第一節　研究意義

我國煤層氣資源豐富，2006年油氣資源評價結果表明，全國埋深2000m以淺煤層氣資源量為36.81萬億立方米，與我國天然氣資源量相當［6］。因此，開發利用我國豐富的煤層氣資源，在優化能源結構上可有效地增加高效潔凈能源供給；在環境保護上直接減少了煤礦甲烷排放量，可有效緩解溫室效應；在礦井瓦斯災害防治上可改善煤礦安全生產條件［7］。

目前大家比較一致的觀點是：煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤儲層中［8］，其產出機理與常規天然氣差別很大。美國經歷了“煤層氣資源調查—成藏條件探索—理論研究深化”等幾個階段，形成了“排水-降壓-氣體解吸-基質擴散-裂隙滲流”的煤層氣開采理論。在美國圣胡安盆地（San Juan Basin）、黑勇士盆地（Black Warrior Basin）、粉河盆地（Powder River Basin）等諸多盆地得到了成功應用，形成了低階煤高滲區空氣鉆井裸眼洞穴開發技術、中煤階中滲區射孔壓裂大面積降壓長期排采技術和中-高煤階中低滲區多分支水平井技術。美國煤層氣年產氣量取得快速發展。1988年突破10億立方米，2005年達到525億立方米，之后一直維持在500億～600億立方米之間。2013年受頁巖氣產量和煤層氣市場價格的影響，煤層氣開發投入力度有所減緩，煤層氣年產氣量首次降至500億立方米以下。

直到美國形成了新興煤層氣產業后，我國才逐漸完成了其從“災害氣體”到“優質能源”的認識轉變并積極投入到煤層氣勘探開發的重要實踐中。1989年原能源部召開“第一次全國煤層氣研討會”，拉開我國煤層氣勘探開發的序幕。我國的煤層氣工作者根據我國煤田地質的特點和煤儲層的特殊性，借鑒、消化和吸收了美國煤層氣基礎地質理論和開發工藝技術，并進行了一定的改進。2004年前后，中聯煤層氣有限責任公司、山西藍焰煤層氣集團有限責任公司、華北油田煤層氣分公司、中石油煤層氣有限責任公司等先后在沁水盆地南部無煙煤區進行了先導性開發試驗并取得了成功，拓展了煤層氣基礎地質理論。美國的“低-中階煤選區評價理論”、“高煤階開發缺陷理論”和“產能模式”在中國受到了嚴峻挑戰，我國的科技工作者在無煙煤區煤層氣賦存和產出規律認識的指導下發現了沁南大型煤層氣田，獲得國家批準的煤層氣探明儲量為702億立方米。煤層氣直井產氣量取得突破，單井日產氣量從幾百立方米到幾千立方米，個別單井日產量達到1萬立方米以上，預示著我國煤層氣開發具有廣闊的前景。

沁東南地區先導性試驗獲得成功后，帶動了周邊及其他地區煤層氣的勘探開發。該區煤層氣開發逐漸向煤層埋藏較深的地域擴展。與此同時，壽陽、屯留、韓城、吳堡、柳林、三交、三交北、峰峰、安陽、焦作、六盤水等地也紛紛展開了較大規模的煤層氣的勘探開發，煤層氣開發熱火朝天地展開。隨著煤層氣開發的快速推進，開發深度的加大，開發層位的變化，采取了多種煤層氣開發工藝技術，但煤層氣直井日產氣量并未如人所愿的那樣取得穩定、高產，主要表現如下。

①認為相似煤層氣儲層地質條件的地區，煤層氣直井日產氣量差異較大。

例如：焦作礦區二1煤層厚度一般在6m左右。其中，恩村區塊適宜煤層氣開發的二1煤層埋藏深度在500～800m之間的煤層，含氣量一般為18～25m3/t，蘭氏體積和蘭氏壓力等方面與山西晉城礦區3#煤層的這些煤儲層參數十分相似。但在焦作地區進行的30多口井的先導性試驗，除個別井出現短期產氣較高值外，大部分井幾乎不產氣，產氣效果與晉城礦區相比差別較大。

②同一區塊煤層氣井的產氣表現大相徑庭。

例如：沁水盆地東南部的樊莊區塊整體產氣量較好，但各單井的產氣量差異明顯，從幾百立方米到幾千立方米不等。同一區塊不同井產氣高峰差異明顯，規律性不明顯；不同區塊幾乎相同煤層埋深情況下產氣量差異明顯；不同區塊不同埋深產氣量差異明顯；有的井產水量大，產氣量也大；有的井產水量大，產氣量卻小；有的井產水量小。產氣量也小；有的井產水量小，產氣量卻很大。

