山西省海陆过渡相煤系“三气”共探共采展望

苏育飞

（山西省煤炭地质勘查研究院，山西 030006）

山西省海陆过渡相煤系“三气”共探共采展望

苏育飞

（山西省煤炭地质勘查研究院，山西 030006）

山西省煤系“三气”资源丰富，其丰富的煤层气、页岩气、致密砂岩气资源条件及相同的赋存层位，为煤系“三气”综合勘探开发奠定了基础。鉴于三者层位相邻或呈互层状产出，三种气藏的叠置性，许多专家学者提出了共探共采的概念，但对于山西省页岩气－煤层气－致密砂岩气共探共采的可行性如何、如何划分共探共采体系、如何进行共同勘探与共同开发，目前尚无可靠理论方法与实际依据。本文将从山西省“三气”的地质特征、富集规律、勘探开发方法等方面探讨其共探共采的理论可行性。

煤系 三气 煤层气 页岩气 致密砂岩气 共探共采

山西省非常规天然气资源丰富，山西省2000m以浅的煤层气资源量为8.31×1012m3，山西省页岩气资源量10.81×1012m3，此外，临兴、石楼区块煤系致密砂岩气获得很好的开发效果。页岩气调查井综合录井工作中也发现“三气”的存在。山西省丰富的煤层气、页岩气、致密砂岩气资源条件及相同的赋存层位，为煤层气、页岩气、致密砂岩气综合勘探开发奠定了基础。

页岩、煤层与致密砂岩层均为低孔、低渗非常规天然气储层，在后期开发过程中均需要水力压裂。页岩气－煤层气－致密砂岩气的共探共采可将页岩储层、煤储层及致密砂岩储层共同压裂，同时形成页岩气流通、煤层气流通与致密砂岩气流通的人工裂隙。因此实现煤层气、页岩气与致密砂岩气共探共采，一方面将解决深部煤层气的开采难题，另一方面将极大的节约非常规气的勘探开发成本，同时亦有巨大的环保意义与能源战略价值。

许多专家学者提出了共探共采的概念，但对于山西省页岩气－煤层气－致密砂岩气共探共采的可行性如何、如何划分共探共采体系、如何进行共同勘探与共同开发，目前尚无可靠理论方法与实际依据。本文将从山西省“三气”的地质特征、富集规律、勘探开发方法等方面探讨其共探共采的理论可行性。

1 山西省煤系“三气”资源概况

1.1 煤层气资源概况

山西省沁水盆地和河东煤田为我国煤层气勘探开发最为成功的地区，具有详细的煤层气地质资料。

山西省煤层含气量区域上总体具有南北分区、东西分带的展布规律。以北纬38°带界，北部含气量较低，南部含气性较高，为煤层气资源的主要分布区；含煤区自东向西可划分三个聚气带，含气量表现为东西两带高，中带低的特点。含气量垂向上具有自上而下含气量增高的趋势。东带煤层气井实测含气量一般大于12m3／t，煤田钻孔甲烷浓度普遍在80%以上，实测含气量一般大于10m3／t；中带煤层气井含气量一般小于10m3／t，煤田钻孔甲烷浓度多在70%以下，实测含气量一般小于8m3／t；西带煤层气井实测含气量一般大于10m3／t，煤田钻孔甲烷浓度普遍大于80%，实测含气量一般在8m3／t以上。

山西省煤储层的储层压力梯度变化范围为0.15MPa／100m～1.24MPa／100m。两主采煤层几乎不存在超压储层。上主煤层平均储层压力梯度低于下主煤层，且均低于0.75MPa／100m；试井渗透率变化范围为0.0012×10－3μm2～444×10－3μm2，大多均小于2×10－3μm2。

山西省2000m以浅煤层气预测资源总量83097.86亿m3（表1），沁水、河东、霍西、西山、宁武预测资源量分别为53915.01亿m3、21494.29亿m3、2366.37亿m3、1332.02亿m3和3990.17亿m3；

表1 2000m以浅煤层气预测资源总量汇总表

煤层气开发最有利区主要分布在沁水煤田南部潘庄、大宁二号井田附近；河东煤田中部三交－柳林一带及南部大宁－蒲县－乡宁一带。煤层气开发有利区主要分布在沁水煤田北部寿阳－阳泉－昔阳一带，南部长子－阳城一带，西部平遥－沁源－安泽一带；河东煤田北部保德附近、河东煤田中南部临县－石楼－隰县－大宁－乡宁一带；西山煤田中南部及宁武煤田中南部地区。

