0.   引　　言

我国天然气对外依存度长期保持在40%～50%，缺口超过2 000×10⁸ m^{3 [1]}，大力开发煤层气等非常规天然气资源是保障我国天然气供应的重要途径。我国拥有建立千亿立方米级煤层气大产业的理论与技术基础，是降低能源对外依存度及助力“双碳目标”实现的关键^[2]。“十三五”期间，我国新增煤层气探明储量达到1 555×10⁸ m³，产量达到57.67×10⁸ m³，产量增长幅度达29.33%，彰显了我国煤层气良好的资源潜力和开发前景^[3-4]。然而，2020年之前我国煤层气产量的85%以上来源于埋深小于1 000 m的煤层^[5-6]，单井产量低，增储上产缓慢，这是我国煤层气勘探开发客观存在的问题。近几年来，在鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地、四川盆地及准噶尔盆地实现了埋深1 000～3 000 m煤层气井稳产数万立方米的突破。初步估计我国2 000 m以深煤层气资源量达到40.71×10¹² m^{3 [2]}。显然，要建立千亿立方米级煤层气大产业，实现国家煤层气储量、年产量、商品量的预期目标，必须突破煤层气“深部禁区”固有思维，加大对深部煤层气的勘探开发力度。

相比于浅部煤层气，深部煤层含气饱和度更高，煤体结构更完整，保存条件更优，单井平均日产气量更高。然而，在深部煤层气勘探开发中也存在一些由“深部”带来的难题，影响了深部煤层气的有效动用。随着埋藏深度的增加，煤层处于“高地应力、高温度、高压力”的地质环境，使得深部煤储层显著区别于浅部煤层，其孔渗性往往更差、大多含有游离气、压裂改造难度更大，继而导致深部煤层气的产出效应显著区别于浅部煤层。尽管针对浅部煤层气开展了大量研究，在勘探地质、开发地质、钻井技术、储层改造、排采技术等多方面形成了较为系统的理论与方法^[7-13]，有力地支撑了浅部煤层气的勘探开发。但是由于深部煤层气自身的特殊性，针对性且系统性的研究仍十分匮乏，例如：深部煤层气的成藏演化史，深部煤层含气赋存方式及其相态转化机制，深部煤层力学性质及其对储层改造的控制，深部煤层气的产出效果评价等方面均须开展深入研究。厘清这些由“深部”引出的难题，形成针对深部煤层气勘探开发的理论与方法，是建立我国煤层气大产业的关键。

近几年来对深部煤层气的勘探开发已投入了较大的工作量，尤其是针对华北地区（主要包括沁水盆地、鄂尔多斯盆地、宁武盆地、渤海湾盆地）深部煤层气勘探的大量投入为解决深部煤层气成藏演化及产出效应相关的科学问题提供了有利条件。笔者以华北地区石炭−二叠系深部煤层气的勘探开发资料和前人研究成果为基础，结合深部煤层样品的含气性测试、等温吸附测试、理论计算及数值模拟等研究手段，厘清深部煤层气赋存相态及其动态演化特征，揭示深部煤层气赋存相态的影响因素，建立气体赋存相态的演化模式，旨在为深部煤层含气性评价提供参考，为进一步推动深部煤层气新突破提供理论和方法基础。

1.   深部煤层气赋存相态与埋深的耦合效应

大量研究以及当前的煤层气勘探开发实践均显示，浅部煤层气基本以吸附态方式赋存，游离态和溶解态甲烷含量可忽略，深部煤层气仍以吸附态方式赋存为主，溶解态甲烷含量可忽略，但游离气含量占比显著提高^[14-17]。中、高煤阶深部煤层中游离气占比可达30% ^[18-19]，低煤阶深部煤层游离态甲烷占比更高，可以达到60%^[20]。中、高煤阶和低煤阶深部煤层游离气占比均较高，但二者游离气富集的成因可能具有显著区别。以准噶尔盆地白家海凸起西山窑组为例^[21]，低煤阶深部煤层游离气来源为“热成因气（煤层排烃之后的残余气）+深部运移气”，华北地区中、高煤阶深部煤层游离气为煤层排烃之后的残余气（热成因气）。笔者主要以华北地区石炭−二叠系深部煤层为研究对象开展讨论。针对华北地区深部煤层气开展较多工作的区块主要包括临兴−神府区块、大宁吉县区块、大牛地气田、榆社−武乡区块和宁武南区块等。目标煤层分布于太原组或本溪组，煤层编号为8+9号（8号，15号），埋深普遍深于1 500 m，集中分布于2 000 m左右（图1）。

