李五忠，孫　斌，孫欽平，楊焦生，張　義

(中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007)

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以煤系天然氣開發(fā)促進(jìn)中國煤層氣發(fā)展的對策分析

李五忠，孫斌，孫欽平，楊焦生，張義

(中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007)

摘要:為了提高中國煤層氣勘探開發(fā)程度，促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，分析了中國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀與面臨的問題，提出1 200 m以深煤層蘊(yùn)藏十分豐富的煤層氣資源，且多與致密砂巖氣疊合共生，展現(xiàn)了煤系天然氣廣闊的勘探開發(fā)前景。根據(jù)煤層氣及煤系砂巖氣開發(fā)特點(diǎn)，對煤層氣及煤系砂巖氣劃分為自生自儲型、內(nèi)生外儲型2類氣藏模式，提出將煤系的煤層與砂巖互層段，統(tǒng)一作為目的層進(jìn)行綜合評價(jià)，在垂向上拓展勘探開發(fā)空間，顯著增加資源豐度，同時(shí)煤層與砂巖立體壓裂改造也比單一煤層壓裂更能提高儲層改造效果，并提出煤系天然氣綜合勘探開發(fā)工作建議。

關(guān)鍵詞:煤系地層；煤層氣；致密砂巖氣；復(fù)合成藏；綜合勘探開發(fā)

目前中國煤層氣產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，已形成沁水、鄂東兩大產(chǎn)業(yè)基地，初步形成1 200 m以淺煤層氣勘探開發(fā)配套技術(shù)[1]，外圍蜀南、準(zhǔn)南、貴州等地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)也呈現(xiàn)出較好的形勢，并隨著勘探程度的提高及產(chǎn)能業(yè)務(wù)的增長，逐漸向深部拓展。但我國以往煤層氣勘探開發(fā)主要針對煤層，評價(jià)體系和勘探對象均主要考慮煤層[2-5]，對煤系天然氣缺乏整體考慮，既沒能充分利用好資源，又致使深部煤層氣勘探開發(fā)效果不佳；而煤系天然氣勘探開發(fā)主要針對砂巖儲層，對煤層氣較少考慮。本文根據(jù)我國煤層氣及煤系砂巖氣開發(fā)特點(diǎn)，提出煤系天然氣綜合勘探開發(fā)促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策與建議，對我國煤層氣勘探開發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1中國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀與面臨的問題

1.1中國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

受美國煤層氣成功開發(fā)的啟示，自20世紀(jì)80年代起，中國逐步在30多個(gè)煤層氣目標(biāo)區(qū)開展了前期評價(jià)，先后在柳林、開灤、晉城、兩淮、大城、豐城、冷水江等地開展煤層氣試驗(yàn)；2001年，在沁水獲得煤層氣勘探突破，發(fā)現(xiàn)沁水煤層氣田，提交中國第1個(gè)煤層氣探明地質(zhì)儲量；2006年，步入沁水煤層氣田規(guī)模建產(chǎn)和鄂東煤層氣田開發(fā)試驗(yàn)，逐步實(shí)現(xiàn)煤層氣規(guī)模開發(fā)。截至2014年底，中國累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲量6 266億m3，建成生產(chǎn)能力60億m3/a，在建產(chǎn)能約40億m3/a，2014年產(chǎn)量37億m3，已累計(jì)產(chǎn)氣150億m3。

