山西省煤層氣勘探開發現狀與發展趨勢

王 坤 張國生 李志欣 梁 坤 黃金亮

(中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

1 煤層氣資源規模與分布特征

山西省是我國煤炭大省，煤層氣資源十分豐富。2010年以來，多家機構對省內主要含煤盆地的煤層氣資源規模進行過評價。2012年由山西省煤炭地質勘查研究院完成的“山西省煤層氣資源潛力評價”結果顯示2000m以淺煤層氣資源量約8.31×1012m3，主要分布在沁水、鄂爾多斯盆地東緣(鄂東)、寧武等盆地(地區)，占全省資源總量的95.6%，其中沁水盆地煤層氣資源量約5.39×1012m3，占全省總量的64.9%。

2015年的“全國煤層氣資源動態專項評價”和2016年的“中國石油第四次全國油氣資源評價”分別對山西省內的沁水、寧武盆地以及橫跨晉陜甘蒙四省的鄂爾多斯盆地煤層氣資源量進行了評價并得到相同的結果，其中2000m以淺沁水、寧武盆地煤層氣資源量分別為4.00×1012m3和0.36×1012m3，較2012年的“山西省煤層氣資源潛力評價”結果分別減少1.39×1012m3和346×108m3。根據鄂爾多斯盆地煤層氣資源分布特征，推測山西省內鄂東地區煤層氣資源量約1.60×1012m3，較之減少0.55×1012m3(表1)。資源量減少的主要原因是新的評價工作利用的鉆井數據更多，數據更為可靠，煤層含氣量多采用實測數據或利用煤層氣吸附量-埋深交會圖獲得。因此，本文對山西省煤層氣勘探開發發展趨勢的預測主要依據新的評價數據。

表1 山西省富煤層氣盆地資源評價結果

*本文推算值

2 煤層氣勘探開發現狀

2.1 煤層氣產量保持穩定增長

截至2018年底，境內累計探明煤層氣地質儲量5.81×1011m3，占全國探明儲量的89.2%。由于儲量核銷等原因，近5年新增探明儲量逐漸減小，累計探明量增長放緩并出現下降，2016年累計探明儲量達到最大6.12×1011m3(圖1)。沁水煤田是目前山西省境內探明程度最高的煤田，截止2018年底累計探明4.35×1011m3，占全省探明儲量的74.8%。沁水煤田以外的各煤田煤層氣資源規模落實程度較低，資源探明率低。

圖1 山西省煤層氣儲量增長趨勢

隨著沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣(鄂東)煤層氣資源的規模開發，山西省內已建成沁水和鄂東兩大煤層氣產業基地，煤層氣產量占全國總產量比例保持在90%以上。“十三五”以來，山西省煤層氣產量增長不斷提速，2019年山西省規模以上企業實現煤層氣產量6.41×109m3，較2018年增長1.39×109m3，增幅達25.2%(圖2)。2020年1～2月煤層氣產量1.06×109m3，在主要工業產品產量受“新冠疫情”影響而出現不同程度下滑的情況下，實現同比增長2.8%。

圖2 山西省煤層氣產量增長趨勢

2.2 沁水盆地高煤階煤層氣實現規模開發

在煤層氣的研究中，通常將0.50%2.00%為高煤階。沁水盆地聚煤作用主要發生在二疊系太原組、山西組的潟湖和三角洲平原環境中，其中太原組15號煤層和山西組3號煤層厚度穩定展布連續，保存完整，受高溫和相對低壓的區域變質作用下，煤巖變質程度普遍達到高煤階。煤層微孔隙和裂隙發育，甲烷吸附能力強，15號和3號煤層的含氣量分別為8～30m3和10～20m3。

2005以來，沁水盆地南部鄭莊、潘莊、樊莊、柿莊南、柿莊北、馬必等區塊先后投入規模開發。中國石油華北油田探明我國第一個千億方煤層氣田，最高日產超過3.50×106m3/d，截至2018年累計產量達到6.45×109m3；2018年中聯煤層氣公司在潘莊等區塊實現產量1.17×109m3，累計產氣6.89×109m3。經過開發實踐，沁水盆地高煤階煤層氣產能建設選區取得進步、低成本可控水平井技術在探索中取得成效，直(叢式)井水力壓裂儲層改造技術實現升級換代，800m以淺煤層氣開發技術日趨成熟，產量保持穩定增長。

