲層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動態(tài)變化４個階段。 儲層滲透率非均質(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)象嚴重”等特點。

４）隨著煤層氣行業(yè)越來越多科學問題的涌現(xiàn)，未來需要厘定不同溫、壓條件下煤儲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、固三相物理化學反應(yīng)與相態(tài)轉(zhuǎn)化，并深化煤儲層微觀賦存機制與超壓吸附理論研究。 另外，需動態(tài)融合煤儲層地質(zhì)學理論與微生物厭氧發(fā)酵生物工程，以此豐富煤儲層地質(zhì)學研究。

引用格式

劉大錳，賈奇鋒，蔡益棟.中國煤層氣儲層地質(zhì)與表征技術(shù)研究進展［J］.煤炭科學技術(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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