新中國天然氣勘探開發70年來的重大進展

戴金星 秦勝飛 胡國藝 倪云燕 甘利燈 黃士鵬 洪峰

0 引言

新中國成立70年來，中國天然氣勘探開發取得了重大的進展，從貧氣國躍升為世界第6產氣大國。從人均擁有氣量和天然氣儲量呈量級陡升足以說明中國從貧氣國到產氣大國的歷程。1949年中國年產氣1117×104m3，年人均用氣0.0206m3，2018年產氣1602.7×108m3，年人均用氣114.8576m3，70年內人均年用氣量增加5575倍；1949年中國天然氣探明地質儲量為3.85×108m3，人均天然氣地質儲量為0.7107m3，2018年天然氣累計探明地質儲量167600.24×108m3，人均天然氣地質儲量12011.08m3，70年內人均享有天然氣地質儲量增加了16900倍；1949年中國僅在四川盆地發現了自流井、石油溝和圣燈山氣田，臺灣省發現錦水、竹東、牛山和六重溪等小氣田，2018年中國共計發現了313個氣田（包括頁巖氣田5個、煤層氣田24個和二氧化碳氣田3個），其中儲量超300×108m3的大氣田72個，蘇里格氣田和安岳氣田地質儲量均超1×1012m3，這兩大氣田目前年產氣量均超過100×108m3。

70年來中國在產氣量、儲量和發現氣田數量上的輝煌業績，主要與地震勘探和鉆井技術飛速發展密切相關。1951年中國組建了第1個地震隊，并在鄂爾多斯盆地延長礦區首次開展了中國石油地震勘探，至2018年中國有191個石油勘探地震隊。中國地震勘探技術發展可劃分為4個階段：①光點地震（1964—1971年），應用“五一”型光點地震儀，在感光紙上以光點照相記錄地震波信息，單點接受，不可回放，只能發現背斜圈閉和隆起，且效率低、精度低；②模擬地震（1965—1981年），應用模擬磁帶地震儀，多次覆蓋，可回放記錄解釋，主要用于構造解釋，嘗試用速度譜資料識別特殊巖性體；③數字地震（1974—1997年），使用數字地震儀，覆蓋次數提高+全數字處理解釋擴大應用領域，用于構造、巖性、含油氣性綜合評價等研究；④兩寬一高（2000年至今），兩寬一高（寬頻帶、寬方位、高密度）增加方位地震信息，解決裂縫和應力等造成的各向異性問題，應用領域從常規儲集層到非常規儲集層，如烴源巖品質和工程品質預測，水平井優化部署與現場跟蹤。全數字三維可視化+虛擬現實，實現所見即所得。

1949年中國僅有8臺淺、中型鉆機，2018年中國共有石油鉆機2719臺，以中、深型鉆機為主，還有超深型鉆機。近年來通過深度達6000m的超深層鉆探，在塔里木盆地發現了克深、大北、塔中1號大氣田，在四川盆地發現元壩和龍崗大氣田，在塔里木盆地完成了亞洲陸上第1深井輪探1井（8882m）。鉆井技術由直井發展至水平井及酸化壓裂作業。水平井技術保障了頁巖氣產出，使中國涪陵、長寧和威遠頁巖氣田得以開發。

1 從貧氣國到天然氣大國

中國天然氣工業從新中國建立初期的一窮二白，經過漫長地艱苦探索，走向快速發展的道路，使中國天然氣探明儲量從微不足道到躋身于世界前列，天然氣產量也從微乎其微躍升為世界第6產氣大國。

1.1 天然氣資源大國的形成

1949年中國天然氣探明儲量僅為3.85×108m3，在之后的數十年里，天然氣儲量增長緩慢，但從1979年之后的40年增長明顯，特別是最近的20年增長迅速。從1949年到1993年歷經45年，中國天然氣累計探明儲量才上升到1×1012m3（不包括臺灣省，下同），而儲量增加到2×1012m3，僅用了6年時間。2009年，天然氣累計探明儲量突破7×1012m3，到2014年天然氣探明儲量突破了10×1012m3，2018年更是突破了15×1012m3（不包括頁巖氣、煤層氣等非常規氣）。中國天然氣儲量的快速增長與煤成氣的儲量增長息息相關，煤成氣是中國天然氣儲量增長的主力軍。煤成氣在1999年累計探明儲量突破1×1012m3，僅過了兩年，儲量達到2×1012m3，至2018年累計儲量突破了9×1012m3。

