作为能源革命的排头兵,提高煤系气采收率是山西“十四五”及今后更长一个时期的重要工作。煤系气储层具有薄层状、多岩性互层和塑性较强等特点,且在不同区域和不同层位形成了不同组合类型,为高效压裂提高抽采带来了很大困难。已有工作多使用水力压裂进行单一储层致裂,造成资源动用程度低、煤系气合采效果不尽理想等问题。针对不同煤系气储层类型采取适应性致裂方法将是煤系气合压共采的发展趋势。通过现场调研、数据统计、理论分析、数值模拟等方法,系统开展了煤系气藏与储层类型、储层物性及优质开采层段、储层力学性质及其对不同致裂方法的响应特征、不同起裂层位对压裂缝穿层形态及高度的影响等研究,阐明了煤系气储层的结构特征,确定了优质开采层段,优选了储层致裂方法与起裂层位,为山西石炭-二叠纪煤系气储层的高效改造提供了理论基础。论文的主要工作及取得的主要成果如下:(1)山西石炭-二叠纪煤系气藏类型与储层结构特征。以山西沁水煤田、河东煤田、霍西煤田、西山煤田等主要产气煤田的石炭-二叠纪煤系气储层为研究对象,在统计典型钻孔测井资料、气测资料等地质资料的基础上,分析了煤系地层结构,识别了煤系含气系统盖层,界定了煤系独立含气系统,划分了山西石炭-二叠纪煤系气储层结构类型。结果表明:山西石炭-二叠纪煤系气藏可分为独立煤层气、独立砂岩气、煤层气-页岩气、煤层气-砂岩气等4种类型,其中沁水煤田存在全部煤系气藏类型;河东煤田存在煤层气-页岩气和煤层气-砂岩气2种类型;霍西煤田存在独立煤层气、煤层气-页岩气、煤层气-砂岩气等3种类型;西山煤田存在独立煤层气、煤层气-页岩气和煤层气-砂岩气等3种类型。煤系气储层有单一煤层、单一砂岩层、顶板砂岩-煤层、顶板泥岩-煤层、煤层-泥岩-煤层、顶板石灰岩-煤层、顶板泥岩-煤层-底板泥岩、煤层-底板砂岩、煤层-底板泥岩等9种类型,其中沁水煤田存在单一煤层、单一砂岩层、顶板砂岩-煤层、顶板泥岩-煤层、煤层-泥岩-煤层和煤层-底板泥岩等6种类型;河东煤田存在顶板砂岩-煤层、顶板泥岩-煤层-底板泥岩和顶板石灰岩-煤层等3种类型;霍西煤田存在单一煤层、顶板砂岩-煤层、顶板泥岩-煤层和煤层-泥岩-煤层等4种类型;西山煤田存在单一煤层、煤层-泥岩-煤层和煤层-底板砂岩等3种类型。(2)储层物性及优质开采层段评价。以储层物性参数为研究对象,分析了各储层物性特征及其相互关联性,选取埋深、厚度、镜质组含量、黏土矿物含量、含气量、渗透率、孔隙度等7个储层物性特征参数做为煤系气优质开采层段评价指标。利用厚度加权平均法计算复合储层各评价指标值,利用极差变换法将各储层评价指标值进行标准化处理,以熵值法计算各评价指标的客观权重。基于灰色关联分析方法建立煤系气优质开采层段评价模型,确定优质开采层段。结果表明:煤储层含气量与镜质组含量、埋深呈正相关性,与无机矿物含量呈负相关性,孔容和比表面积主要由微孔提供,且孔容、比表面积与孔隙度之间呈现较好的正相关性。岩石储层含气量与埋深呈正相关性,孔容由大孔和中孔主导,且孔容与渗透率之间呈现较好的正相关性。优质开采层段的评价指标重要度从高到低依次为厚度、渗透率、埋深、含气量、孔隙度、黏土矿物含量、镜质组含量。沁水煤田储层优劣性从高到低排序依次为3号煤层组、15号煤层组、太原组粉砂岩层(1435 m);河东煤田为8+9号煤层组、4+5号煤层组;霍西煤田为11号煤层组、10号煤层组、2号煤层组;西山煤田为2号煤层组、9号煤层组、8号煤层。(3)储层致裂方法优选。考虑升压速率和压力峰值特征,水力压裂、液态CO₂相变致裂和炸药爆炸致裂等3种致裂方法做为典型致裂方法。以煤系气储层为研究对象,考虑不同致裂方法,建立煤系气单一储层致裂数值模型,分析岩石脆性指数、断裂韧性和抗压强度等力学性质条件下裂缝扩展对典型致裂方法的响应规律,形成考虑岩石力学性质的煤系气储层适应性致裂方法评价指数,并给出相应致裂方法评价指数区间值。计算山西石炭-二叠纪煤系气储层适应性致裂方法评价指数值,对煤系气储层进行了适应性致裂方法优选。结果表明:随着岩石脆性指数的增加,3种致裂方法作用下储层裂缝高度呈对数规律增大,其中水力压裂方法增幅最大。随着岩石断裂韧性和抗压强度的增加,3种致裂方法作用下储层裂缝高度呈负指数规律减小,其中炸药爆炸致裂方法降幅最大。煤储层的适应性致裂方法为炸药爆炸致裂方法,炭质泥岩和砂质泥岩储层的适应性致裂方法为液态CO₂相变致裂方法,粉砂岩、砂岩和石灰岩储层的适应性致裂方法为水力压裂方法。(4)储层最佳起裂层位确定。以山西石炭-二叠纪煤系气复合储层为研究对象,考虑不同致裂方法,建立了煤系气复合储层致裂数值模型,考察了不同起裂层位对储层压裂缝穿层形态及高度的影响,确定了储层最佳起裂层位。结果表明:顶板砂岩-煤型储层最佳起裂层位为顶板砂岩储层;顶板泥岩-煤型储层最佳起裂层位为顶板泥岩储层;顶板石灰岩-煤型储层最佳起裂层位为顶板石灰岩储层;煤-泥岩-煤型储层最佳起裂层位为中部泥岩储层;煤-底板泥岩型储层最佳起裂层位为底板泥岩储层。