图  1  华北地区石炭−二叠系深部煤层气典型区块分布示意（修改自文献[22]）

Figure  1.  Distribution characteristics of typical blocks for deep coalbed methane of the Carboniferous-Permian in the North China（Modified from reference [22]）

下载: 全尺寸图片 幻灯片

煤层含气性和气体赋存相态受内因（煤阶、物质组成、孔裂隙系统等）和外因（温度、压力、保存条件等）的协同控制。随着埋深的增加，煤储层所受温度和压力的改变最为明显。浅部条件下煤层气基本以吸附态形式赋存，随着埋深的增加，温度和压力均增大，煤储层吸附能力受温度负效应和压力正效应的协同控制表现为先增高而后降低的特征。那么总会存在一个临界深度使得温度对吸附能力的负效应强于压力对吸附能力的正效应，使得气体相态开始发生转化，部分吸附气转化为游离气，即深部煤层开始富集游离气。秦勇等^[23]提出，处于地应力状态和（或）含气量“临界深度”之下的煤层气资源及其赋存和开发地质条件，属于深部煤层气范畴。基于此观点，大量研究基于含气性与埋深的变化特征或是含气性与多个参数组合特征与埋深的关系^[24-31]，揭示了不同深部煤层气区块的临界深度主要集中于1000～1 500 m。

临界深度以深，深部煤层整体呈现“高饱和甚至过饱和”，即深部煤层中存在游离态甲烷，临界深度以浅的煤层基本呈现“欠饱和”的特征，即浅部煤层中的甲烷基本以吸附态形式赋存。然而，临界深度以深甚至远深于临界深度的煤层中仍可能存在不富集游离态甲烷的现象^{[3, 32]}，其开发特征与浅部煤层气无异，这是深部煤层气勘探开发面临的客观问题。其中一个重要的原因就在于只有在理想的保存条件下由吸附态转化的游离态甲烷才能够全部保存于煤层中。闫霞等^[33]指出，大吉地区的微构造对相似埋深的深部煤层气井产量具有重要影响，构造陡变区深部煤层气保存条件差，其生产曲线与浅部煤层气井基本相同，而平缓构造部位的深部煤层富集游离气，生产特征表现为见气快、产水量低。因此，埋藏深是深部煤层富集游离气的基础，而保存条件好是深部煤层富集游离气的关键。

深部煤层能够整体呈现“高饱和/过饱和”的特征，一个可能的原因是深埋藏意味着煤层经历的抬升幅度小或是构造抬升时间晚^[34-36]，保存条件相比浅埋藏煤层就更为优越。深部煤层气勘探开发重点就是要寻找富集游离气的煤层，可以借鉴页岩气和常规天然气的勘探思路，在一定埋藏深度（临界深度以深）的条件下寻找保存条件好的构造区带，即“深中找好”的勘探思路。

2.   深部煤层气体赋存相态的识别

总体来看，深部煤层大多具有含有游离气的特征，但是仍然存在由于保存条件差导致游离气逸散而基本以吸附态赋存的现象。因此，基于实际测试资料和生产资料定性或定量的判断深部煤层中的气体赋存相态对于研究游离气的富集机制及制定合理的开发方案十分关键。笔者提出基于保压取心、绳索取心的测试资料和生产曲线特征识别深部煤层气体赋存相态的思路。

在保压取心的基础上进行煤层现场解吸测试，是当前直接获得深煤层原位含气量并能够定量计算吸附气和游离气含量最为有效和准确的方法。临兴−神府区块基于保压取心的深部煤层总含气量为4.31～16.38 m³/t，其中游离气含量为1.20～2.51 m³/t，平均为1.68 m³/t，占比为11%～35%（图2）。基于保压取心的实测含气量证实深部煤层富集游离气，吸附饱和度均超过100%，最高达到150%。

图  2  临兴−神府区块基于保压取心的深部煤层含气量测试结果（数据源于[37]）

Figure  2.  Test results of gas content in deep coal seams based on pressure-preserved coring