全國發現煤成氣田188個（包括煤層氣田24個），煤成氣田占全國氣田313個的60.1%。2018年底全國煤成氣田累計探明儲量為92556×108m3，占當年全國氣層氣累計探明儲量150622.6×108m3的61.4%，這與前人研究中國從氣田個數上和探明儲量上都以煤成氣為主的結論一致。

1.2 天然氣產量大國的形成

1949年中國天然氣產量只有1117×104m3，直至1957年中國天然氣年產量均在1×108m3以下；1958年產氣量達1.0643×108m3，1976年產量突破百億立方米（100.9501×108m3）。1998年產氣222.8×108m3，是年中國人均用氣僅17.9m3，為貧氣國。產氣大國標準是年產氣達500×108m3或更多的國家。1929年美國產氣541×108m3成為世界上第1個產氣大國；1960年俄羅斯（前蘇聯）產氣452.8×108m3成為世界第2個產氣大國。從1929年至2003年，世界年產氣達500×108m3的產氣大國只有11個。分析這些成為產氣大國的基本條件主要有兩項：①天然氣可采資源量大于13×1012m3；②剩余可采儲量最低要達1.2462×1012m3。2003年，中國天然氣可采資源量為13.32×1012～17×1012m3，剩余可采儲量為2.0894×1012m3，據此，戴金星、賈文瑞等、張抗等和趙賢正等推斷中國2005年可成為產氣大國。果然2005年中國年產氣499.5×108m3（其中煤成氣261.16×108m3，占52.3%），成為當年世界第11位產氣大國，該年全世界有12個產氣大國。①2005年成為產氣大國之前中國各年天然氣中煤成氣產量占比均低于50%甚至更低，2005年之后各年煤成氣產量占比均高于50%，年均為56.5%，最多的2008年占66.2%；②2005年之后，年產氣上升率變大。

從1949年至2010年歷經61年，中國累計產氣量達到1×1012m3（1.017×1012m3），之后歷經8年至2018年累計產量就上升至2×1012m3（2.068×1012m3），可見中國年產氣量日益增加。

2 勘探開發和研究大氣田是快速發展天然氣工業的主要途徑

2.1 大氣田是天然氣工業的支柱

截至2018年底，中國共發現大氣田72個（包含4個頁巖氣田和4個煤層氣田），中國第1個大氣田發現于1959年的臥龍河氣田，地質儲量380×108m3。中國大氣田主要分布在3大盆地：四川盆地共有25個（4個頁巖氣田）、鄂爾多斯盆地13個（1個煤層氣田）、塔里木盆地10個，同時，這3個盆地也是中國主產氣區。2018年，鄂爾多斯盆地大氣田天然氣產量為408.69×108m3，四川盆地大氣田產量為399.15×108m3，塔里木盆地大氣田產量為231.42×108m3，大氣田產量占各自盆地總產量的比例分別為87.9%、92.9%和85.4%。這3個盆地大氣田產量共計1039.26×108m3，占中國天然氣總產量的65%，因此這3個盆地大氣田在中國天然氣產量中占主體地位。

儲量大于1×1012m3的超大型氣田對產氣大國起重大作用，中國蘇里格和安岳兩個氣田均屬超大型氣田，2018年產氣量均超100×108m3，共產氣302.8×108m3，占全國產氣量的18.9%。目前世界產氣大國荷蘭和俄羅斯均勘探開發大氣田從貧氣國變為產氣大國。荷蘭在1958年天然氣可采儲量不足740×108m3，年產氣僅2×108m3，但1959年發現可采儲量近3×1012m3格羅寧根超大型氣田，1975年產氣828.8×108m3，由此向德國、法國和比利時出口天然氣，成為產氣大國。俄羅斯（前蘇聯）在20世紀50年代初天然氣儲量不足2230×108m3，年產氣僅57×108m3，是個貧氣國，1960—1990年由于發現40多個大氣田，使天然氣儲量達453069×108m3，天然氣年產量從453×108m3增長到8150×108m3，使其由貧氣國一躍成為當時世界第1天然氣大國。

