美國煤層氣和頁巖氣勘探開發現狀及對我國的啟示

李世臻，曲英杰

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083;2.國土資源部油氣資源戰略研究中心，北京 100034)

全世界非常規天然氣資源儲量巨大，但由于成藏條件復雜，研究程度低，加之技術條件的限制，多數國家一直沒有實現大規模的商業性開發，但其卻是今后最有希望和最現實的重要能源資源。近二十年來，巨大的能源需求、不斷增長的能源價格、持續進步的油氣勘探開發理論和技術，以及環保的要求，推動并加快了非常規天然氣工業在美國的發展。美國已走在了世界前列，非常規天然氣產量也位居全世界第一位，在美國能源結構里發揮著重要的作用。2000年，非常規天然氣產量占天然氣總產量的27%，美國能源情報署(EIA)預計到2030年，此比例將達到56%[1]。

非常規天然氣因研究的角度不同，不同的學者對其有不同的理解和定義。早期主要是從經濟角度分析，將其認為是現有技術條件下不可經濟開采的天然氣聚集。但隨著能源價格的增長和技術的進步(如壓裂、水平井、多支井技術等)，這些天然氣氣藏逐漸能夠商業性開采[2]。20世紀80年代，美國政府定義了致密氣藏，認為氣體流通的儲層滲透率值應小于0.1×10-3μm2，政府或州用以來決定給某些產氣井課稅扣除，這個定義其實更大程度上是一個政治定義[3]；從地質角度，是指一般不受浮力驅動聚集的氣藏，缺少底水，它們在區域上呈連續彌散的聚集，常常與構造和地層圈閉無關[2, 4]。為了更多的從地質上對常規油氣和非常油氣加以區別，美國地質調查局(USGS)曾在1995年美國油氣資源評價中，提出“連續油氣藏”(Continuous Accumulation)的概念[5]，認為“連續型”油氣藏是低孔滲儲集體系中，明顯不受水力驅動、無邊底水、大面積分布的單一油氣聚集。顯然，地質角度定義的非常規天然氣藏，即是“連續型”氣藏。目前，一般認為地質角度的非常規天然氣應包括煤層氣、頁巖氣。本文概述前兩者在美國的研究進程和勘探開發現狀，以期對中國的非常規天然氣資源勘探和開發有所啟示。

1 煤層氣

1.1 概念和特征

煤層氣俗稱瓦斯，又名煤層甲烷，氣體主要成份為甲烷，含量組成為80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2S、SO2。中高級煤層氣主要以吸附態賦存于煤層孔隙表面，另外煤層裂隙與煤層水中存在少許游離氣與溶解氣。煤層割理及裂隙中的煤層氣與煤層水形成特殊的水動力系統，只有當儲層壓力低于解吸壓力時，煤層氣才能解吸出來。

1.2 研究歷程

美國早期對煤層氣的研究，主要關注于瓦斯爆炸的控制或預測技術，直到20世紀70年代，開始認識到煤層氣是一種可以經濟利用的能源資源。賓夕法尼亞地區采煤之前，通過鉆孔釋放煤層氣，收集獲得的煤層氣用于當地的煤礦運轉。80年代，石油天然氣公司開始注意到這一非常規天然氣的商業價值，開始大規模的投入，研究內容開始轉向煤層氣的源巖、成因、分布、生產能力、采收率等方面[6, 7]，許多石油公司也由此開始將鉆孔改為鉆探產氣井。20世紀80年代初，美國在與西部落基山造山帶和東部阿巴拉契亞造山帶相關的13個含煤盆地群中，啟動了煤層氣成藏條件研究，引發了對于“排水-降壓-解吸-擴散-滲流”煤層氣產出機制認識的突破，使得煤層氣勘探開發在各個盆地成功開展。煤層氣的早期勘探，主要強調熱成因的重要性。至20世紀90年代中期，粉河盆地低煤階Fort Union煤層生物成因氣的商業性開發，修正了煤層氣的成因理論，即煤層氣不僅可以形成于煤化作用階段(熱成因)，同樣也可以形成于煤化作用的早期階段(生物成因)，甚至是晚期階段(次生生物成因)。同時，美國煤層氣地面開發取得成功，也得益于其含煤盆地具有穩定的區域構造背景，在整體穩定的構造背景之下，煤層氣主要集中發育于構造相對活動的地區。

