以煤系天然氣開發促進中國煤層氣發展的對策分析

李五忠，孫　斌，孫欽平，楊焦生，張　義

(中國石油勘探開發研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007)

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以煤系天然氣開發促進中國煤層氣發展的對策分析

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程度，促進煤層氣產業發展，分析了中國煤層氣勘探開發現狀與面臨的問題，提出1 200 m以深煤層蘊藏十分豐富的煤層氣資源，且多與致密砂巖氣疊合共生，展現了煤系天然氣廣闊的勘探開發前景。根據煤層氣及煤系砂巖氣開發特點，對煤層氣及煤系砂巖氣劃分為自生自儲型、內生外儲型2類氣藏模式，提出將煤系的煤層與砂巖互層段，統一作為目的層進行綜合評價，在垂向上拓展勘探開發空間，顯著增加資源豐度，同時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工作建議。

關鍵詞:煤系地層；煤層氣；致密砂巖氣；復合成藏；綜合勘探開發

目前中國煤層氣產業穩步發展，已形成沁水、鄂東兩大產業基地，初步形成1 200 m以淺煤層氣勘探開發配套技術[1]，外圍蜀南、準南、貴州等地區煤層氣勘探開發也呈現出較好的形勢，并隨著勘探程度的提高及產能業務的增長，逐漸向深部拓展。但我國以往煤層氣勘探開發主要針對煤層，評價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效果不佳；而煤系天然氣勘探開發主要針對砂巖儲層，對煤層氣較少考慮。本文根據我國煤層氣及煤系砂巖氣開發特點，提出煤系天然氣綜合勘探開發促進煤層氣產業發展的對策與建議，對我國煤層氣勘探開發與產業發展具有重要意義。

1中國煤層氣勘探開發現狀與面臨的問題

1.1中國煤層氣勘探開發現狀

受美國煤層氣成功開發的啟示，自20世紀80年代起，中國逐步在30多個煤層氣目標區開展了前期評價，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；2001年，在沁水獲得煤層氣勘探突破，發現沁水煤層氣田，提交中國第1個煤層氣探明地質儲量；2006年，步入沁水煤層氣田規模建產和鄂東煤層氣田開發試驗，逐步實現煤層氣規模開發。截至2014年底，中國累計探明煤層氣地質儲量6 266億m3，建成生產能力60億m3/a，在建產能約40億m3/a，2014年產量37億m3，已累計產氣150億m3。

1.2中國煤層氣產業化發展面臨的問題

經過多年持續攻關研究和現場試驗，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配套技術系列，并已經在各開發區塊推廣應用[6]。根據國內外煤層氣文獻及勘探開發熱點地區資料顯示，絕大部分勘探開發活動局限于煤層埋藏深度小于1 200 m，也是現有煤層氣技術經濟可采的最大深度[7-8]。然而，根據煤層氣資源評價及探井資料表明，1 200 m以深煤層蘊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]，展現了深部煤層氣廣闊的勘探前景。隨著煤層氣勘探開發的深入，一些開發熱點地區為了尋找資源接替，將目標瞄向深部煤層，逐漸顯示出了深部煤層氣的開采價值。

國家煤層氣勘探開發行動計劃(2014—2020年)目標：建成3～4個煤層氣產業化基地，新增探明煤層氣地質儲量1萬億m3，年產量200億m3。要實現這一目標，需要加強研究深部煤層氣的地質特征、資源潛力及成藏條件，尋找有利區塊，探索出適宜的勘探開發技術及開采方式，為解放深部煤層氣巨大資源提供理論依據。

2中國煤系地層復合天然氣潛力分析

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，具備統一的開采條件。

近年來我國煤系天然氣綜合勘探見到實效，如鄂爾多斯盆地東部煤層氣與致密砂巖氣勘探、準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。石樓西煤層埋深1 500～2 500 m，多口井日產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2.1萬m3；延川南煤層埋深>1 450 m，單井日產氣穩產2 000 m3以上；三交北煤層埋深1 200～2 200 m，單井穩產1.8萬m3。

準噶爾盆地東部白家海地區煤層段與砂巖段合層壓裂排采，多口井取得工業氣流。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，煤層開始產氣，日產氣穩定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，實現吸附氣與游離氣共采，獲工業氣流，最高日產氣2 471 m3。

2.2中國深部煤層氣分布范圍及資源潛力

根據國土資源部新一輪油氣資源評價，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、內生外儲型2類氣藏模式(圖1)。自生自儲型以吸附態為主，合適的圈閉條件下形成自生自儲游離型煤層氣藏；內生外儲型為煤層頂底板砂巖中的常規天然氣藏，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煤層氣遠景資源量