2.2 大氣田發現高峰期也是中國儲量和產量快速增長期

1949年中國累計探明天然氣地質儲量和年產氣量都極低，直至1990年中國累計探明天然氣儲量仍僅有7045×108m3，年產量152×108m3，在這40多年的時間里，中國天然氣儲量和產量增長緩慢，主要原因是這期間發現的大氣田數量很少，全國僅探明6個大氣田，而且沒有一個大氣田的儲量超過1000×108m3。但從1991年至2018年28年間，平均每年發現2.4個大氣田，而且單個大氣田的儲量規模也很大，超過1000×108m3的大氣田33個，蘇里格和安岳大氣田的儲量規模超過10000×108m3，這些大氣田的發現促進了中國天然氣儲量和產量的快速增長。至2018年底中國72個大氣田累計探明天然氣地質儲量達124504×108m3，占全國探明天然氣儲量16.7×1012m3的75%。

從1991年至2000年大氣田發現數與天然氣儲量增長率正相關性顯著，但同期大氣田發現數與天然氣年產量增加率正相關性不顯著，這是由于大氣田開發和運輸管線建設需要時間的緣故，這種滯后性從2001年之后就消退了，且顯示大氣田發現率與儲量和天然氣產量具有顯著正相關性。

2.3 大氣田主控因素和形成條件研究加速了大氣田的發現

自從“六五”期間以來，借助國家天然氣科技攻關等項目，中國學者持續開展大氣田形成主控因素研究，在大氣田形成的眾多影響因素中，總結出大氣田形成的7項定量和半定量的主控因素，并預測中國大氣田有利勘探領域，加速了一大批大氣田的發現。概括形成大氣田的定量和半定量主控因素主要包括：①生氣中心及其周緣生氣強度大于20×108m3/km2的區帶，有利于大氣田的形成；②大氣田成藏期晚，主要在新生代，若多次成藏則指最后一次成藏期；③有效氣源區存在古隆起圈閉；④大氣田多形成于煤系或其上、下圈閉中；⑤大氣田生氣區內以孔隙型儲集層為主；⑥低氣勢區是大氣田聚集的有利地區；⑦異常壓力封存箱外（間）或箱內有利于大氣田形成。利用上述大氣田形成的主控因素研究成果，成功地提前預測了中國大氣田展布情況，為中國大氣田發現和勘探提供了理論基礎，加速了大氣田的勘探開發。早期研究成果成功地預測了鄂爾多斯盆地天然氣有利地區，至2018年底鄂爾多斯盆地共發現大氣田12個（煤層大氣田除外），天然氣探明地質儲量達43461.89×108m3/km2，其中超過千億立方米的大氣田有9個，這些大氣田均分布在早期預測的天然氣有利勘探區范圍內，并且基本上位于生氣強度大于20×108m3/km2的區帶內，生氣強度控制著大氣田的分布。

3 天然氣新理論推動天然氣工業更快發展

分類原則不同，可以劃分出不同的天然氣理論。根據氣組分中原子來源于有機質或無機質，形成了天然氣有機成因理論和無機成因理論；根據烷烴氣來源于腐泥型干酪根或腐殖型干酪根，形成了油型氣理論和煤成氣理論；主要根據儲源分離或儲源共體，形成了常規天然氣理論和非常規天然氣理論，后者還包括儲源分離如致密砂巖氣。

油型氣理論和煤成氣理論，是以往至今指導天然氣工業發展的功勛型理論。非常規氣理論在“頁巖氣革命”推動下，對推動今后天然氣工業更好發展顯示強大潛力。

3.1 煤成氣理論促進了中國從貧氣國走向產氣大國

世界上19世紀70年代開始形成海相生油理論萌芽，之后一直在發展和完善；20世紀20年代以中國學者研究為主開始形成陸相生油理論。無論是海相生油理論或陸相生油理論均認為腐泥型泥頁巖和碳酸鹽巖是油氣的源巖，區別是前者源巖為海相，后者源巖為陸相，故兩者均在油型氣理論范圍之內。由此可見，指導世界天然氣勘探最早的傳統理論是油型氣理論。