下载: 全尺寸图片 幻灯片

尽管基于保压取心获得的含气性数据能够接近原位地层条件下的真实含气特征，但是目前其成本高昂且未形成统一测试标准，应用范围或推广效果受限。因此，目前针对深部煤层的含气性测试仍多基于绳索取心样品的现场解吸，参照国家标准GB/T 19559—2008《煤层气含量测定方法》开展。笔者基于绳索取心的含气量测试和等温吸附试验对深部煤层气体赋存状态进行定量分析，计算公式如下：

式中，V_f为游离气含量，m³/t;V_t为基于绳索取心测试的总含气量，m³/t;V_a为原位温压条件下理论吸附量，m³/t;V_s，V_j和V_c分别为基于绳索取心测试的损失气量，解吸气量和残余气量，m³/t;P为煤储层压力，MPa；V_L为兰氏体积，m³/t；P_L为兰氏压力，MPa。

笔者采用3类方法（基于美国矿业局（USBM）提出的现场解吸法、Amoco曲线拟合（ACF）方法和修正的曲线拟合（MCF）方法）计算基于绳索取心的损失气量。结果显示（图3），基于USBM法和ACF法计算得到的游离气含量与保压取心测试结果基本相当，平均分别为18%和23%。基于MCF法计算得到的游离气含量明显高于保压取心测试结果，平均达到36%。可见，损失气恢复的准确性决定了该方法计算游离气含量的准确性。基于USBM法和ACF法计算得到的游离气含量与保压取心测试结果基本相当，一定程度上也表明应用上述两类方法计算深部煤层损失气含量时仍较为准确，至少在临兴−神府区块有较好的适用性。

图  3  基于绳索取心含气量测试和等温吸附试验计算的深部煤层含气量

Figure  3.  Gas content calculation of deep coal seams based on Wire-line coring and isothermal adsorption experiments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

当深部煤层相对富集游离气时，其气、水产出特征必然区别于浅部煤层，因此通过生产曲线可以定性判断深部煤层的含气赋存状态。富集游离气的深部煤层气井生产特征通常表现为初期无需排水降压，压裂后自喷产气，与页岩气的开发特征相似，亦或是初期只需较短时间排水，见气时间快，日产气量可达万方以上且总产水量低^[33,38]。当深部煤层不含游离气时，其生产特征与浅部煤层气井基本相同，主要表现为生产初期以产水为主，需要经过一定时间的排水降压才能够产气，具有产水量大且总产气量相对较低的特征。

3.   深部煤层含气性演化模式

我国华北地区深部石炭−二叠系中、高煤阶煤经历了复杂的埋藏演化过程，大致可归纳为深埋深藏型和深埋浅藏型2种类型^[39]。构造抬升阶段的温压场以及保存条件的协同变化影响着深部煤层气体相态赋存的演化特征，继而决定了深部煤层现今气体赋存相态及含量。在只考虑温度、压力及构造改造强度对煤层含气性特征影响的理想条件下，认为深部煤层的含气赋存相态存在4类演化模式（图4，表1）：

图  4  鄂尔多斯盆地深部煤层气体赋存相态演化模式示意（图a修改自文献[39]）

Figure  4.  Evolution mode of gas occurrence characteristics in deep coal seams （Fig. a is modified from reference [39]）

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  华北地区石炭−二叠系不同演化类型的深部煤层含气赋存状态

Table  1.  Occurrence status of gas in deep coal seams with different evolution types of Carboniferous-Permian in North China

演化类型	保存条件	吸附饱和度	气体赋存相态
深埋深藏	构造改造程度弱	饱和/过饱和	游离态、吸附态
	构造改造程度强	欠饱和/饱和	吸附态
深埋浅藏	构造改造程度弱	欠饱和/饱和	吸附态
	构造改造程度强	欠饱和	吸附态

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1）对于深埋深藏型且抬升过程中始终维持较好保存条件的深部煤层而言（图4b），认为最大深埋期的煤层中含气量达到最高，游离气占比达到最大。抬升过程中，煤层温度和压力均逐渐减小，温度对吸附能力负效应的影响程度逐渐降低，使得煤层吸附能力逐渐增强，部分游离气逐渐转换为吸附气。即随着抬升过程中埋深的逐渐减小，吸附气含量逐渐增加而游离气含量逐渐减小。抬升过程中煤层经历的构造改造强度较弱，始终维持较好的保存条件，使得游离气没有逸散。此外，较小的抬升幅度也使得煤层吸附能力增强的程度受限，也无法使全部的游离气转换为吸附气。因此，现今埋深条件下的煤层中依然富集一定含量的游离气，但仍以吸附态赋存方式为主，吸附饱和度超过100%。