注：1 200～2 000 m煤層氣資源為資源評價數據；2 000～3 000 m為推測評價數據。

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)內生外儲型。

鄂爾多斯盆地東部孤1井5號煤層頂底板直接與砂巖接觸，高成熟煤層中的游離氣大部分向頂部砂巖中運移，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，形成內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：沁水盆地鄭莊區塊煤層氣開發已超過1 200 m，顯示了良好的前景。鄭試60井區，煤層厚度5.4 m，埋深1 336.9 m，平均日產氣2 100 m3。游離型：準噶爾盆地彩南地區劃分為東道海子凹陷和白家海凸起，區內發育石炭紀大斷裂和侏羅世北東向次級小斷裂，呈雁行排列，是該區煤層氣運移的主要通道。煤層氣主要富集于白家海凸起的高部位。由于彩南地區斷裂非常發育，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特點及對策

3.1煤層氣及煤系砂巖氣開發特點

煤層滲透性與地應力狀態密切相關，隨著埋藏深度和地應力的增加，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量較低或難以長期維持高產，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性，單一吸附氣勘探，優選高含氣厚煤層區域，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，作為統一勘探評價目標，在垂向上拓展勘探空間，明顯增加了資源豐度，同時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、準東白家海地區、雞西盆地等。總之煤系天然氣綜合勘探的思路在垂向上拓展了煤層氣的勘探領域，正在成為目前重點勘探方向。

鄂爾多斯盆地東部是煤系天然氣綜合勘探最為優越的地區。區內主力煤層為山西組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。其中神木地區煤層總厚度10～25 m，含氣量8.23～19.95 m3/t ，發育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，為理想的煤層氣與致密氣復合成藏富集區。神木地區煤層埋深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。

準噶爾盆地白家海地區為油氣富集區，現有資料顯示該區具有豐富的煤層氣、致密砂巖氣資源。研究區致密氣主要發育于八道灣組，八道灣組發育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。煤層熱演化進入成熟階段，深部煤層Ro達到1.0%。初步評價準噶爾彩南地區埋深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域為900 km2，預測資源量為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基地，該區煤層瓦斯含量高，煤層氣資源潛力大。雞西盆地含煤地層為白堊系下統穆棱組和城子河組，煤層層數多，單層薄，多與砂巖互層，煤與砂巖互層段厚度達幾十到數百米。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。

3.2煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發對策

為達到一井多氣、提高單井產量、降低生產成本目的，煤系地層中煤層段與砂巖段應采用合層開采的開發方式，增產改造可根據實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—砂巖氣層段進行分壓合排，數十至上百米厚的煤層—砂巖同時動用，直井單井日產氣均達到數萬立方米，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、砂巖段高含水導致共采時煤層降壓難影響共采效果的[14]，為提高初期氣體產量，可采用先期開采高壓層或煤層、后期適當時機打開其他層接替的方式進行開發[15]。

3.3煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發工作建議

(1)設立煤層氣與煤系砂巖氣綜合勘探開發專項研究。

從煤層氣與煤系砂巖氣資源分布、成藏機理[16]、勘探開發技術、開發方案與經濟效益等多方面研究，形成基礎可靠、技術可行、效益可觀的整套研究。

(2)開展煤層氣與煤系砂巖氣風險勘探和工藝技術試驗。

以鄂爾多斯盆地東部、準噶爾盆地東部、雞西-勃利地區為重點，優選煤系地層綜合勘探有利區，開展風險勘探，落實勘探開發潛力。同時開展煤及砂巖互層段多層壓裂、分層排采等工藝技術試驗，為煤系天然氣綜合開發儲備技術。

4結論

(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，并在部分地區立體勘探見到實效。

(2)煤層氣及煤系砂巖氣可劃分自生自儲型、內生外儲型2類氣藏模式。自生自儲型以吸附態為主，合適的圈閉條件下形成自生自儲游離型煤層氣藏；內生外儲型在煤層頂底板致密砂巖中富集成藏，可與煤層氣共采。

(3)將煤層與煤系砂巖互層段作為統一評價目標，在垂向上拓展勘探空間，增加資源豐度；同時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效益。

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

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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

文獻標志碼: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

基金項目:國家科技重大專項資助項目(2011ZX05033-003)

收稿日期:2015-08-09修回日期:2015-11-02責任編輯:許書閣

李五忠，孫斌，孫欽平，等.以煤系天然氣開發促進中國煤層氣發展的對策分析[J].煤炭學報,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