鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策

徐凤银1,2，闫 霞1,2，李曙光1,2，熊先钺2，王予新2，张 雷1,2，刘川庆1,2，韩金良1,2，冯延青1,2，甄怀宾1,2，杨 贇1,2，王成旺1,2，李宇新1,2

(1. 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京100095；2.中石油煤层气有限责任公司，北京100028)

/ 作者简介 /

第一作者 徐凤银

徐凤银，1964年生，陕西佳县人，教授、博士生导师。现任中国石油天然气集团有限公司科技委员会委员、煤层气高级专家（一级正），煤层气开发利用国家工程研究中心主任、技术委员会副主任，中国石油天然气集团有限公司煤炭地下气化技术研发中心主任、技术委员会副主任，中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司总经理。1984年本科、1990年硕士研究生毕业于西安矿业学院地质系，1993年博士研究生毕业于中国矿业大学地质系，成为国内培养的第一位矿井地质专业博士，1995年博士后出站于西南石油学院，2004—2005年美国斯坦福大学高级访问学者，2012年获美国休斯顿大学EMBA。1994年30岁时破格晋升为教授，同年获中国科技孙越崎基金会第二届“优秀青年科技奖”，1995年被中国石油天然气总公司评为第一批“跨世纪学科带头人”。主持完成各类科研和生产技术项目40多项，2021年作为项目长完成的“十三五”国家油气科技重大专项项目最终综合绩效评价获96.34分，位居专项71个项目第一名。兼任全国天然气标准化技术委员会委员，中国石油学会非常规油气专业委员会常务副主任兼秘书长，能源行业煤层气标准化技术委员会副主任，山西省太平洋煤层气研究院高级顾问，中国石油学会科普与教育专业委员会副主任等。国内外发表论文136篇，出版专著8部，获国家级、省部级奖11项，主持编写国际标准2项。中国矿业大学、中国地质大学（武汉）、西安科技大学、西安石油大学、延安大学兼职（客座）教授，长期从事煤炭、地矿、石油、天然气、煤层气地质研究与管理工作，在相关行业领域和学术界有广泛影响。

通信作者 闫霞

闫霞，1984年生，山东东营人，高级工程师，2011—2012年国家公派美国塔尔萨大学联合培养博士研究生，2013年获中国石油大学（华东）油气田开发工程专业博士学位。现任中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司（中石油煤层气有限责任公司勘探开发研究院）一级工程师。主持或主研“十三五”国家科技重大专项课题、中国石油天然气集团有限公司基础性前瞻性攻关项目和其他项目10余项，获各级科技进步奖11项。主编国际标准ISO4657:2022《煤层气资源评价规范》和其他标准4项，在国内外发表学术论文30余篇，其中SCI收录8篇、EI收录10篇。担任《煤炭学报》青年编委，《煤田地质与勘探》《天然气工业》客座副主编及审稿专家。2017年入选中国石油天然气集团有限公司首批青年科技英才，先后获中国石油天然气集团有限公司优秀青年、直属机关青年岗位能手、科技创新团队。

创新点：

针对性地提出勘探地质、开发地质、钻完井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输与数智化等理论与技术的研究方向和具体对策，这一成果不仅对加快鄂东缘深部(层)煤层气规模上产具有重要的指导意义，而且对国内外深部(层)煤层气规模开发具有很强的引领和示范作用，也可有力推动煤层气产业高质量发展、支撑实现国家碳达峰碳中和目标与保障清洁能源安全。

摘要：

我国深部(层)(以下均指埋深大于2 000 m)煤层气资源丰富，勘探开发潜力巨大。2019年以来，鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)大宁–吉县区块逐步进入深部(层)煤层气“规模勘探+先导试验”阶段，直井日产气量突破2×104  m3，水平井日产气量突破10×104 m3，这一标志性成果既突破传统意义上煤层气勘探开发领域的深度禁区，使得煤层气总资源量有望在30.05×1012 m3基础上大幅度增加，又将成为“十四五”乃至长远煤层气产业实现规模发展的重点勘探开发方向。面对以地面传统钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输和数智化等为主体技术及开发方式的迫切需求，鄂东缘深部(层)煤层气面临许多基础理论和技术难点，包括：成藏机理和赋存状态，有利区优选方法；高产主控因素及控制机理，解吸–渗流机理与开发规律，“地质–工程一体化”开发甜点评价标准，关键开发指标确定方法和依据；低成本优快高效钻完井技术，水平井水泥环高效密封控制技术；煤岩缝网形成机理，低成本、高效、环保压裂入井材料，改造后缝网孔渗特征、流动规律；高盐、高水气比、出砂等工况下排采及举升控制技术；高效节能集输、规模开发所需复杂集输管网稳定运行理论与实践体系；数智气田建设和人工智能应用研究。在系统梳理上述难点基础上，针对性地提出勘探地质、开发地质、钻完井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输与数智化等理论与技术的研究方向和具体对策，这一成果不仅对加快鄂东缘深部(层)煤层气规模上产具有重要的指导意义，而且对国内外深部(层)煤层气规模开发具有很强的引领和示范作用，也可有力推动煤层气产业高质量发展、支撑实现国家碳达峰碳中和目标与保障清洁能源安全。