1.2 页岩气资源概况

山西省富有机质泥页岩总厚较大，但单层厚度较小，各层段中泥页岩厚度一般在10～50m范围内。在各含煤盆地中，沁水盆地与河东煤田泥页岩厚度较大，其中，沁水盆地第Ⅱ层段与河东煤田第Ⅳ层段暗色泥页岩发育最好，大部分区域泥页岩厚度大于30m；大同煤田在各含煤盆地中泥页岩厚度最小，各层段泥页岩厚度一般在30m以下。

有机质类型以Ⅲ型为主，有机质显微组分主要为镜质组与惰质组；TOC含量较高，大部分处于2%～4%之间，有机质成熟度也同样较高，处于成熟－过成熟阶段，由北向南逐渐增大，整体处于1%～4%之间，表明地史时期中已有大量的热解气生成；矿物成分以黏土矿物、石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿为主，其中黏土矿物含量最高，一般在50%以上，石英含量一般在35%左右，脆性系数在40%左右；孔隙度一般在1.0%～9.0%之间，泥页岩中以小于100nm的孔隙最为发育，渗透率在0.00014～0.01421mD之间。不同样品泥页岩最大吸附量值差距较大，靠近煤层的炭质页岩吸附量一般在3m3／t以上，而距离煤层较远的暗色泥岩最大吸附量一般处于0.5～1.9m3／t之间。页岩气勘探开发有利区的页岩储层埋深处于1000m以深。

山西省页岩气有利区总资源量为4.44×1012m3（表2），主要分布在沁水盆地与河东煤田，这两个含煤盆地总资源量为3.71×1012m3，占总资源量的83.5%。山西省页岩气资源潜力较大的地方主要集中在四个区域：（1）沁水盆地北部寿阳县一带；（2）沁水盆地中部武乡县一带；（3）河东煤田南部大宁县－蒲县－吉县一带；（4）宁武盆地南部静乐县－岚县一带。

表2 山西省各盆地页岩气有利区面积及资源量

1.3 致密气资源概况

致密砂岩气传统上被划分到常规天然气当中，起步较早，勘查程度较高，目前已形成鄂尔多斯盆地上古生界与四川盆地上三叠统须家河组两大致密气现实区。鄂尔多斯盆地上古资源量6.4×1012m3，探明储量1.4×108m3，探明率22%。

我省河东煤田位于鄂尔多斯盆地东缘，发育的砂岩具有层数多、分布广的特点，在石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组均有有利砂体发育，其中石千峰组最为发育，平均在50～60m，其次是上、下石盒子组，厚度在10m左右，是致密砂岩气最主力的储层。优质致密产层岩性上为厚度大的潮坪砂坝、分流河道砂体，孔隙度较大，物性较好；构造上处于相对构造高点或靠近构造高点的位置；垂向、侧向上有泥岩或致密层封堵。河东煤田临兴地区2014年累计试气28层段，下石盒子组和太原组均有超过日产10万m3以上的试气井。

山西省丰富的煤层气、页岩气、致密砂岩气资源条件及相同的赋存层位，为煤系“三气”综合勘探开发奠定了坚实的基础。

2 “三气”成藏机理

煤层气、页岩气与致密砂岩气是非常规天然气藏的重要类型。其中，煤层气具有典型的吸附成藏机理，页岩气具备多重气藏的成藏特征，致密砂岩气为他源型，源储紧邻，储层为致密砂体。三者在成藏上具有相似性和差异性，如表3所示，综合气藏形成的各个阶段的影响条件，才能判断气藏的成藏特征。

表3 煤系三气成藏机理对比

煤系是指一套在成因上有共生关系并含有煤层或煤线的沉积体系。具有有机质含量高、旋回性强、III型干酪根为主、储集层陆源物质丰富、经历多期构造运动等特征。其是煤层气、页岩气和致密砂岩气“三气”共生叠置的唯一层系，其赋存条件和源岩特征为煤系“三气”共探共采提供了物质基础。纵向上，表现出页岩气与煤层气相互成藏的特征，煤系提高了整个页岩气藏的含量，而页岩与煤层又作为烃源岩，逸散出的气体在紧邻的致密砂岩中富集成藏形成致密砂岩气。“三气”在煤系剖面上表现为多层叠置的独立储层群和混合储层群，海陆交互相煤系以多层叠置页岩气与煤层气储层为主（图1）。

在山西省以往的煤层气勘探中，煤层、泥岩和砂岩中均出现了气测显示现象，但由于泥岩和砂岩的单层厚度薄或岩性过细而被忽略了其开采的价值性。由于页岩系统中含有同样产气的薄煤层（＜0.5m），生成的烃类气体在薄煤层中成藏，形成煤层气，但煤层形成的CH4较多，多余的气体会就近运移并保存在邻近的富有机质泥页岩中，可以作为页岩气藏的另一个气源来源，丰富了页岩气成藏，同时，页岩与煤层又作为烃源岩，逸散出的气体在紧邻的致密砂岩中富集成藏形成致密砂岩气。

