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”綜合勘探開發奠定了基礎。鑒于三者層位相鄰或呈互層狀產出，三種氣藏的疊置性，許多專家學者提出了共探共采的概念，但對于山西省頁巖氣－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、如何進行共同勘探與共同開發，目前尚無可靠理論方法與實際依據。本文將從山西省“三氣”的地質特征、富集規律、勘探開發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 頁巖氣 致密砂巖氣 共探共采

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

頁巖、煤層與致密砂巖層均為低孔、低滲非常規天然氣儲層，在后期開發過程中均需要水力壓裂。頁巖氣－煤層氣－致密砂巖氣的共探共采可將頁巖儲層、煤儲層及致密砂巖儲層共同壓裂，同時形成頁巖氣流通、煤層氣流通與致密砂巖氣流通的人工裂隙。因此實現煤層氣、頁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約非常規氣的勘探開發成本，同時亦有巨大的環保意義與能源戰略價值。

許多專家學者提出了共探共采的概念，但對于山西省頁巖氣－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、如何進行共同勘探與共同開發，目前尚無可靠理論方法與實際依據。本文將從山西省“三氣”的地質特征、富集規律、勘探開發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東煤田為我國煤層氣勘探開發最為成功的地區，具有詳細的煤層氣地質資料。

山西省煤層含氣量區域上總體具有南北分區、東西分帶的展布規律。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；含煤區自東向西可劃分三個聚氣帶，含氣量表現為東西兩帶高，中帶低的特點。含氣量垂向上具有自上而下含氣量增高的趨勢。東帶煤層氣井實測含氣量一般大于12m3／t，煤田鉆孔甲烷濃度普遍在80%以上，實測含氣量一般大于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，實測含氣量一般小于8m3／t；西帶煤層氣井實測含氣量一般大于10m3／t，煤田鉆孔甲烷濃度普遍大于80%，實測含氣量一般在8m3／t以上。

山西省煤儲層的儲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層。上主煤層平均儲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以淺煤層氣預測資源總量83097.86億m3（表1），沁水、河東、霍西、西山、寧武預測資源量分別為53915.01億m3、21494.29億m3、2366.37億m3、1332.02億m3和3990.17億m3；

表1 2000m以淺煤層氣預測資源總量匯總表

煤層氣開發最有利區主要分布在沁水煤田南部潘莊、大寧二號井田附近；河東煤田中部三交－柳林一帶及南部大寧－蒲縣－鄉寧一帶。煤層氣開發有利區主要分布在沁水煤田北部壽陽－陽泉－昔陽一帶，南部長子－陽城一帶，西部平遙－沁源－安澤一帶；河東煤田北部保德附近、河東煤田中南部臨縣－石樓－隰縣－大寧－鄉寧一帶；西山煤田中南部及寧武煤田中南部地區。

1.2 頁巖氣資源概況

山西省富有機質泥頁巖總厚較大，但單層厚度較小，各層段中泥頁巖厚度一般在10～50m范圍內。在各含煤盆地中，沁水盆地與河東煤田泥頁巖厚度較大，其中，沁水盆地第Ⅱ層段與河東煤田第Ⅳ層段暗色泥頁巖發育最好，大部分區域泥頁巖厚度大于30m；大同煤田在各含煤盆地中泥頁巖厚度最小，各層段泥頁巖厚度一般在30m以下。

有機質類型以Ⅲ型為主，有機質顯微組分主要為鏡質組與惰質組；TOC含量較高，大部分處于2%～4%之間，有機質成熟度也同樣較高，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，表明地史時期中已有大量的熱解氣生成；礦物成分以黏土礦物、石英、長石、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，脆性系數在40%左右；孔隙度一般在1.0%～9.0%之間，泥頁巖中以小于100nm的孔隙最為發育，滲透率在0.00014～0.01421mD之間。不同樣品泥頁巖最大吸附量值差距較大，靠近煤層的炭質頁巖吸附量一般在3m3／t以上，而距離煤層較遠的暗色泥巖最大吸附量一般處于0.5～1.9m3／t之間。頁巖氣勘探開發有利區的頁巖儲層埋深處于1000m以深。

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

表2 山西省各盆地頁巖氣有利區面積及資源量

1.3 致密氣資源概況

致密砂巖氣傳統上被劃分到常規天然氣當中，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須家河組兩大致密氣現實區。鄂爾多斯盆地上古資源量6.4×1012m3，探明儲量1.4×108m3，探明率22%。

我省河東煤田位于鄂爾多斯盆地東緣，發育的砂巖具有層數多、分布廣的特點，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育，其中石千峰組最為發育，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層。優質致密產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；構造上處于相對構造高點或靠近構造高點的位置；垂向、側向上有泥巖或致密層封堵。河東煤田臨興地區2014年累計試氣28層段，下石盒子組和太原組均有超過日產10萬m3以上的試氣井。

