蘇育飛

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 030006）

山西省海陸過渡相煤系“三氣”共探共采展望

蘇育飛

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 030006）

山西省煤系“三氣”資源豐富，其豐富的煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣資源條件及相同的賦存層位，為煤系“三氣”綜合勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。鑒于三者層位相鄰或呈互層狀產(chǎn)出，三種氣藏的疊置性，許多專家學(xué)者提出了共探共采的概念，但對(duì)于山西省頁(yè)巖氣－煤層氣－致密砂巖氣共探共采的可行性如何、如何劃分共探共采體系、如何進(jìn)行共同勘探與共同開發(fā)，目前尚無可靠理論方法與實(shí)際依據(jù)。本文將從山西省“三氣”的地質(zhì)特征、富集規(guī)律、勘探開發(fā)方法等方面探討其共探共采的理論可行性。

煤系 三氣 煤層氣 頁(yè)巖氣 致密砂巖氣 共探共采

山西省非常規(guī)天然氣資源豐富，山西省2000m以淺的煤層氣資源量為8.31×1012m3，山西省頁(yè)巖氣資源量10.81×1012m3，此外，臨興、石樓區(qū)塊煤系致密砂巖氣獲得很好的開發(fā)效果。頁(yè)巖氣調(diào)查井綜合錄井工作中也發(fā)現(xiàn)“三氣”的存在。山西省豐富的煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣資源條件及相同的賦存層位，為煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣綜合勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

頁(yè)巖、煤層與致密砂巖層均為低孔、低滲非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層，在后期開發(fā)過程中均需要水力壓裂。頁(yè)巖氣－煤層氣－致密砂巖氣的共探共采可將頁(yè)巖儲(chǔ)層、煤儲(chǔ)層及致密砂巖儲(chǔ)層共同壓裂，同時(shí)形成頁(yè)巖氣流通、煤層氣流通與致密砂巖氣流通的人工裂隙。因此實(shí)現(xiàn)煤層氣、頁(yè)巖氣與致密砂巖氣共探共采，一方面將解決深部煤層氣的開采難題，另一方面將極大的節(jié)約非常規(guī)氣的勘探開發(fā)成本，同時(shí)亦有巨大的環(huán)保意義與能源戰(zhàn)略價(jià)值。

許多專家學(xué)者提出了共探共采的概念，但對(duì)于山西省頁(yè)巖氣－煤層氣－致密砂巖氣共探共采的可行性如何、如何劃分共探共采體系、如何進(jìn)行共同勘探與共同開發(fā)，目前尚無可靠理論方法與實(shí)際依據(jù)。本文將從山西省“三氣”的地質(zhì)特征、富集規(guī)律、勘探開發(fā)方法等方面探討其共探共采的理論可行性。

1 山西省煤系“三氣”資源概況

1.1 煤層氣資源概況

山西省沁水盆地和河?xùn)|煤田為我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)最為成功的地區(qū)，具有詳細(xì)的煤層氣地質(zhì)資料。

山西省煤層含氣量區(qū)域上總體具有南北分區(qū)、東西分帶的展布規(guī)律。以北緯38°帶界，北部含氣量較低，南部含氣性較高，為煤層氣資源的主要分布區(qū)；含煤區(qū)自東向西可劃分三個(gè)聚氣帶，含氣量表現(xiàn)為東西兩帶高，中帶低的特點(diǎn)。含氣量垂向上具有自上而下含氣量增高的趨勢(shì)。東帶煤層氣井實(shí)測(cè)含氣量一般大于12m3／t，煤田鉆孔甲烷濃度普遍在80%以上，實(shí)測(cè)含氣量一般大于10m3／t；中帶煤層氣井含氣量一般小于10m3／t，煤田鉆孔甲烷濃度多在70%以下，實(shí)測(cè)含氣量一般小于8m3／t；西帶煤層氣井實(shí)測(cè)含氣量一般大于10m3／t，煤田鉆孔甲烷濃度普遍大于80%，實(shí)測(cè)含氣量一般在8m3／t以上。

山西省煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力梯度變化范圍為0.15MPa／100m～1.24MPa／100m。兩主采煤層幾乎不存在超壓儲(chǔ)層。上主煤層平均儲(chǔ)層壓力梯度低于下主煤層，且均低于0.75MPa／100m；試井滲透率變化范圍為0.0012×10－3μm2～444×10－3μm2，大多均小于2×10－3μm2。

山西省2000m以淺煤層氣預(yù)測(cè)資源總量83097.86億m3（表1），沁水、河?xùn)|、霍西、西山、寧武預(yù)測(cè)資源量分別為53915.01億m3、21494.29億m3、2366.37億m3、1332.02億m3和3990.17億m3；