1.2中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨的問題

經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，中國已基本形成以直井/叢式井壓裂為主的1 200 m以淺煤層氣勘探開發(fā)配套技術(shù)系列，并已經(jīng)在各開發(fā)區(qū)塊推廣應(yīng)用[6]。根據(jù)國內(nèi)外煤層氣文獻(xiàn)及勘探開發(fā)熱點(diǎn)地區(qū)資料顯示，絕大部分勘探開發(fā)活動(dòng)局限于煤層埋藏深度小于1 200 m，也是現(xiàn)有煤層氣技術(shù)經(jīng)濟(jì)可采的最大深度[7-8]。然而，根據(jù)煤層氣資源評價(jià)及探井資料表明，1 200 m以深煤層蘊(yùn)藏有十分豐富的煤層氣資源，約占全部煤層氣資源量的50%以上，多與致密砂巖氣疊合共生[9]，展現(xiàn)了深部煤層氣廣闊的勘探前景。隨著煤層氣勘探開發(fā)的深入，一些開發(fā)熱點(diǎn)地區(qū)為了尋找資源接替，將目標(biāo)瞄向深部煤層，逐漸顯示出了深部煤層氣的開采價(jià)值。

國家煤層氣勘探開發(fā)行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)目標(biāo)：建成3～4個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地，新增探明煤層氣地質(zhì)儲量1萬億m3，年產(chǎn)量200億m3。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要加強(qiáng)研究深部煤層氣的地質(zhì)特征、資源潛力及成藏條件，尋找有利區(qū)塊，探索出適宜的勘探開發(fā)技術(shù)及開采方式，為解放深部煤層氣巨大資源提供理論依據(jù)。

2中國煤系地層復(fù)合天然氣潛力分析

2.1中國煤層氣與煤系砂巖氣兼探的效果分析

煤系天然氣是指在含煤地層中生成、儲集形成的天然氣藏，包括煤層氣、砂巖氣、頁巖氣，其中以煤層氣、煤系砂巖氣最為普遍。中國煤系砂巖氣資源豐富，初步估算全國煤系砂巖氣資源量30.95萬億m3，約占全國天然氣總資源量的60%。煤系天然氣一般屬同一成藏體系、同一壓力系統(tǒng)，具備統(tǒng)一的開采條件。

近年來我國煤系天然氣綜合勘探見到實(shí)效，如鄂爾多斯盆地東部煤層氣與致密砂巖氣勘探、準(zhǔn)噶爾盆地東部煤層氣與致密砂巖氣勘探、雞西的薄煤層與砂巖互層勘探，都取得良好勘探效果。

鄂爾多斯盆地東緣煤系天然氣綜合勘探，煤層與致密砂巖共采均獲得高產(chǎn)。石樓西煤層埋深1 500～2 500 m，多口井日產(chǎn)5 000～220 000 m3；大寧—吉縣煤層埋深1 000～2 000 m，多口井合層排采日產(chǎn)2.1萬m3；延川南煤層埋深>1 450 m，單井日產(chǎn)氣穩(wěn)產(chǎn)2 000 m3以上；三交北煤層埋深1 200～2 200 m，單井穩(wěn)產(chǎn)1.8萬m3。

準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海地區(qū)煤層段與砂巖段合層壓裂排采，多口井取得工業(yè)氣流。彩17井2 811～2 828.8 m層段(煤層及頂板5 m砂巖)射孔，用126.8 m3原油壓裂，加石英砂10 m3，最高泵壓35 MPa，排液產(chǎn)氣9 890 m3；彩504井2 567～2 583 m煤層段壓裂后自噴、抽汲2 d后，煤層開始產(chǎn)氣，日產(chǎn)氣穩(wěn)定7 300 m3左右。

雞西盆地雞氣1井煤系地層鉆遇煤層62層，累計(jì)厚度69.6 m，其中最厚3 m，厚度>2 m的5層，厚度>1 m的34層。雞氣1井煤層與砂巖段共同壓裂試氣，實(shí)現(xiàn)吸附氣與游離氣共采，獲工業(yè)氣流，最高日產(chǎn)氣2 471 m3。

2.2中國深部煤層氣分布范圍及資源潛力

根據(jù)國土資源部新一輪油氣資源評價(jià)，我國埋深在1 200～2 000 m煤層氣資源量約為16.77萬億m3，占2 000 m以淺煤層氣資源量的45.6%[10]。此外據(jù)推測煤層埋深在2 000～3 000 m煤層氣資源量約為18.47萬億m3，合計(jì)埋深1 200～3 000 m煤層氣資源35.24萬億m3。我國煤系砂巖氣目的層埋深也多在1 200～3 000 m，因此煤系天然氣綜合勘探具有極大的資源潛力(表1)。