由于不能較合理地解釋目前煤層氣井的產氣現象，導致煤層氣的開發存在一定的盲目性。查明煤層氣井產氣量的差異性，急需解決以下幾個方面的重要問題。

①查明小范圍內煤層氣產出的孔裂隙結構特征及能量的差異性是闡明煤層氣井產氣量差異的基礎。

目前，煤層氣井主要開采的是煤儲層中的甲烷氣體，煤層氣儲層地質屬性的研究是煤層氣產出研究的基礎。為了查明煤層氣產出的地質屬性對煤層氣井產氣量的控制作用，我國煤層氣工作者從煤層氣的生成、地質構造特征、圈閉形成條件、大型構造形態及成因、水文地質特征等角度對煤層氣富集類型進行了劃分，以期指導煤層氣勘探開發。中國多期構造疊加、構造熱事件的影響造成煤層氣生成環境、儲集空間的特殊性，即使同一地區，受到同期次構造作用影響，構造應力的大小、影響范圍及作用對象的差異性，導致同一地區儲層特征的差異性，昭示著我國煤層氣開發的地質屬性與國外的截然不同，也預示著小范圍內煤層氣開發地質屬性也可能不同。煤層氣“生、儲、蓋”的有機組合決定了僅從某一方面或某幾方面劃分富集類型的片面性；中國不同礦區之間、同一礦區內部煤層氣資源時空匹配的復雜性、多解性決定了僅從宏觀角度、定性程度研究煤層氣井產氣量地質屬性影響的局限性。為此，查明小范圍內煤層氣產出的孔裂隙結構特征及能量差異，探索不同孔裂隙結構類型下煤層氣產出的主控因素，是分析煤層氣井產氣量差異的基礎。

②查明不同儲層地質屬性下煤層氣產出過程中儲層關鍵參數的動態變化規律能為煤層氣開發工藝的選擇提供理論支撐。

煤層及圍巖中水的排出，改變了煤層及圍巖的力學性質，煤基質、煤的孔裂隙等所受的應力，引起了孔裂隙結構的變化。這些變化既影響了排出水的難易程度，也改變了排采過程中產出氣的難易程度。煤層氣的產出，使煤層的含氣量發生改變，改變了煤層氣賦存環境的壓力、能量。反過來又引起了孔、裂隙結構的變化，最終影響了排采過程中產出氣的難易程度。

煤儲層孔裂隙特征，含氣量，上覆巖層應力，水平應力，煤巖力學性質，含水量等的差異性，造成煤層氣井排采過程中各種參數響應的不同敏感性，這些敏感性的差異決定了儲層的傷害程度及煤層氣井產氣難易程度的差異，最終影響著煤層氣井的產氣量。煤層氣開發儲層地質屬性的差異性，導致煤層氣開發工藝的各個環節對儲層作用引起的煤層氣產出的正、負效應的差異性，使煤層氣井產氣量的主控因素分析變得更加復雜，不同條件下產氣井產氣量的主控因素的不明確導致開發工藝的選擇缺乏一定的方向性。查明不同情況下煤層氣產出過程中儲層參數的動態變化規律，能為根據這些差異性，制定出與其基本匹配的煤層氣開發工藝技術提供理論支撐。

③煤層氣井排采過程的精細化管理是煤層氣產出最大化的根本保障。

煤層氣井產氣量的大小是煤層氣開發整個過程的最終表現。煤儲層極易受到傷害、敏感性很強的特點決定了需要對煤層氣開發的每一過程進行精細刻畫和管理。煤層氣井的排采管理主要涉及壓力系統的管理和煤粉的管理。產水量、儲層地質屬性等的差異，造成不同排采階段壓力系統改變的主控因素和煤粉運移的主控因素的變化，這些變化又反過來影響了煤層氣產出過程的難易。因此，只有通過精細刻畫每種情況下的排采工作制度，才能使壓力系統和煤粉的改變對儲層導流能力的負效應降低到最低。煤層氣井排采過程的精細化管理是煤層氣產出最大化的根本保障。

通過煤層氣產出過程滲透率動態變化與排采控制的研究，試圖闡明不同儲層類型下的排采潛力類型，為煤層氣高產井井位的準確選擇和小尺度內煤層氣儲層改造工藝技術提供方向性的指導。量化不同儲層地質屬性下煤層氣產出過程中關鍵儲層參數的動態變化規律的差異，為煤層氣井排采工作制度的制定提供理論依據。不同儲層類型條件下煤層氣排采工作制度的合理制定，為煤層氣產出最大化提供了重要保障。