表1 2000m以淺煤層氣預(yù)測(cè)資源總量匯總表

煤層氣開發(fā)最有利區(qū)主要分布在沁水煤田南部潘莊、大寧二號(hào)井田附近；河?xùn)|煤田中部三交－柳林一帶及南部大寧－蒲縣－鄉(xiāng)寧一帶。煤層氣開發(fā)有利區(qū)主要分布在沁水煤田北部壽陽－陽泉－昔陽一帶，南部長(zhǎng)子－陽城一帶，西部平遙－沁源－安澤一帶；河?xùn)|煤田北部保德附近、河?xùn)|煤田中南部臨縣－石樓－隰縣－大寧－鄉(xiāng)寧一帶；西山煤田中南部及寧武煤田中南部地區(qū)。

1.2 頁(yè)巖氣資源概況

山西省富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖總厚較大，但單層厚度較小，各層段中泥頁(yè)巖厚度一般在10～50m范圍內(nèi)。在各含煤盆地中，沁水盆地與河?xùn)|煤田泥頁(yè)巖厚度較大，其中，沁水盆地第Ⅱ?qū)佣闻c河?xùn)|煤田第Ⅳ層段暗色泥頁(yè)巖發(fā)育最好，大部分區(qū)域泥頁(yè)巖厚度大于30m；大同煤田在各含煤盆地中泥頁(yè)巖厚度最小，各層段泥頁(yè)巖厚度一般在30m以下。

有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，有機(jī)質(zhì)顯微組分主要為鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組；TOC含量較高，大部分處于2%～4%之間，有機(jī)質(zhì)成熟度也同樣較高，處于成熟－過成熟階段，由北向南逐漸增大，整體處于1%～4%之間，表明地史時(shí)期中已有大量的熱解氣生成；礦物成分以黏土礦物、石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦為主，其中黏土礦物含量最高，一般在50%以上，石英含量一般在35%左右，脆性系數(shù)在40%左右；孔隙度一般在1.0%～9.0%之間，泥頁(yè)巖中以小于100nm的孔隙最為發(fā)育，滲透率在0.00014～0.01421mD之間。不同樣品泥頁(yè)巖最大吸附量值差距較大，靠近煤層的炭質(zhì)頁(yè)巖吸附量一般在3m3／t以上，而距離煤層較遠(yuǎn)的暗色泥巖最大吸附量一般處于0.5～1.9m3／t之間。頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)的頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深處于1000m以深。

山西省頁(yè)巖氣有利區(qū)總資源量為4.44×1012m3（表2），主要分布在沁水盆地與河?xùn)|煤田，這兩個(gè)含煤盆地總資源量為3.71×1012m3，占總資源量的83.5%。山西省頁(yè)巖氣資源潛力較大的地方主要集中在四個(gè)區(qū)域：（1）沁水盆地北部壽陽縣一帶；（2）沁水盆地中部武鄉(xiāng)縣一帶；（3）河?xùn)|煤田南部大寧縣－蒲縣－吉縣一帶；（4）寧武盆地南部靜樂縣－嵐縣一帶。

表2 山西省各盆地頁(yè)巖氣有利區(qū)面積及資源量

1.3 致密氣資源概況

致密砂巖氣傳統(tǒng)上被劃分到常規(guī)天然氣當(dāng)中，起步較早，勘查程度較高，目前已形成鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組兩大致密氣現(xiàn)實(shí)區(qū)。鄂爾多斯盆地上古資源量6.4×1012m3，探明儲(chǔ)量1.4×108m3，探明率22%。

我省河?xùn)|煤田位于鄂爾多斯盆地東緣，發(fā)育的砂巖具有層數(shù)多、分布廣的特點(diǎn)，在石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組均有有利砂體發(fā)育，其中石千峰組最為發(fā)育，平均在50～60m，其次是上、下石盒子組，厚度在10m左右，是致密砂巖氣最主力的儲(chǔ)層。優(yōu)質(zhì)致密產(chǎn)層巖性上為厚度大的潮坪砂壩、分流河道砂體，孔隙度較大，物性較好；構(gòu)造上處于相對(duì)構(gòu)造高點(diǎn)或靠近構(gòu)造高點(diǎn)的位置；垂向、側(cè)向上有泥巖或致密層封堵。河?xùn)|煤田臨興地區(qū)2014年累計(jì)試氣28層段，下石盒子組和太原組均有超過日產(chǎn)10萬m3以上的試氣井。

山西省豐富的煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣資源條件及相同的賦存層位，為煤系“三氣”綜合勘探開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 “三氣”成藏機(jī)理