20世紀40年代德國學者提出煤系能夠形成大量天然氣，并能聚集成工業性氣田，但未注意煤系可否成油而建立了純樸的煤成氣理論。此新理論的出現并首先在西歐指導天然氣勘探而取得了豐碩成果：在德國西北盆地發現格羅寧根超大型氣田等大批煤成氣田；在英荷盆地至少發現455個煤成氣田。

中國近代石油工業從1878年開始，經過100年至1978年，均以油型氣理論即“一元論”指導天然氣勘探，天然氣工業極其薄弱，天然氣儲量和產量均很少。中國煤成氣研究始于20世紀70年代末，1979年《成煤作用形成的天然氣與石油》指出煤系成烴的氣油主次關系，煤成氣核心理論是煤系為氣源巖，煤系成烴以氣為主油為輔。煤成氣新理論的出現，使指導中國天然氣勘探理論從油型氣“一元論”發展成煤成氣和油型氣的“二元論”。煤成氣理論開辟了中國天然氣勘探新領域，促進了中國天然氣工業大發展，由以下幾方面足以可見：①煤成氣促進了中國成為產氣大國，2005年中國成為世界第11位產氣大國。眾所周知：儲量是產量的基礎，在煤成氣儲量和產量在天然氣中比例均超過50%時，中國才成為產氣大國；2005年中國以上兩者比例分別為62.4%和52.3%，這說明煤成氣儲量和產量是中國成為世界產氣大國的基礎。②煤成大氣田是產氣大國的主力，截至2018年底中國共發現常規大氣田64個（累計探明天然氣儲量109425.21×108m3，不包括4個頁巖和4個煤層氣大氣田），其中煤成大氣田45個，累計探明天然氣儲量82912.42×108m3，全國累計探明天然氣儲量167600.24×108m3，故煤成大氣田儲量分別占全國天然氣儲量和大氣田總儲量的49.47%和75.77%。2018年全國天然氣產量為1602.7×108m3，大氣田產量為1081.56×108m3，其中煤成氣大氣田產量為816.27×108m3，故煤成氣大氣田產量分別占全國產氣量和大氣田產氣量的50.93%和75.47%。③煤成氣新理論指導天然氣勘探開發建成中國最大產氣區。鄂爾多斯盆地是中國最早用現代化鉆機勘探油氣的油田，從1907年延1井開始至1970年代末一直以海相和陸相生油理論指導勘探，不把石炭系—二疊系含煤地層作為氣源巖進行勘探，天然氣勘探未有進展，1980年初尤其是“六五”“煤成氣開發研究”天然氣科技攻關開始，長慶油田和眾多學者指出石炭系—二疊系煤系是良好氣源巖，其至今仍是長慶油田天然氣勘探重要目標。鄂爾多斯盆地勘探開發取得重大進展，成為中國第1個大氣區。2018年產氣464.96×108m3，是中國第1個年產氣超400×108m3盆地，占全國產氣量的29%。其中中國儲量和產量最高的蘇里格氣田，2018年累計探明天然氣儲量18598×108m3，年產氣量188.68×108m3，占全國產氣量的11.77%。全盆地共發現12個大氣田，除靖邊氣田是煤成氣和油型氣混源外其他均為煤成大氣田，其中9個儲量超1000×108m3。鄂爾多斯大氣區為京津冀和西北東部地區改善環境污染起了重大作用。④煤成克拉2大氣田發現和開發，催生了西氣東輸管線建設和中國第3大氣區塔里木氣區的誕生。盡管當時一種意見認為要西氣東輸管線年輸120×108m3天然氣，塔里木盆地儲量保證還不足，儲采比僅為28不宜建設該管線；但另一種意見認為可建該工程，因為有天然氣地質和開發優越的“三最”的克拉2大氣田作基礎：最大的儲量豐度（59.05×108m3/km2）、最高的氣柱高度（468m）的氣田、最大的單井（克拉2-7井）產量（495.6×104m3/d）。同時庫車坳陷煤成氣潛力大，還可找到更多儲量。之后迪那2、大北、克深一批煤成氣大氣田發現，使西氣東輸的儲量保證更充足，以及塔里木盆地現今已成為中國第3大氣區，證明煤成氣理論對中國天然氣工業發展意義重大。