2.3煤層氣及煤系砂巖氣成藏模式

煤層氣及煤系砂巖氣可劃分自生自儲型、內(nèi)生外儲型2類氣藏模式(圖1)。自生自儲型以吸附態(tài)為主，合適的圈閉條件下形成自生自儲游離型煤層氣藏；內(nèi)生外儲型為煤層頂?shù)装迳皫r中的常規(guī)天然氣藏，多呈致密氣存在，可與煤層氣共采。

表1　中國埋深1 200～3 000 m煤層氣遠(yuǎn)景資源量

注：1 200～2 000 m煤層氣資源為資源評價(jià)數(shù)據(jù)；2 000～3 000 m為推測評價(jià)數(shù)據(jù)。

圖1　煤層氣及煤系天然氣成藏模式Fig.1　Diagram of hydrocarbon accumulation modes of CBM and natural gas of coal measure strata

(1)內(nèi)生外儲型。

鄂爾多斯盆地東部孤1井5號煤層頂?shù)装逯苯优c砂巖接觸，高成熟煤層中的游離氣大部分向頂部砂巖中運(yùn)移，在致密砂巖段富集成藏，少部分氣在煤層中賦存，形成理想的煤層氣與致密砂巖氣成藏富集區(qū)，形成內(nèi)生外儲型煤層氣藏模式。

(2)自生自儲型。

自生自儲型煤層氣藏模式分為吸附型和游離型。吸附型：沁水盆地鄭莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)已超過1 200 m，顯示了良好的前景。鄭試60井區(qū)，煤層厚度5.4 m，埋深1 336.9 m，平均日產(chǎn)氣2 100 m3。游離型：準(zhǔn)噶爾盆地彩南地區(qū)劃分為東道海子凹陷和白家海凸起，區(qū)內(nèi)發(fā)育石炭紀(jì)大斷裂和侏羅世北東向次級小斷裂，呈雁行排列，是該區(qū)煤層氣運(yùn)移的主要通道。煤層氣主要富集于白家海凸起的高部位。由于彩南地區(qū)斷裂非常發(fā)育，深部坳陷成熟煤層中生成的氣沿煤層向白家海凸起部位運(yùn)移富集成藏，形成自生自儲游離氣藏模式。

3煤層氣及煤系砂巖氣開發(fā)特點(diǎn)及對策

3.1煤層氣及煤系砂巖氣開發(fā)特點(diǎn)

煤層滲透性與地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，隨著埋藏深度和地應(yīng)力的增加，深部煤層滲透性變差[11]，1 200 m以深煤層原始滲透率一般低于1×10-3μm2，單一開采煤層則煤層氣井產(chǎn)量較低或難以長期維持高產(chǎn)，但如果與砂巖共采往往能取得較好效果。以往勘探思路突出煤層氣非常規(guī)性，單一吸附氣勘探，優(yōu)選高含氣厚煤層區(qū)域，這樣往往漏掉一些含氣性較好地薄煤層或薄煤層與含氣砂巖互層段。將煤系的薄煤層與砂巖互層段，作為統(tǒng)一勘探評價(jià)目標(biāo)，在垂向上拓展勘探空間，明顯增加了資源豐度，同時(shí)煤層與砂巖立體壓裂改造也比單一煤層壓裂更能較好地提高儲層改造效果，如鄂爾多斯盆地東部、準(zhǔn)東白家海地區(qū)、雞西盆地等?？傊合堤烊粴饩C合勘探的思路在垂向上拓展了煤層氣的勘探領(lǐng)域，正在成為目前重點(diǎn)勘探方向。