煤層氣、頁(yè)巖氣與致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣藏的重要類型。其中，煤層氣具有典型的吸附成藏機(jī)理，頁(yè)巖氣具備多重氣藏的成藏特征，致密砂巖氣為他源型，源儲(chǔ)緊鄰，儲(chǔ)層為致密砂體。三者在成藏上具有相似性和差異性，如表3所示，綜合氣藏形成的各個(gè)階段的影響條件，才能判斷氣藏的成藏特征。

表3 煤系三氣成藏機(jī)理對(duì)比

煤系是指一套在成因上有共生關(guān)系并含有煤層或煤線的沉積體系。具有有機(jī)質(zhì)含量高、旋回性強(qiáng)、III型干酪根為主、儲(chǔ)集層陸源物質(zhì)豐富、經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等特征。其是煤層氣、頁(yè)巖氣和致密砂巖氣“三氣”共生疊置的唯一層系，其賦存條件和源巖特征為煤系“三氣”共探共采提供了物質(zhì)基礎(chǔ)?？v向上，表現(xiàn)出頁(yè)巖氣與煤層氣相互成藏的特征，煤系提高了整個(gè)頁(yè)巖氣藏的含量，而頁(yè)巖與煤層又作為烴源巖，逸散出的氣體在緊鄰的致密砂巖中富集成藏形成致密砂巖氣。“三氣”在煤系剖面上表現(xiàn)為多層疊置的獨(dú)立儲(chǔ)層群和混合儲(chǔ)層群，海陸交互相煤系以多層疊置頁(yè)巖氣與煤層氣儲(chǔ)層為主（圖1）。

在山西省以往的煤層氣勘探中，煤層、泥巖和砂巖中均出現(xiàn)了氣測(cè)顯示現(xiàn)象，但由于泥巖和砂巖的單層厚度薄或巖性過細(xì)而被忽略了其開采的價(jià)值性。由于頁(yè)巖系統(tǒng)中含有同樣產(chǎn)氣的薄煤層（＜0.5m），生成的烴類氣體在薄煤層中成藏，形成煤層氣，但煤層形成的CH4較多，多余的氣體會(huì)就近運(yùn)移并保存在鄰近的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中，可以作為頁(yè)巖氣藏的另一個(gè)氣源來源，豐富了頁(yè)巖氣成藏，同時(shí)，頁(yè)巖與煤層又作為烴源巖，逸散出的氣體在緊鄰的致密砂巖中富集成藏形成致密砂巖氣。

圖1 “三氣”在煤系剖面上的表現(xiàn)特征圖

理論上來說，煤系既可作為常規(guī)天然氣的氣源巖，又可以吸附在煤層與頁(yè)巖層里形成煤層氣與頁(yè)巖氣，也可以運(yùn)移到砂巖中形成砂巖氣。這些泥頁(yè)巖層、煤層、致密砂巖儲(chǔ)集層可能由于單層厚度較薄，單獨(dú)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性存在疑問，但是由于這些地層往往在空間上存在相互疊置的特點(diǎn)，總的資源量較為可觀，進(jìn)行多層的聯(lián)合開發(fā)可能具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。并且，煤化作用－構(gòu)造作用－地質(zhì)環(huán)境條件的時(shí)空耦合關(guān)系，使得三氣共探共采具有合理性與可行性。隨著研究的深入煤系“三氣”綜合勘探為主導(dǎo)已成為共性，并對(duì)比分析“三氣”之間的共性與差異，探索綜合勘探開發(fā)技術(shù)。

3 煤系“三氣”共探共采體系劃分

在煤層氣、頁(yè)巖氣與致密砂巖氣共探共采中會(huì)產(chǎn)生人工裂隙溝通煤層氣藏、頁(yè)巖氣藏與致密砂巖氣藏，若三者不屬于統(tǒng)一能量體系，三者氣藏連通后會(huì)導(dǎo)致層間干擾，氣藏能量會(huì)發(fā)生層間的轉(zhuǎn)移，從而影響非常規(guī)天然氣生產(chǎn)。因此，在聯(lián)合共采中，煤層氣－頁(yè)巖氣－致密砂巖氣能量體系是否一致，是實(shí)現(xiàn)共采的先決條件。在共探中需要研究煤層氣藏、頁(yè)巖氣藏與致密砂巖氣藏能量體系，并進(jìn)行體系的劃分。