2.3 鄂東地區中煤階、中深層煤層氣開發獲突破

鄂爾多斯盆地煤層氣主要勘探層系是石炭-二疊系，煤層Ro，max分布范圍0.7%～2.6%，中煤階至高煤階不等。鄂爾多斯盆地東緣煤層埋深相對淺，煤層氣勘探程度最高，相對低的熱演化程度造成該地區煤層含氣量稍低于沁水盆地(6.5～11.2m3/t)。近年來中石油、中石化等油公司在鄂東地區山西省域內勘探開發成效顯著。其中北部中低煤階區保德區塊建成我國首個大型中低煤階煤層氣田，截至2018年累計提交探明儲量3.44×1010m3，產氣2.58×109m3。

南部高煤階區延川南區塊建成我國唯一投入商業開發的深層煤層氣田，煤層埋深1000～1600m，平均深度1280m，日產氣超過1.10×106m3，截至2018年累計提交探明儲量2.08×1010m3，產氣1.02×109m3。面向深層煤層氣的水平井、小曲率半徑定向井、多分支井的成功實施，為今后煤層氣勘探開發大規模走向深層提供了技術支撐。

3 煤層氣產業發展趨勢

3.1 煤層氣勘探開發發展方向

3.1.1 中深層、中低煤階煤層氣開發有望實現規?；?/p>

當前山西省內煤層氣的開發多針對800m以淺的煤層，隨著淺部資源的不斷開發，未來將大比例轉入中深層。深部煤層處于高地溫、高地應力、高儲層壓力和低滲透率的地質環境中，煤層氣富集規律與淺層有很大不同。鄂東地區南部延川南氣田的成功開發得益于低成本的鉆完井技術、適用的增產改造技術和智能化精細排采控制等技術的不斷完善，為其他地區深部煤層氣的勘探開發提供了借鑒。沁水盆地煤層氣鉆井揭示煤層含氣量隨深度的增加而增大，中深層煤層氣勘探潛力巨大。中國石油華北油田在盆地南部馬必東區塊在超過1000m埋深的煤層中實現效益開發，突破了以往埋深800m以深的煤層氣不宜開發的認識，平均單井日產超過2000m3，目前仍處于產量上升期。

保德中低煤階煤層氣田的商業開發解放了鄂東地區廣泛分布的中低煤階煤層氣資源，形成了適用于中低煤階煤層氣特點的勘探開發技術序列，如“適度液量、變排量、適度砂比”的儲層增產改造技術，“雙控制逐級排采法”的排采工藝技術等。從2015年底建成5.50×108m3產能至今保德氣田穩產狀態良好，可穩產至2023年。

3.1.2 技術進步有望驅動煤系“三氣”共探合采

煤系“三氣”系指與煤系地層有關的頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣，三者以不同的富集狀態共生于海陸交互相的含煤地層中。山西省含煤盆中廣泛發育的煤系烴源巖多已達到成熟階段，與煤層間互發育的三角洲相砂巖層，海陸過渡相頁巖層為致密氣和頁巖氣的富集提供了有利儲集空間。目前省內煤系地層中的致密氣已經實現商業開發，頁巖氣勘探取得重要進展。鄂東地區大吉-吉縣區塊致密氣田已建成6.00×108m3產能，2017～2019年已穩產3年，累采氣1.81×109m3，具備10年以上穩產潛力。鄂東地區石炭系本溪組和下二疊統太原-山西組煤系地層中發現存在海陸過渡相的頁巖氣層，多口井獲得工業氣流。

由于煤系“三氣”具有不同的賦存狀態和儲層特征，對儲層改造和排采工藝的要求也不相同，實現“三氣”合采的關鍵配套技術目前還處在試驗和起步階段。山西省煤炭地質局對沁水盆地榆社—武鄉區塊深部煤系地層(產層埋深1300～1350m)的煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣進行了分壓合采試驗并且較好效果，最高日產達到1000m3，穩產近一年，為煤系三氣共探合采的儲層改造工藝和開發方式提供了實踐經驗。