3.2 頁巖氣理論為中國天然氣工業更快發展增添了新動力

頁巖氣是產自極低孔滲、暗色富有機質頁巖地層系統中源儲一體的天然氣，以吸附或游離狀態為主要聚集方式，本質上為連續生成的生物成因氣、熱成因氣或兩者的混合氣。頁巖氣由于其分布廣、儲量大等特點，近10年來迅速崛起，受到越來越多國家的重視。美國自1821年鉆探第1口井深僅8m的頁巖氣井以來，經過了近200年的發展，主要經歷了4個階段：第1階段（1821—1978年），偶然發現階段；第2階段（1978—2003年），認識創新與技術突破階段；第3階段（2003—2006年），水平井與水力壓裂技術推廣應用階段（大發展階段）；第4階段（2007年至今），全球化發展階段。美國是世界上唯一實現頁巖氣大規模商業開采的國家。1981年被譽為Barnett頁巖氣之父的喬治·米歇爾對C.W.SlayNo.1井頁巖段實現大規模壓裂導致Barnett頁巖成為美國第1個大規模商業化開采的頁巖氣田，由此推動了美國頁巖氣勘探開發的蓬勃發展和重大突破，在全球掀起了頁巖氣勘探開發的熱潮。目前在美國、中國、加拿大和阿根廷已取得可喜的開發成果。2018年，美國頁巖氣產量6072×108m3，頁巖氣探明儲量占天然氣總探明儲量的66%，使美國從進口天然氣的產氣大國，躍變為出口天然氣的產氣大國。

中國與北美都廣泛發育海相頁巖，但中國還發育海陸過渡相和陸相頁巖。中國和北美海相頁巖有機質類型都以Ⅰ型或Ⅱ1型為主，中國海相頁巖時代老、埋深大（1500～5000m）、熱成熟度高（Ro值為2.0%～3.5%），成藏條件復雜，歷經多期構造運動，保存條件差，勘探風險較大。中國陸相頁巖埋藏深度大，但熱成熟度低（Ro值為0.4%～1.3%）。中國頁巖儲集層含有大量脆性礦物，脆性系數可達46.15%，北美的儲集層脆性系數為38.27%，總體上中國頁巖比美國頁巖脆性更好。

中國頁巖與美國頁巖相比，由于埋深大，經歷多期構造運動，保存條件差。海相頁巖年代老，成熟度高；陸相頁巖時代新，成熟度低，多數處于生油窗階段，中國頁巖氣地質條件比美國差。美國1980年就啟動了頁巖氣開發理論技術攻關項目，而中國則晚了約30年。中國頁巖氣勘探開發大致經歷了3個階段：①學習借鑒階段（2003—2008年）；②選區評價與探井實施階段（2009—2012年）；③規模建產階段（2013年至現今）。中國在2008年與國際合作完成第1口頁巖氣井——長芯1井，2009年中國石油實施頁巖氣威201直井，2010年發現了五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組兩套頁巖氣目的層段，并獲得工業性頁巖氣流，由此推動了自2013年以來，在四川盆地南部先后發現并開發了涪陵、威遠、長寧、戚榮等頁巖氣田。2018年底中國頁巖氣累計探明地質儲量10455.67×108m3，其中經濟可采儲量1313.29×108m3，累計產氣量335.24×108m3。由于中國頁巖氣地質資源量為（83.3～166.0）×1012m3，技術可采資源量為（10.0～36.1）×1012m3，總體上頁巖氣資源量豐富，具有較好的發展前景，目前中國已成為世界第2頁巖氣產氣大國，頁巖氣也是中國天然氣工業發展的新動力。

3.3 煤層氣

全球有74個國家有煤層氣資源，其中90%的煤層氣資源分布在12個主要產煤國家。煤層氣產業發展相對較早的國家有美國、俄羅斯、德國、澳大利亞、英國、印度等，其中美國是煤層氣開發最成功和采量最大的國家。中國煤層氣資源開發分為3個階段：礦井抽放瓦斯階段（1952—1989年）、煤層氣開發技術引進階段（1989—1995年）和煤層氣產業形成階段（1996年至今）。1995年以來，中國建立了國家煤層氣開發利用工程研究中心和煤礦瓦斯治理研究中心，1997年鉆探了沁南棗園第1口煤層氣井，到2015年，已經建成了沁水、鄂東、陽煤等10個煤層氣產業示范工程項目基地。