能量體系中，儲(chǔ)層空間疊置性、氣藏特征是最重要的兩個(gè)因素。儲(chǔ)層空間疊置性要求各氣藏緊鄰，儲(chǔ)層間不能存在厚度較大的隔層。山西省的煤系地層中，致密砂巖儲(chǔ)層主要位于上石盒子地層中，與煤層氣、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層距離較遠(yuǎn)，可能為一個(gè)獨(dú)立的氣體壓力系統(tǒng)，可以單獨(dú)進(jìn)行開采；而山西組主采煤層上覆及下伏巖層主要為泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，山西省頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查及評(píng)價(jià)項(xiàng)目中所劃分的第Ⅰ層段、山西組主采煤層、第Ⅱ?qū)佣?，三者緊鄰，有利于煤層氣－頁(yè)巖氣的共探共采。而太原組主采煤層頂板一般為石灰?guī)r層，若厚度較大，則上覆的頁(yè)巖氣藏與煤層氣藏可能不再屬于一個(gè)氣體壓力系統(tǒng)，不利于煤層氣與頁(yè)巖氣的共采。

在氣藏特征方面，主要是儲(chǔ)層壓力、含氣飽和度和流體壓力系統(tǒng)等組合，相鄰的儲(chǔ)層之間這些特征差異太大，則不適合劃歸一個(gè)系統(tǒng)。同一氣藏能量體系，應(yīng)該是儲(chǔ)層壓力相近、氣藏之間有烴類物質(zhì)交換、同處一流體壓力系統(tǒng)，并相鄰成藏。而流體壓力系統(tǒng)往往可以用地下水流體場(chǎng)來表征，因此，地下水流體場(chǎng)相同與否，可能是劃分不同體系的重要參考指標(biāo)。

因此，針對(duì)煤系地層中三種氣藏的空間疊置性，合理地劃分共探共采系統(tǒng)，將更有利于煤系“三氣”的勘探開發(fā)。

4 煤系“三氣”共探共采系統(tǒng)開采模式的討論

煤層氣、頁(yè)巖氣與致密砂巖氣儲(chǔ)層的低孔低滲性決定了在其開發(fā)過程中均需要采用水平井和水力壓裂技術(shù)，共探共采工作可充分利用同一套鉆井及水平壓裂工藝，進(jìn)而減少開采成本（圖2）。但是，由于煤層天然縫網(wǎng)發(fā)育，在壓裂施工中壓裂液漏失大，且容易形成多級(jí)裂縫，煤層壓裂所需排量比其他常規(guī)儲(chǔ)層高，而且煤層壓裂施工過程中不可避免地會(huì)造成傷害，另外“三氣”儲(chǔ)層跨度大，因此選擇合適的壓裂方案和壓裂液體系是實(shí)現(xiàn)“三氣”共采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖2 “三氣”共探共采示意圖

［1］ 張正喜，張慶輝，等.山西省煤層氣潛力評(píng)價(jià)報(bào)告［M］.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，2012.

［2］ 王學(xué)軍，宋儒，等.山西省頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查及評(píng)價(jià)報(bào)告［M］.山西省煤炭地質(zhì)局，2016.

［3］ 王建國(guó)，周紹強(qiáng)，等.石樓南區(qū)塊資源評(píng)價(jià)［M］.北京風(fēng)林石油科技有限公司，2013.

［4］ 琚宜文，等.我國(guó)煤層氣與頁(yè)巖氣富集特征與開采技術(shù)的共性與差異性［M］.2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2011.

［5］ 郭本廣，許浩，孟尚志，等.臨興地區(qū)非常規(guī)天然氣合探共采地質(zhì)條件分析［J］.中國(guó)煤層氣，2012，9（4）：3－6.

（責(zé)任編輯 桑逢云）

Three Gases Co-exploration and Co-mining of Sea-land Transition Phase Coal Measures in Shanxi Province

SU Yufei
（Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute，Shanxi030006）

Shanxi is rich in“the three gases”resources in coalmeasures.The resource conditions and same occurrence strata of abundant coalbed methane，shale gas and tight sandstone gas resources has establish the foundation of comprehensive exploration and development.According to their adjacent or interbedded occurrence strata，and the spatial superimposed relationship，researchers proposed the concept of the three gases co-exploration and co-mining.At the same time，the reliable theory and practical basis are not available for the feasibility，system division and themethods of coalbed methane，shale gas and tight sandstone gas co-exploration and co-mining in Shanxi.The article studies the theoretical feasibility of the three gases co-exploration and co-mining from the aspects of geological characteristics，accumulation rules，exploration methods，etc.

Coalmeasures；the three gases；coalbed methane；shale gas；tight sandstone gas；co-exploration and co-mining

2014年度山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目－煤層氣、頁(yè)巖氣資源潛力綜合評(píng)價(jià)及共探共采選區(qū)研究（MQ2014-02）

蘇育飛，男，碩士，工程師，主要從事頁(yè)巖氣、煤層氣、煤炭相關(guān)地質(zhì)及工作。