鄂爾多斯盆地東部是煤系天然氣綜合勘探最為優(yōu)越的地區(qū)。區(qū)內(nèi)主力煤層為山西組5號煤層及太原組8號煤層，煤層單層厚度大于3 m，局部厚15 m，煤巖變質(zhì)程度由北向南逐漸變高，Ro介于0.6%～3.2%，埋深1 200～2 000 m煤層氣資源2.749萬億m3；2 000 m以深煤層氣資源7.97萬億m3。其中神木地區(qū)煤層總厚度10～25 m，含氣量8.23～19.95 m3/t ，發(fā)育3套煤系砂巖，5號煤頂部直接與砂巖接觸，砂巖中形成致密氣富集區(qū)，為理想的煤層氣與致密氣復(fù)合成藏富集區(qū)。神木地區(qū)煤層埋深300～2 000 m的總面積5 095 km2，煤層氣總資源量7 577.8億m3，資源豐度1.55億m3/km2。三套砂體致密砂巖氣總資源量為8 220億m3，資源量豐度0.53億m3/km2。

準(zhǔn)噶爾盆地白家海地區(qū)為油氣富集區(qū)，現(xiàn)有資料顯示該區(qū)具有豐富的煤層氣、致密砂巖氣資源。研究區(qū)致密氣主要發(fā)育于八道灣組，八道灣組發(fā)育1～10層煤，平均煤厚20 m，煤層埋深900～3 300 m，總體呈東淺西深展布，東部最淺、西南最深。煤層熱演化進(jìn)入成熟階段，深部煤層Ro達(dá)到1.0%。初步評價(jià)準(zhǔn)噶爾彩南地區(qū)埋深3 000 m以淺含氣面積約8 000 km2，煤層氣資源16 587億m3；致密砂巖氣的有利區(qū)域?yàn)?00 km2，預(yù)測資源量為4 580億m3。

雞西盆地位于黑龍江省東南部，為我國著名煤炭生產(chǎn)基地，該區(qū)煤層瓦斯含量高，煤層氣資源潛力大。雞西盆地含煤地層為白堊系下統(tǒng)穆棱組和城子河組，煤層層數(shù)多，單層薄，多與砂巖互層，煤與砂巖互層段厚度達(dá)幾十到數(shù)百米。穆棱組含煤20余層，薄煤層為主，可采煤層累厚0.70～4.57 m，一般1～3.0 m；城子河組含煤20～70層，單層厚度薄，可采煤層累厚4.88～17.23 m，最厚超過50 m。煤層埋深一般500～1 500 m，局部超過2 000 m，初步評價(jià)煤層氣資源1 747.2億m3。雞西盆地天然氣勘探程度較低，致密氣資源有待評價(jià)。

3.2煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發(fā)對策

為達(dá)到一井多氣、提高單井產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本目的，煤系地層中煤層段與砂巖段應(yīng)采用合層開采的開發(fā)方式，增產(chǎn)改造可根據(jù)實(shí)際情況采用分層改造、煤層段與鄰近砂巖段合層改造(有利于造縫和壓裂縫在煤巖延伸)的方式[12-13]，如美國的皮森斯盆地在富含煤層氣—砂巖氣層段進(jìn)行分壓合排，數(shù)十至上百米厚的煤層—砂巖同時(shí)動(dòng)用，直井單井日產(chǎn)氣均達(dá)到數(shù)萬立方米，最高20萬m3以上。

而對于煤層段與砂巖段壓力差異大造成明顯層間干擾、砂巖段高含水導(dǎo)致共采時(shí)煤層降壓難影響共采效果的[14]，為提高初期氣體產(chǎn)量，可采用先期開采高壓層或煤層、后期適當(dāng)時(shí)機(jī)打開其他層接替的方式進(jìn)行開發(fā)[15]。

3.3煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發(fā)工作建議

(1)設(shè)立煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發(fā)專項(xiàng)研究。

從煤層氣與煤系砂巖氣資源分布、成藏機(jī)理[16]、勘探開發(fā)技術(shù)、開發(fā)方案與經(jīng)濟(jì)效益等多方面研究，形成基礎(chǔ)可靠、技術(shù)可行、效益可觀的整套研究。