1.3 勘探開發現狀

美國的煤層氣主要產出于賓夕法尼亞系、白堊系和三疊系，美國最早的實驗區是在黑勇士盆地和圣胡安盆地開展。在1995年，90%以上的煤層氣產自于阿拉巴馬黑勇士盆地的賓夕法尼亞系地層和科羅拉多與新墨西哥圣胡安盆地的白堊系地層[8]。現代勘探開發技術的成功推廣，現在美國的17個盆地都有煤層氣產出，但主要產量來自圣胡安盆地、粉河盆地和黑勇士盆地(表1)。截至2006年，三者煤層氣歷史累計產量約占87%[14]。2000年，美國煤層氣的產量是390.5×108m3，占美國天然氣當年產量的9.2%；2008年，美國煤層氣產量是556.7×108m3，占美國天然氣當年產量的9.6%。

1.4 評價內容

煤層氣藏的評價，一般應包括以下內容：煤層厚度、埋深、面積；割理和裂隙；煤層滲透率；氣含量、吸附能力；煤階 (鏡質體反射率/成熟度)；構造條件；水動力環境；保存條件[9-11]。

表1 美國煤層氣勘探概況

2 頁巖氣(Shale gas)

2.1 概念和特征

頁巖氣現在通常被認為是主體上以吸附和游離狀態同時賦存于具有生烴能力泥巖及頁巖等地層中的天然氣聚集，具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質特點。與致密砂巖氣不同，頁巖氣開發雖然產能低，但具有開采壽命長和生產周期長的優點。大部分產氣頁巖，由于分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使得頁巖氣資源量巨大。因而，頁巖氣井能夠長期地以穩定的速率產氣，一般開采壽命為30～50年，長者甚至能達80年。

2.1 研究歷程

美國頁巖氣開采已接近有200年的歷史，第一口頁巖氣井可追溯到1821年[12]，鉆遇層位為泥盆系Dunkirk頁巖，井深8.2m。19世紀80年代，美國東部地區的泥盆系頁巖，因臨近天然氣市場，在當時已經有相當大的產能規模，但此后產業一直不甚活躍[18]。直到20世紀70年代末，因為國際市場的高油價以及非常規油氣概念的興起，頁巖氣受到很高的研究重視。當時主要是針對于Fort Worth盆地的Barnett頁巖的深入研究，Mitchell能源公司1981年在該地區完鉆了第一口取心評價井[19]，大膽地對Barnett頁巖段進行了氮氣泡沫壓裂改造，從而發現了Barnett頁巖氣田。

2.3 勘探開發現狀

2000年以來，頁巖氣勘探開發技術不斷提高，并得到了廣泛應用，同時加密的井網部署，使頁巖氣的采收率提高了20%，鉆井數連年迅速增長，年生產量迅速攀升(圖1)[20, 21]。美國的頁巖主要發育在20個州21個大小不等的盆地里。最近的估算，美國頁巖氣資源量為42×1012～52.6×1012m3，但目前商業性開采的頁巖氣主要產自5個盆地(表2)。

圖1 美國非常規天然氣歷年產量變化曲線圖

表2 美國含氣頁巖主要特征(Bustin R. M.，2005，有修改)

Barnett頁巖是當前美國頁巖氣的主力層位[22, 23]，也是目前各國頁巖氣勘探開發學習的樣本。據USGS最新的統計，其資源量約0.74×1012m3，產量在2005年已經超過美國頁巖氣產量的一半，現在所占比例更高。Barnett頁巖是下石炭統的一套黑色富含有機質頁巖，有些含鈣質、磷質或白云石，沉積于富營養、較深水的內陸湖盆邊岸環境[24]，有機碳含量高，厚度大，且具有較高的鏡質體反射率[25]，生氣類型主要屬于熱成因[26]。Barnett頁巖主要分布在德克薩斯州中北部的Fort Worth盆地，厚度在盆地的不同位置不等，最厚可達305m，整套頁巖發育面積約有5000km2，主要被上覆灰巖所覆蓋[27]。Barnett頁巖現在的生產井已超過8000口，既有直井，也有水平井，日產量超過1.05×108m3，預計到2014年日產量將達到1.84×108～2.75 ×108m3。

2.4 評價內容

頁巖氣的評價,一般應包括以下內容：頁巖的深度、厚度和邊界；有機質類型和含量、有機質的熱成熟度和吸附能力；成因類型(生物成因、熱成因、混合成因)、數量、天然氣成分(CH4、CO2、N2)；孔隙結構和分布；巖石礦物成分[28]。