图1 “三气”在煤系剖面上的表现特征图

理论上来说，煤系既可作为常规天然气的气源岩，又可以吸附在煤层与页岩层里形成煤层气与页岩气，也可以运移到砂岩中形成砂岩气。这些泥页岩层、煤层、致密砂岩储集层可能由于单层厚度较薄，单独开发的经济性存在疑问，但是由于这些地层往往在空间上存在相互叠置的特点，总的资源量较为可观，进行多层的联合开发可能具有更高的经济效益。并且，煤化作用－构造作用－地质环境条件的时空耦合关系，使得三气共探共采具有合理性与可行性。随着研究的深入煤系“三气”综合勘探为主导已成为共性，并对比分析“三气”之间的共性与差异，探索综合勘探开发技术。

3 煤系“三气”共探共采体系划分

在煤层气、页岩气与致密砂岩气共探共采中会产生人工裂隙沟通煤层气藏、页岩气藏与致密砂岩气藏，若三者不属于统一能量体系，三者气藏连通后会导致层间干扰，气藏能量会发生层间的转移，从而影响非常规天然气生产。因此，在联合共采中，煤层气－页岩气－致密砂岩气能量体系是否一致，是实现共采的先决条件。在共探中需要研究煤层气藏、页岩气藏与致密砂岩气藏能量体系，并进行体系的划分。

能量体系中，储层空间叠置性、气藏特征是最重要的两个因素。储层空间叠置性要求各气藏紧邻，储层间不能存在厚度较大的隔层。山西省的煤系地层中，致密砂岩储层主要位于上石盒子地层中，与煤层气、页岩气储层距离较远，可能为一个独立的气体压力系统，可以单独进行开采；而山西组主采煤层上覆及下伏岩层主要为泥页岩储层，山西省页岩气地质调查及评价项目中所划分的第Ⅰ层段、山西组主采煤层、第Ⅱ层段，三者紧邻，有利于煤层气－页岩气的共探共采。而太原组主采煤层顶板一般为石灰岩层，若厚度较大，则上覆的页岩气藏与煤层气藏可能不再属于一个气体压力系统，不利于煤层气与页岩气的共采。

在气藏特征方面，主要是储层压力、含气饱和度和流体压力系统等组合，相邻的储层之间这些特征差异太大，则不适合划归一个系统。同一气藏能量体系，应该是储层压力相近、气藏之间有烃类物质交换、同处一流体压力系统，并相邻成藏。而流体压力系统往往可以用地下水流体场来表征，因此，地下水流体场相同与否，可能是划分不同体系的重要参考指标。

因此，针对煤系地层中三种气藏的空间叠置性，合理地划分共探共采系统，将更有利于煤系“三气”的勘探开发。

4 煤系“三气”共探共采系统开采模式的讨论

煤层气、页岩气与致密砂岩气储层的低孔低渗性决定了在其开发过程中均需要采用水平井和水力压裂技术，共探共采工作可充分利用同一套钻井及水平压裂工艺，进而减少开采成本（图2）。但是，由于煤层天然缝网发育，在压裂施工中压裂液漏失大，且容易形成多级裂缝，煤层压裂所需排量比其他常规储层高，而且煤层压裂施工过程中不可避免地会造成伤害，另外“三气”储层跨度大，因此选择合适的压裂方案和压裂液体系是实现“三气”共采的关键技术之一。

图2 “三气”共探共采示意图

［1］ 张正喜，张庆辉，等.山西省煤层气潜力评价报告［M］.山西省煤炭地质勘查研究院，2012.

［2］ 王学军，宋儒，等.山西省页岩气地质调查及评价报告［M］.山西省煤炭地质局，2016.

［3］ 王建国，周绍强，等.石楼南区块资源评价［M］.北京风林石油科技有限公司，2013.

［4］ 琚宜文，等.我国煤层气与页岩气富集特征与开采技术的共性与差异性［M］.2011年煤层气学术研讨会论文集，2011.

［5］ 郭本广，许浩，孟尚志，等.临兴地区非常规天然气合探共采地质条件分析［J］.中国煤层气，2012，9（4）：3－6.

（责任编辑 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年度山西省煤基重点科技攻关项目－煤层气、页岩气资源潜力综合评价及共探共采选区研究（MQ2014-02）

苏育飞，男，硕士，工程师，主要从事页岩气、煤层气、煤炭相关地质及工作。