山西省豐富的煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣資源條件及相同的賦存層位，為煤系“三氣”綜合勘探開發奠定了堅實的基礎。

2 “三氣”成藏機理

煤層氣、頁巖氣與致密砂巖氣是非常規天然氣藏的重要類型。其中，煤層氣具有典型的吸附成藏機理，頁巖氣具備多重氣藏的成藏特征，致密砂巖氣為他源型，源儲緊鄰，儲層為致密砂體。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 煤系三氣成藏機理對比

煤系是指一套在成因上有共生關系并含有煤層或煤線的沉積體系。具有有機質含量高、旋回性強、III型干酪根為主、儲集層陸源物質豐富、經歷多期構造運動等特征。其是煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣“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基礎。縱向上，表現出頁巖氣與煤層氣相互成藏的特征，煤系提高了整個頁巖氣藏的含量，而頁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”在煤系剖面上表現為多層疊置的獨立儲層群和混合儲層群，海陸交互相煤系以多層疊置頁巖氣與煤層氣儲層為主（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了氣測顯示現象，但由于泥巖和砂巖的單層厚度薄或巖性過細而被忽略了其開采的價值性。由于頁巖系統中含有同樣產氣的薄煤層（＜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，多余的氣體會就近運移并保存在鄰近的富有機質泥頁巖中，可以作為頁巖氣藏的另一個氣源來源，豐富了頁巖氣成藏，同時，頁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特征圖

理論上來說，煤系既可作為常規天然氣的氣源巖，又可以吸附在煤層與頁巖層里形成煤層氣與頁巖氣，也可以運移到砂巖中形成砂巖氣。這些泥頁巖層、煤層、致密砂巖儲集層可能由于單層厚度較薄，單獨開發的經濟性存在疑問，但是由于這些地層往往在空間上存在相互疊置的特點，總的資源量較為可觀，進行多層的聯合開發可能具有更高的經濟效益。并且，煤化作用－構造作用－地質環境條件的時空耦合關系，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”綜合勘探為主導已成為共性，并對比分析“三氣”之間的共性與差異，探索綜合勘探開發技術。

3 煤系“三氣”共探共采體系劃分

在煤層氣、頁巖氣與致密砂巖氣共探共采中會產生人工裂隙溝通煤層氣藏、頁巖氣藏與致密砂巖氣藏，若三者不屬于統一能量體系，三者氣藏連通后會導致層間干擾，氣藏能量會發生層間的轉移，從而影響非常規天然氣生產。因此，在聯合共采中，煤層氣－頁巖氣－致密砂巖氣能量體系是否一致，是實現共采的先決條件。在共探中需要研究煤層氣藏、頁巖氣藏與致密砂巖氣藏能量體系，并進行體系的劃分。

能量體系中，儲層空間疊置性、氣藏特征是最重要的兩個因素。儲層空間疊置性要求各氣藏緊鄰，儲層間不能存在厚度較大的隔層。山西省的煤系地層中，致密砂巖儲層主要位于上石盒子地層中，與煤層氣、頁巖氣儲層距離較遠，可能為一個獨立的氣體壓力系統，可以單獨進行開采；而山西組主采煤層上覆及下伏巖層主要為泥頁巖儲層，山西省頁巖氣地質調查及評價項目中所劃分的第Ⅰ層段、山西組主采煤層、第Ⅱ層段，三者緊鄰，有利于煤層氣－頁巖氣的共探共采。而太原組主采煤層頂板一般為石灰巖層，若厚度較大，則上覆的頁巖氣藏與煤層氣藏可能不再屬于一個氣體壓力系統，不利于煤層氣與頁巖氣的共采。

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

因此，針對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，將更有利于煤系“三氣”的勘探開發。

4 煤系“三氣”共探共采系統開采模式的討論

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

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價報告［M］.山西省煤炭地質勘查研究院，2012.

［2］ 王學軍，宋儒，等.山西省頁巖氣地質調查及評價報告［M］.山西省煤炭地質局，2016.

［3］ 王建國，周紹強，等.石樓南區塊資源評價［M］.北京風林石油科技有限公司，2013.

［4］ 琚宜文，等.我國煤層氣與頁巖氣富集特征與開采技術的共性與差異性［M］.2011年煤層氣學術研討會論文集，2011.

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

（責任編輯 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科技攻關項目－煤層氣、頁巖氣資源潛力綜合評價及共探共采選區研究（MQ2014-02）

蘇育飛，男，碩士，工程師，主要從事頁巖氣、煤層氣、煤炭相關地質及工作。