2）对于深埋深藏型但抬升过程中某一地质历史时期保存条件较差的演化过程而言（图4c），抬升过程中煤层吸附能力逐渐增强，部分游离气逐渐转换为吸附气，吸附气含量逐渐增加而游离气含量逐渐减小。由于抬升过程中某一时期煤层经历的构造改造强度较大，较差的保存条件使得煤层中还没有转换为吸附态的游离气大量逸散，使得在后续抬升过程中，尽管煤层的吸附能力仍逐渐增强，但由于缺少游离气的补充使得吸附气含量几乎不变，导致在现今埋深条件下的煤层不富集游离气且吸附饱和度小于100%。值得注意的是，由于较小的抬升幅度使得现今埋深条件下煤层的吸附能力增幅不大，吸附欠饱和程度相对较低。

3）对于深埋浅藏型且抬升过程中始终维持较好保存条件的浅部煤层而言（图4 d），随着抬升过程中埋深的逐渐减小，吸附气含量逐渐增加而游离气含量逐渐减小。抬升过程中煤层经历的构造改造强度较弱，始终维持较好的保存条件，使得游离气没有逸散，但较大的抬升幅度使得煤层吸附能力大幅增强，当抬升到某一埋藏深度时，煤层中的游离气绝大部分转换为吸附气。因此，现今埋深条件下的煤层中不富集游离气，基本以吸附态方式赋存，煤层含气性呈现为饱和或近饱和状态。

4）对于深埋浅藏型且抬升过程中某一地质历史时期保存条件较差的演化过程而言（图4e），随着抬升过程中埋深的逐渐减小，煤层吸附能力逐渐增强，部分游离气含量逐渐转换为吸附气，吸附气含量逐渐增加而游离气含量逐渐减小。由于抬升过程中某一时期煤层经历的构造改造强度较大，较差的保存条件使得煤层中还没有转换为吸附态的游离气大量逸散，使得在后续抬升过程中，尽管煤层的吸附能力仍逐渐增强，但吸附气含量没有增加乃至部分发生解吸散失。由于较大的抬升幅度使得现今埋深条件下煤层的吸附能力相对较强，吸附欠饱和程度相对更高。

华北地区典型深部煤层气区块的石炭−二叠系深部煤层在生烃结束后普遍经历燕山期和喜马拉雅期构造运动，抬升过程中受构造改造形式、时间和强度不同的影响，不同地区煤层气藏的调整和破坏程度也不同^[40-42]。华北地区含煤盆地构造分区中，鄂尔多斯盆地整体属于弱改造变形区，使得煤层抬升时间较晚，抬升幅度较小，沁水盆地和宁武盆地整体属于中部过渡变形区，渤海湾盆地总体属于强改造变形区，使得煤层抬升时间较早，抬升幅度较大并且经历的改造期次更为频繁（图5）。目前，鄂尔多斯盆地深部煤层普遍富气且含有游离气，而沁水盆地和渤海湾盆地深部煤层的富气程度相比于鄂尔多斯盆地明显偏低。

图  5  华北地区主要含煤盆地东西向构造−地质−埋藏史剖面示意

Figure  5.  East-west geological cross-section of coal-bearing basins in the north china region

下载: 全尺寸图片 幻灯片

华北地区煤层复杂的构造演化过程对现今煤层中气体赋存相态及其含量具有重要的影响，温压场的配置关系以及构造改造强度的大小（构造抬升幅度的大小、抬升时间的早晚、游离气逸散时间的早晚、煤层的自封闭性、顶底板封盖能力等）是关键要素。深埋深藏且经历弱构造改造的演化模式能够使现今煤层富集一定比例的游离气。煤层经历的差异构造演化是导致不同区块甚至同一区块在相似埋深条件下煤层含气性特征具有显著区别的重要因素。