3 對我國的相關啟示

3.1 充分認識煤層氣和頁巖氣等非常規天然氣資源的戰略地位和重大研究意義

中國煤層氣和頁巖氣資源量巨大，與美國相比不相上下(表3)。我國是世界第二大煤炭資源國，煤炭資源量巨大。據新一輪全國油氣資源評價顯示，煤層氣地質資源量是36.8×1012m3，略高于常規天然氣的地質資源量(35×1012m3)[29]。雖然目前沒有對我國頁巖氣資源量進行評價，但頁巖地層在各地質歷史時期廣泛發育，既有有機質豐度達很好-極好標準的南方海相頁巖地層，也有得天獨厚的北方湖相頁巖地層[30]。據國外有關專家預測，我國頁巖氣資源量為99.9×1012m3，遠高于常規天然氣資源量。

煤層氣和頁巖氣資源作為重要補充資源，大規模的開發一旦實現，將在保障能源安全、降低對外依存度、緩解天然氣需求緊張局面等方面起到積極作用；作為新類型資源，在我國當前的研究程度還很低，通過研究可摸清各地區特有的地質條件和規律、提高地質理論認識水平、推動關鍵技術進步、培養該領域創新性人才；作為商業性資源，其勘探開發必將拉動整個行業及相關產業的發展、增加就業機會、促進經濟快速發展。可以預言，開展煤層氣和頁巖氣研究，必將為我國社會帶來重要的經濟效益和社會效益。

表3 中國與美國煤層氣和頁巖氣資源量對比(據EIA，新一輪油氣資源評價結果等)

3.2 著力解決當前階段煤層氣和頁巖氣的關鍵地質和技術問題

煤層氣、頁巖氣在美國都已實現商業性的開發，但在我國其勘探開發和研究程度都很低，同時也各不相同。應有針對性的找準關鍵性問題，借鑒美國先進的經驗，根據我國實際，創新地質理論，攻克技術難題，以此指導和推進各類非常規天然氣快速有效的勘探開發。

煤層氣處于開發試驗階段，個別盆地有小規模的商業性開采。與美國相比，我國的含煤盆地成煤年代早、后期構造運動改造大、儲層非均質性強，煤層氣成藏和富集規律更為復雜。總結煤層氣形成機理和分布規律，深入分析煤-水-氣的耦合關系，發展高、低煤階的煤層氣開采技術和低滲透性煤層的改造技術，是有效促進煤層氣大規模商業性開采的關鍵所在。

頁巖氣目前還處于探索研究階段。至今尚無一家機構對我國的頁巖氣資源進行整體系統的調查評價，對我國的頁巖氣資源的認識程度還遠遠不夠，有利勘探開發區域和層系尚不明晰。通過開展頁巖氣資源的戰略調查和資源評價工作，查清我國的頁巖氣資源狀況，建立我國頁巖氣調查與選區的技術標準，在此基礎上評價優選勘探開發有利目標區和富集區，使我國的頁巖氣盡快實現商業性開發。

3.3 深入研究現實國情下的煤層氣和頁巖氣勘探開發和管理政策

對于煤層氣，國家規劃方面、管理方面和財稅價格方面，近幾年出臺了一系列的相關決定、通知和意見[31]，對加快煤層氣的勘探開發到起了積極作用。但同時，在煤層氣產業的發展過程中，仍存在著一些問題，諸如煤炭和煤層氣的礦業權疊置，導致相關部門和企業的管理權限分歧和利益沖突。而對于剛剛起步的頁巖氣，包括礦業權、頁巖氣價格、稅收、專項研究基金、市場準入資格、環境等方面的各項政策都尚未建立[32]，這需要我國政策制定者根據我國的現實國情，及時開展調研，借助煤層氣的成功經驗和失敗教訓，未雨綢繆，建立健全法律法規，引導和推動頁巖氣產業化健康化發展。同時，統籌非常規能源管理，能有效的規避礦區內勘探開發中的各種問題和矛盾，而統籌加強天然氣管網建設，亦能加快非常規天然氣的勘探開發步伐，促進我國經濟發展。

致謝：在論文的完成過程中，中石化勘探開發研究院的博士后聶海寬同志提供了許多建設性的意見和建議，在此表示衷心感謝。

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