最新综述丨刘大锰教授中国煤层气储层地质与表征技术研究进展

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　　本文创新点
　　论文系统阐述了煤层气储层地质在储层孔裂隙结构、渗透率、跨尺度非均质性、流体性质及动态评价等方面的研究进展。煤层气储层地质学研究正在从宏观向微观、从定性向定量、从单学科到多学科协同发展。未来需要精细研究深部构造煤和热改造煤储层纳米级孔隙气体的赋存状态与扩散运移机理，建立健全煤系非常规天然气合采技术制度，根据纳米孔隙超量吸附的聚散过程厘定不同温压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化。
　　作者简介
　　刘大锰 教 授刘大锰( 1965—)，男，湖南桃源人，教授，博士生导师。1994年7月毕业于中国矿业大学北京研究生部(现中国矿业大学(北京) ) 煤田、油气地质与勘探专业，获博士学位。1994年7月至今在中国地质大学(北京)工作，现任中国地质大学(北京)副校长，兼任中国高等教育学会常务理事、中国地质学会地质教育研究分会秘书长及煤炭地质专业委员会副主任、《煤炭科学技术》《煤田地质与勘探》《现代地质》《资源与产业》、Energies杂志编委、Energy Reports副主编。
　　刘大锰教授主要从事煤层气地质理论与评价技术方面的研究，围绕煤层气富集与高效开发的关键科学问题，建立了区块尺度煤层气富集理论，揭示了煤层气储集与产出微观作用机理，构建了煤层气藏精细描述技术体系，研发了煤层气储层静态表征与动态变化预测技术，创新性提出了中-高煤阶煤层气地质与开发一体化新思路，实现了煤层气勘探开发新突破。主持完成国家科技重大专项课题、国家自然科学基金重点项目、中石油创新基金等50余项。
　　刘大锰教授获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项和二等奖2项，北京市高等教育教学成果奖2 项；培养博士、硕士137名，其中1 名博士的学位论文获评＂全国优秀博士论文＂；荣获全国优秀博士学位论文指导教师(2011)等荣誉。先后在国内外核心刊物上发表论文300余篇，其中在AAPG、International Journal of Coal Geology和Fuel等刊物发表SCI检索论文140余篇，出版专著6部。
　　作 者
　　刘大锰，贾奇锋，蔡益栋
　　单 位
　　中国地质大学(北京) 能源学院
　　我国煤层气资源丰富，发展煤层气储层地质学理论与技术有助于我国煤层气勘探开发的进一步突破。基于对文献调研与分析，阐述了煤层气储层地质与表征技术的研究内容及进展，分析了前缘发展方向。研究认为，煤层气储层地质学研究正在从宏观向微观、从定性向定量、从单学科到多学科协同发展，研究内容涉及煤储层成因类型、沉积环境、构造作用、应力特征、物性特征、几何形态、井网布置方式、储层改造及保护、井网调整及优化等产业全过程；煤层气运聚动力分为2类，一类是在气体浓度差作用下的扩散-渗流机制，另一类是压差或势差作用下的水动力-浮力机制；构造挤压应力主要通过骨架岩石的变形改变含水层与隔水层，并影响到流体渗流网络的疏导能力；沉积压实主要影响孔-裂隙空间及喉道，沉积物沉降速度过快容易形成异常高压带，不利于储层流体流动；流体在三维空间中所处的温度不同，温差效应常会引起流体发生瑞利和非瑞利对流驱动，一般浅部低温、密度较大的流体会向下运动，而深部高温、密度较小的流体会向上运动；渗透率研究经历了4个阶段，包括表观现象与经验推测定性分析、多种理化效应与细化各因素作用影响机制、数学模型与数值分析等多种模拟手段定量表征以及精细完善储层微米尺度传输介质渗透率动态变化。研究指出，未来需要精细研究深部构造煤和热改造煤储层纳米级孔隙气体的赋存状态与扩散运移机理，建立健全煤系非常规天然气合采技术制度，根据纳米孔隙超量吸附的聚散过程厘定不同温压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化。
　　研究背景
　　中国埋深2000ｍ 以浅煤层气地质资源量为30 1012m3，可采资源量为12.5 1012m3，具有现实可开发价值有利区的可采资源量为4 1012m3，其中高、中、低煤阶煤层气资源占比基本相近，主要分布在沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘、滇东黔西川南和准噶尔盆地南部。煤层气储层（简称煤储层）作为源岩和存储载体，包含了多尺度孔－裂隙、较大比表面积及流体传导介质等特殊性质，影响煤层气有效产出。
　　国内外学者系统研究了煤储层孔－裂隙系统的空间特征、结构分类及其配置关系，认为显微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，孔－裂隙发育程度直接影响渗透性、应力响应及煤层气可采性。煤储层渗透性是表征煤层气产能的关键参数，其受地应力影响，一般与有效应力、应力差存在指数关系。我国煤储层普遍具有低孔、低渗、强非均质等特点，储层微观和宏观煤岩组成及本构关系差异显著，储集性、可采性及开发技术选择与其煤岩学特征密切相关。煤储层地质学研究取得了丰硕成果，然而缺乏系统的研究总结。因此，笔者基于大量文献分析与研究实践，总结了我国煤层气储层研究领域的主要进展，指出前缘研究方向，以期为完善煤层气储层地质理论体系提供借鉴。