4.   存在问题与发展趋势

我国深部煤层气彰显出巨大的资源潜力，在华北地区的部分煤层气区块实现了单井日产万方及规模性商业开发的重大突破。然而，当前从深部煤层气的地质勘探到开发评价的系列研究理论和技术方法尚未建立，严重影响了深部煤层气的有效动用。随着对深部煤层气勘探开发工作的逐渐深入，已经认识到深埋影响下“高温、高压、高地应力”的深部煤层气藏地质特征及开发条件与浅部煤层气藏具有显著区别，但是对深部煤层气的成藏、富集、改造及产出等多方面的基础性科学问题认识薄弱，具体表现在以下几个方面：

1）针对浅部煤层气的“五史”研究开展了大量工作，但针对深部煤层气的相关基础性研究薄弱。深部和浅部煤层气成藏地质条件的差异性导致了不同的演化模式，对于深部煤层气成藏演化机理及其与浅部煤层气的差异性尚不明确。系统开展深部煤层气盆地模拟研究，建立深部煤层气成藏演化模式，明确深部与浅部及不同盆地深部煤层演化的异同，对于深部煤层气富集成藏规律的认识具有重要意义。

2）高温、高压是深部煤储层具有的显著特征，当前针对深部煤储层温压场的厘定和成因机制的分析缺乏系统性，且未对地质历史时期压力场和温度场的演化过程进行定量刻画。传统的针对浅部煤层温压场的研究手段难以实现对温压场演化的定量化分析，故亟需开展相关研究与探索，准确揭示深部煤储层温压场动态演化及其控制机制。

3）富集游离气是深部煤层气藏的特色，对于深部煤层中游离气的赋存空间、相态转换和预测模型的研究有待深化。温度、压力、地应力及地下水等多种因素耦合作用造成深部煤层储集空间演化机制错综复杂，由于埋深所带来的高温高压等特殊地质环境使得深部煤岩煤质特征发生了很大改变，加之当前关于游离气控制因素方面的研究较为欠缺，导致深部煤层含气量的估算存在较大误差，以煤的吸附能力为主导确定煤层的含气量并进行资源评价已不能满足深部煤层气勘探开发的需求。

4）高地应力严重制约了深部煤层的可改造性。针对深部煤层力学性质、地应力预测、温度-压力-地应力场的分布特征对压裂裂缝扩展影响的研究不够系统，表现在多因素控制下的深部煤层力学性质差异性演化认识不统一，缺少精准预测深部煤层地应力场特征的手段，深部地质条件下煤层裂缝起裂、扩展和形态预测模式不清。建立适用于深部煤层可改性评价预测模型是有效动用深部煤层气的迫切需求。

5）浅部煤层往往为欠饱和储层，需要依靠排水降压实现吸附气的解吸，深部煤层往往为超饱和储层，而游离气的存在对煤层气井产能的贡献及其影响机制目前仍处于探索阶段，其核心难题在于对深部煤层气生产过程中储层压力动态变化过程认识不清，以及游离气产出对吸附气解吸的诱导作用掌握不明，导致依据现有理论体系难以明确深部煤层气排采过程中含气赋存状态的动态变化。解决这些基础科学问题，对深部煤层气井排采阶段划分及优化排采策略具有重要意义。

5.   结　　论

1）富集游离气（吸附饱和度>100%）是深部煤层含气性显著区别于浅部煤层的重要特征。煤层吸附能力与埋深的耦合关系是深部煤层富集游离气的基础，而保存条件是决定深部煤层是否富集游离气的关键。

2）保压取心仍是当前直接获得深煤层原位含气量最为有效和准确的方法，联合绳索取心的含气性测试和等温吸附实验是定性或半定量识别深部煤层气赋存相态及含气量估算的简便且有效的手段。

3）煤层经历的差异构造演化是影响深部煤层含气赋存状态及其含量的关键因素，温度、压力及构造改造强度是决定煤层含气赋存相态演化过程的重要因素。华北地区石炭−二叠系深部煤层含气赋存相态存在4类演化模式，其中深埋深藏型—保存条件好的演化模式有利于游离气的富集，是深部煤层气勘探开发的有利区带。

4）深部煤层气作为一种资源的“新领域”，兼具“常规”和“非常规”2种属性，涉及多学科的交叉与应用，应重点解决深部煤层气成藏演化与产出效应的关键性基础问题，为系统评价我国深部煤层气资源潜力与开发前景提供理论依据与方法支撑。