主要附图

/ 内容概要 /

1  勘探开发现状

2  理论与技术难题

2.1

勘探地质方面

2.1.1  深部(层)煤储层成煤、成岩环境特征

2.1.2  深部(层)煤层气赋存特征

2.1.3  深部(层)煤层气富集主控因素和成藏机理

2.1.4  深部(层)煤层气资源和勘探有利区优选方法

2.1.5  深部(层)煤层气含气量测试方法

2.2

开发地质方面

2.2.1  深部(层)煤层气解吸–渗流机理与开发规律

2.2.2  深部(层)煤层微幅构造及小断层(天然裂隙)精准识别

2.2.3  深部(层)煤层及围岩含水性与水源判识

2.2.4  深部(层)煤层气三维精细地质模型建立

2.2.5  深部(层)煤层气“地质–工程”开发甜点评价标准

2.2.6  深部(层)煤层气部分开发指标确定

2.3

钻井技术方面

2.3.1  深部(层)煤层钻井工程风险综合评价模型

2.3.2  深部(层)煤层与围岩导向地质特征差异性

2.3.3  深部(层)煤层气水平井固井质量

2.4

压裂(储层改造)技术方面

2.4.1  深部(层)煤岩缝网形成机理认识

2.4.2  压裂参数定量设计方法

2.4.3  低成本、高效、环保入井压裂液体系

2.4.4  大规模缝网的碎裂化配套技术

2.5

排采技术方面

2.5.1  深部(层)煤层气井全生命周期排采制度

2.5.2  深部(层)煤层气井筒举升与维护技术

2.6

集输与数智化技术

2.6.1  集输过程泡沫管控技术

2.6.2  长周期自压集输技术

2.6.3  全息大数据分析与移植技术

3 研究方向与技术对策

3.1

深部(层)煤层气成藏理论与有利区优选

3.1.1  煤储层特征

3.1.2  煤层气赋存机理及含气量测试方法

3.1.3  煤层气富集成藏规律及成藏模式

3.1.4  煤层气资源评价和勘探有利区优选

3.2

深部(层)煤层气开发甜点评价及技术政策优化研究

3.2.1  煤层气藏精细描述与三维地质建模

3.2.2  高产控制机理与地质-工程开发甜点评价

3.2.3  深部(层)煤层气生产规律与开发技术政策优化

3.3

深部(层)煤层气水平井优快钻完井工艺技术

3.3.1  水平井风险及可钻性预测模型构建

3.3.2  水平井多约束条件下导向与控制技术

3.3.3  水平井高效防漏防塌钻井液调控技术

3.3.4  低成本优快钻井技术

3.3.5  水平井高效密封固井技术

3.4

深部(层)煤层气水平井大规模(超大规模)压裂(储层改造)关键技术

3.4.1  水力压裂缝网延伸机理

3.4.2  压裂(储层改造)缝网仿真技术

3.4.3  压裂(储层改造)工艺优化技术

3.4.4  应力释放机理及配套工艺

3.5

深部(层)煤层气排采（举升）关键技术

3.5.1  煤层气全过程流动机理与排采动态仿真技术

3.5.2  全生命周期一体化排采(举升)技术

3.6

深部(层)煤层气集输及数智化关键技术

3.6.1  采气和集输泡沫流体力学理论及仿真计算

3.6.2  井场压力交换技术与装置试验

3.6.3  基于勘探开发全过程信息的大数据分析与移植技术

/ 结 论 /

a. 在“十三五”国家科技重大专项项目创新成果的带动下，鄂东缘大宁–吉县区块深部(层)煤层气勘探获得了重大突破，使人们对煤层气传统地质认识和勘探理念发生了根本性的转变，颠覆了对深部(层)煤层气开发“深度禁区”的认识，由此可使全国埋深小于2 000 m现有30.05×1012 m3煤层气资源量(埋深大于2 000 m一直未开展评价)大幅度增长，可使深部(层)煤层气一跃成为保障国家油气安全、实现碳达峰碳中和目标的重要接替资源之一，极大地坚定了深部(层)煤层气规模效益开发的信心，煤层气勘探开发和产业发展将由此进入到一个新阶段。

. 基于鄂东缘大宁–吉县区块深部(层)煤层气勘探开发和试采现状梳理认为，深部(层)煤层气与中浅部（层）相比，在成因机制、富集规律、赋存状态及开发规律等有很大差异，面临许多需要深入研究的理论难题。包括：成藏机理和赋存状态，高产主控因素，开发动态变化规律，压裂(储层改造)过程中煤岩缝网形成机理，压后孔渗特征变化与气液流动规律等。

c. 由于地质上的差异性，使得现有中浅部(层)适应性工程技术不能完全照搬到用于深部(层)煤层气开发。针对地面传统钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输和数智化等为主体技术的开发方式，鄂东缘深部(层)煤层气勘探开发亟需开展诸多适应性技术攻关。包括：地质–工程开发甜点评价标准，关键开发指标确定，低成本优快高效钻完井，水平井水泥环高效密封控制，低成本、高效、环保压裂材料，特殊工况排采制度及井筒举升控制，高效节能与集输，大数据及数智化等。

d. 针对鄂东缘深部(层)煤层气勘探开发存在难题，提出相应的理论研究方向与技术攻关对策，包括：研究深部(层)煤层气成藏机理与赋存规律，建立地质–工程开发甜点评价方法与标准，优选地质–工程一体化的勘探开发有利区和甜点，创新和集成钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输及数智化等先进性、适应性技术，开展技术政策优化研究，形成实现高效开发的理论、技术和配套系统平台，为鄂东缘深部(层)煤层气规模高效开发提供技术支撑。

e. 本次研究仅限于鄂东缘深部(层)煤层气以地面钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输及数智化等传统开发方式的勘探开发理论及工程技术范畴，为鄂东缘深部(层)煤层气资源的效益动用探索一些有效途径，未涉及到与新兴交叉性、系统性学科相关的理论与技术发展方向，包括煤炭地下气化(UCG)，CO2捕集、利用和封存(CCUS)，以及其他生物、物理和化学开发技术(包括微生物、热采、微波、激光、注入N2、CO2驱替)等研究。