中國煤層氣資源豐富，2006年國土資源部組織的“新一輪煤層氣資源評價”結果顯示，中國埋深2000m以淺煤層氣地質資源總量為36.81×1012m3，可采資源量為10.87×1012m3。2015年國土資源部油氣戰略研究中心組織的“煤層氣資源動態評價”結果顯示，中國埋深2000m以淺煤層氣總資源量約為30×1012m3，可采資源量約為12.5×1012m3，居世界第3位。截至2018年底，全國累計探明煤層氣地質儲量6521.9×108m3，技術可采儲量超過3253×108m3，經濟可采儲量超過2625×108m3。

中國煤層氣資源具有“多個煤階、多個深度、多期生氣、多源疊加、多期改造”的地質特征。煤階煤質種類多、煤層埋深跨度大、成煤條件多樣、成煤時代多期、煤變質作用疊加、構造變動多幕，導致煤層氣成藏作用復雜和氣藏類型多樣。煤層氣賦存總體特征可概括為“四低一高”，即含氣飽和度低、滲透率低、資源豐度低、儲集層壓力低和變質程度高。與美國、澳大利亞等國的煤層氣主力產區的儲集層特征相比，中國的煤層氣儲集層既有煤層厚度大、含氣量高、埋藏深度適中等有利特征，又有形成時代晚、構造復雜、壓力系數低、滲透率低等不利因素，故中國煤層氣開發難度大，條件和產量不及美國，2018年僅產51.5×108m3。

4 結論

新中國70年來天然氣勘探開發取得重大進展，從貧氣國躍升為世界第6產氣大國。1949年中國年產氣1117×104m3，探明天然氣儲量為3.85×108m3，人年均國產氣和儲量分別為0.0206m3和0.7107m3。而至2018年人年均國產氣114.8576m3，天然氣儲量為12011.08m3，人均國產氣量和儲量分別增加5575倍和16900倍。

勘探開發和研究大氣田是快速發展天然氣工業的的主要途徑。截至2018年底，中國共發現大氣田72個，其中蘇里格和安岳兩個大氣田探明地質儲量超1×1012m3，也是年產氣量超100×108m3的大氣田。大氣田主要分布于四川（25個）、鄂爾多斯（13個）和塔里木（10個）3個盆地。2018年此3盆地大氣田共產氣1039.26×108m3，占中國天然氣總產量的65%，可見大氣田在中國產氣量中占主體地位。至2018年底中國72個大氣田累計探明天然氣儲量共124504×108m3，占全國探明天然氣儲量16.7×1012m3的75%，足以說明大氣田在天然氣工業中舉足輕重的作用。

天然氣新理論推動中國天然氣工業更好更快發展。1979年之前指導天然氣勘探的是傳統的油型氣理論即“一元論”，1979年以來煤成氣成為指導天然氣勘探新理論，指導中國天然氣勘探理論從“一元論”發展為“二元論”（油型氣和煤成氣），使中國天然氣工業獲得快速發展。煤成氣是中國成為產氣大國的主力氣。2018年中國天然氣產量為1602.7×108m3，大氣田產氣1081.56×108m3，其中煤成大氣田產量為816.27×108m3，煤成氣大氣田產量分別占中國產氣量和大氣田的產氣量的50.93%和75.47%；2018年底中國煤成氣田累計探明儲量為92556×108m3，占當年全國累計探明儲量150622.6×108m3的61.4%。頁巖氣理論21世紀初才在中國出現，但至2018年已取得重要進展，目前頁巖氣年產量達108.8×108m3，探明開發了涪陵、長寧、威遠和威榮頁巖氣田，共計探明天然氣地質儲量10455.67×108m3，累計產氣335.24×108m3，在世界產氣4國（美國、中國、加拿大和阿根廷）中年產量僅次美國，顯示了中國頁巖氣有較好的前景。

致謝：蘇義腦院士、何治亮教授和張功成教授提供了有關鉆井隊和地震隊數據，深表感謝。