(2)開展煤層氣與煤系砂巖氣風(fēng)險(xiǎn)勘探和工藝技術(shù)試驗(yàn)。

以鄂爾多斯盆地東部、準(zhǔn)噶爾盆地東部、雞西-勃利地區(qū)為重點(diǎn)，優(yōu)選煤系地層綜合勘探有利區(qū)，開展風(fēng)險(xiǎn)勘探，落實(shí)勘探開發(fā)潛力。同時(shí)開展煤及砂巖互層段多層壓裂、分層排采等工藝技術(shù)試驗(yàn)，為煤系天然氣綜合開發(fā)儲備技術(shù)。

4結(jié)論

(1)中國深部煤層氣資源豐富，多與煤系砂巖氣共生，具有極大的勘探潛力，并在部分地區(qū)立體勘探見到實(shí)效。

(2)煤層氣及煤系砂巖氣可劃分自生自儲型、內(nèi)生外儲型2類氣藏模式。自生自儲型以吸附態(tài)為主，合適的圈閉條件下形成自生自儲游離型煤層氣藏；內(nèi)生外儲型在煤層頂?shù)装逯旅苌皫r中富集成藏，可與煤層氣共采。

(3)將煤層與煤系砂巖互層段作為統(tǒng)一評價(jià)目標(biāo)，在垂向上拓展勘探空間，增加資源豐度；同時(shí)煤層與砂巖立體壓裂有利于儲層改造，提高深部煤層氣開發(fā)效益。

(4)建議以鄂爾多斯盆地東部、準(zhǔn)噶爾盆地東部、雞西-勃利地區(qū)為重點(diǎn)，優(yōu)選煤層氣及煤系砂巖氣綜合勘探有利區(qū)，開展煤及砂巖互層段多層壓裂、分層排采等工藝技術(shù)試驗(yàn)，為煤系天然氣綜合勘探開發(fā)儲備技術(shù)。

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Analysis on coal-bed methane development based on coal measure gas in China and its countermeasure

LI Wu-zhong,SUN Bin,SUN Qin-ping,YANG Jiao-sheng,ZHANG Yi

(LangfangPetrochinaResearchInstitute,PetroleumExplorationandDevelopment,Langfang065007,China)

Abstract:For further improvement of the degree of coal-bed methane (CBM) exploration and development and accelerating the development of CBM industry,the present situation and existing problems of CBM exploration and development are analyzed in detail in this paper.It is potential for prospecting and exploitation that the CBM resources of which burial depth deeper than 1 200 m are abundant and commonly with tight sandstone gas composite symbiosis in China.According to the development features of CBM and coal measures sandstone gas,there are two types of the gas reservoir models,the one,gas self-generated and self-stored in reservoir,the other,gas internally generated but externally stored in reservoir.As a result,the coal seams and sandstone intervals should be unified as target layers integrated studied,then,the CBM exploration area in vertical direction will be expanded,the resource abundance can be increased,and the reservoir stimulation effect is much better than fractured in only coal seams.Such suggests as exploring and developing these complex natural gas in deep coal measure strata for promoting the development of CBM industry are finally presented.

Key words:coal measure gas;CBM;tight sandstone gas;combined reservoir;comprehensive exploration

中圖分類號:P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0067-05

作者簡介:李五忠(1967—)，男，河北容城人，高級工程師，博士。Tel：010-69213106，E-mail：lwzmcq69@petrochina.com.cn

基金項(xiàng)目:國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05033-003)

收稿日期:2015-08-09修回日期:2015-11-02責(zé)任編輯:許書閣

李五忠，孫斌，孫欽平，等.以煤系天然氣開發(fā)促進(jìn)中國煤層氣發(fā)展的對策分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):67-71.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9008

Li Wuzhong,Sun Bin,Sun Qinping,et al.Analysis on coal-bed methane development based on coal measure gas in China and its countermeasure[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):67-71.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9008