3.2 煤層氣儲產量增長趨勢預測

3.2.1 儲量增長趨勢預測

以沁水盆地為例，截至2018年，中國石油、中國石化、中聯煤層氣等公司在約2360km2累計探明地質儲量約4.35×1011m3，資源探明率僅11%，未來儲量增長空間仍然很大。基于近年來山西省煤層氣勘探開發成果、2016年中石油第四次油氣資源評價獲得的煤層氣資源量新認識，結合山西省煤層氣勘探開發展方向，在以往煤層氣儲量數據的基礎上，對2020～2030年山西省煤層氣儲量增長趨勢進行預測。

Al-Fattah 和Laherrere推導出哈伯特模型的年新增儲量(產量)與開發時間的關系為：

其中Q為年新增儲量或產量；為油田年產量高峰值；b為模型參數；t為投產后年份；tm為產量高峰年份。由于技術的不斷進步和油氣分布相對不集中，天然氣儲產量的增長多呈現多個增長高峰，據此可利用多個哈伯特模型疊加的方法(多旋回哈伯特模型)，對歷史數據進行擬合并對趨勢進行預測，表示為：

其中k為旋回個數，bi為第i個模型的參數。

通過對2009～2018年儲量發現規律和山西省煤層氣資源量的綜合分析，同時考慮技術進步可能帶來的中深層、中低階儲量發現，研判認為“十四五”末年新增探明儲量有望達到6.00×1010m3的規模并穩定至“十五五”末。據此利用多旋回哈伯特模型對2009年至2030年的儲量增長過程及趨勢進行擬合，確定k值為12，模型參數如表2，年新增儲量變化過程如圖3。根據預測，“十四五”期間山西省有望提交探明地質儲量2.75×1011m3，截至“十五五”末累計提交探明儲量1.24×1012m3，資源探明率達到約21%，有效支撐煤層氣產量的持續增長。

表2 山西省煤層氣儲量增長歷史擬合及趨勢預測多旋回哈伯特模型參數(2009～2030)

圖3 山西省煤層氣儲量增長趨勢預測

當前山西省煤層氣產業正處在發展的重要戰略機遇期，一是“十四五”我國能源結構調整進入行動期，天然氣的利用進一步增長，地位進一步提高；二是我國“清潔低碳，安全高效”能源體系發展戰略決定了天然氣(含煤層氣)將成為從以煤炭為主體的化石能源向可再生低碳綠色能源轉型的橋梁；新形勢下的能源安全觀要求要大力提升國內天然氣產量，有效抑制過高的對外依存度。因此，若前文所述的對策建議(激勵政策)落地見效，與技術進步形成“雙端驅動”，“十四五”期間新增探明地質儲量超過3.10×1011m3，截至“十五五”末累計提交探明儲量超1.36×1012m3，資源探明率升至約23%。

3.2.2 產量增長趨勢預測

截至2018年，山西省已開發探明地質儲量達到1026.94×108m3，僅占累計探明地質儲量的17.7%，實現產量51.2×108m3，產量增長空間仍很大。根據近年來山西省煤層氣田開發情況及建產速率，結合對山西省煤層氣儲量增長趨勢的預測，采用多旋回哈伯特模型對2020～2030年山西省煤層氣產量增長趨勢進行預測。

在考慮煤層氣已探明儲量的開發利用、低效區和老區的盤活，以及技術進步帶來的中深層、中低階儲量的規模建產等因素的前提下，通過2009年至2019年的產量增長過程的擬合，預測山西省煤層氣產量有望在“十五五”中期達產120×108m3左右并保持相對穩定，從而確定模型k值為7，模型參數如表3，產量增長過程如圖4。根據預測，山西省煤層氣產量有望在“十四五”末達到105×108m3的規模，并在2028年達產120×108m3左右并保持相對穩定，約占全國煤層氣總產量的83%；若“十四五”期間有利于煤層氣產業發展的激勵措施落地見效，與技術進步形成雙端驅動，預計會在“十五五”末帶來約20×108m3的產量增量，山西省煤層氣產量有望在2025年達產115×108m3，“十五五”中期達到140×108m3的規模并保持穩定。

表3 基于多旋回哈伯特模型的山西省煤層氣產量歷史擬合及趨勢預測參數(2014～2030)

圖4 山西省煤層氣產量增長趨勢預測