　　内容概要
　　１ 煤储层地质学概述
　　煤储层地质学是应用地质、地球物理和地球化学理论方法结合勘探开发资料，研究和解释煤层气储集地质体的物质组成、成因、演化与分布、空间展布规律，描述与表征储层几何特征与成藏机制的一门应用地质学科。煤储层地质学经历了30余年的理论与实践探索，在煤储层表征及其非均质性控制机制、渗透性影响因素及增渗改造技术、煤储层岩石学、岩石物理学及岩石力学、煤层气储集及产出机理等方面取得了丰硕研究成果。
　　1.1 研究意义
　　煤储层地质学研究在一定程度上解释了煤层气赋存和产出机理、运移机制及不同类型储层特征差异的形成原因，为煤层气资源合理高效开发提供了最基本的信息，使得＂趋利避害＂ 式的开采逐步代替了＂粗放＂式的经验开采。
　　1.2 储层理论应用
　　1.2.1 储层表征
　　1.2.2 储层渗透性
　　1.2.3 储层有机岩石学
　　２ 煤储层地质研究进展
　　煤储层地质学研究从宏观向微观、定性向定量、单学科到多学科协同发展，各种模拟方法和精密仪器的涌现使储层地质学的研究进一步精细化，并不断丰富和深化了其理论内涵。
　　2.1 煤储层物性特征
　　2.1.1 煤储层孔－裂隙结构
　　根据研究目的差异，孔－裂隙分类存在显著差别。高阶煤孔隙自然分类方案以15、50、400nm为界，划分为微孔、过渡孔、中孔、大孔。结合煤层甲烷扩散与渗流特征，可将煤孔隙划分为扩散孔隙（ 65nm）和渗流孔隙（ 65nm），扩散孔隙进一步划分为微孔（ 8nm）、过渡孔 （8~20nm）、小孔（20 65nm），渗流孔隙划分为中孔（65 325nm）、过渡孔（325 1000nm）和大孔（ 1000nm）。
　　2.1.2 煤储层渗透率
　　煤层气开发过程中，随着煤储层水和气的排出，流体与煤岩体相互作用，渗透率呈现动态变化。渗透率受地应力、煤体结构、构造史及其伴随的流体活动史、宏／ 微观割理／ 裂隙的张开程度、充填情况等影响，其中地应力对煤储层渗透性具有重要的控制作用，古构造应力与煤化作用共同控制天然裂隙的发育程度及分布情况，现今地应力对储层前期形成的构造形态起改造作用，控制着割理／ 裂隙的开度及充填情况，以此影响煤储层渗透性。
　　2.2 储层跨尺度非均质性
　　煤储层非均质性直接影响煤层气的成藏与开采，系统地定量评价储层非均质性对于煤层气勘探选区和有效开发具有重要意义。储层非均质性主要体现在平面、层内和层间等方面，并受控于构造演化、沉积环境、岩浆活动、变质作用及其相互的耦合作用。
　　2.3 煤储层流体地质
　　2.3.1 煤储层地球物理表征
　　对岩石物理、地震预测、测井解释３个方面内容的深入研究，使得地球物理方法可以在储层精细表征方面发挥重要作用。利用叠前或叠后地震勘探数据中的振幅、时间、衰减程度、频率、横/纵波速度、泊松比等基本信息，经过数学变换得到震波测井预测的动力学、几何学模型，以此提供煤层气储层的相关信息。
　　2.3.2 流体－地质响应
　　流体活动影响煤储层中的物质演变和能量分配，贯穿于整个成煤作用（包括沉积、变质、岩浆与构造活动等） 过程，其对整个系统的贡献主要是通过流体之间以及流体和煤岩之间的理化反应来实现。
　　2.4 储层动态评价
　　煤储层动态评价研究主要集中在多相介质耦合特征、渗透率评价、产气过程相渗演化、排采工艺技术和产能预测等方面。
　　３ 煤储层地质发展方向
　　3.1 储层地质与工程更加紧密融合
　　3.2 定性描述向定量评价转变
　　3.3 实时动态和衍生性研究蓄势勃发
　　结 论１）煤储层地质学是应用地质、地球物理和地球化学理论方法结合勘探开发资料，研究和解释煤层气储集地质体的物质组成、成因、演化与分布、空间展布规律，描述与表征储层几何特征与成藏机制的一门应用地质学科。 其从理论上解释了不同类型储层特征差异的形成原因及煤层气产出机理、运移机制，为煤层气资源的合理高效开发提供了基本信息。
　　２）煤储层中气体的主要运聚动力分为２类：一类是在气体浓度差作用下的渗流－扩散机制，另一类是压差或势差作用下的水动力－浮力机制。 流体在三维空间中所处的温度不同，温差效应常会引起流体发生瑞利和非瑞利对流驱动，一般浅部低温、密度较大的流体会向下运动，而深部高温、密度较小的流体会向上运动。
　　３）煤储层渗透性的研究经历了根据表观现象与经验推测定性分析、考虑多种理化效应与细化各因素作用影响机制、结合数学模型与数值分析等多种模拟手段定量表征、精细完善储层微米尺度传输介质渗透率动态变化４个阶段。 储层渗透率非均质性普遍表现为＂变质程度控制垂向渗透性，中部较底部内生裂隙发育，渗透率分层现象严重＂等特点。
　　４）随着煤层气行业越来越多科学问题的涌现，未来需要厘定不同温、压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化，分析超临界条件下煤层气赋存状态及煤层中气、液、固三相物理化学反应与相态转化，并深化煤储层微观赋存机制与超压吸附理论研究。 另外，需动态融合煤储层地质学理论与微生物厌氧发酵生物工程，以此丰富煤储层地质学研究。
　　引用格式
　　刘大锰，贾奇锋，蔡益栋.中国煤层气储层地质与表征技术研究进展［J］.煤炭科学技术,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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