以煤系天然气开发促进中国煤层气发展的对策分析

李五忠，孙　斌，孙钦平，杨焦生，张　义

(中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007)



以煤系天然气开发促进中国煤层气发展的对策分析

李五忠，孙斌，孙钦平，杨焦生，张义

(中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007)

摘要:为了提高中国煤层气勘探开发程度，促进煤层气产业发展，分析了中国煤层气勘探开发现状与面临的问题，提出1 200 m以深煤层蕴藏十分丰富的煤层气资源，且多与致密砂岩气叠合共生，展现了煤系天然气广阔的勘探开发前景。根据煤层气及煤系砂岩气开发特点，对煤层气及煤系砂岩气划分为自生自储型、内生外储型2类气藏模式，提出将煤系的煤层与砂岩互层段，统一作为目的层进行综合评价，在垂向上拓展勘探开发空间，显著增加资源丰度，同时煤层与砂岩立体压裂改造也比单一煤层压裂更能提高储层改造效果，并提出煤系天然气综合勘探开发工作建议。

关键词:煤系地层；煤层气；致密砂岩气；复合成藏；综合勘探开发

目前中国煤层气产业稳步发展，已形成沁水、鄂东两大产业基地，初步形成1 200 m以浅煤层气勘探开发配套技术[1]，外围蜀南、准南、贵州等地区煤层气勘探开发也呈现出较好的形势，并随着勘探程度的提高及产能业务的增长，逐渐向深部拓展。但我国以往煤层气勘探开发主要针对煤层，评价体系和勘探对象均主要考虑煤层[2-5]，对煤系天然气缺乏整体考虑，既没能充分利用好资源，又致使深部煤层气勘探开发效果不佳；而煤系天然气勘探开发主要针对砂岩储层，对煤层气较少考虑。本文根据我国煤层气及煤系砂岩气开发特点，提出煤系天然气综合勘探开发促进煤层气产业发展的对策与建议，对我国煤层气勘探开发与产业发展具有重要意义。

1中国煤层气勘探开发现状与面临的问题

1.1中国煤层气勘探开发现状

受美国煤层气成功开发的启示，自20世纪80年代起，中国逐步在30多个煤层气目标区开展了前期评价，先后在柳林、开滦、晋城、两淮、大城、丰城、冷水江等地开展煤层气试验；2001年，在沁水获得煤层气勘探突破，发现沁水煤层气田，提交中国第1个煤层气探明地质储量；2006年，步入沁水煤层气田规模建产和鄂东煤层气田开发试验，逐步实现煤层气规模开发。截至2014年底，中国累计探明煤层气地质储量6 266亿m3，建成生产能力60亿m3/a，在建产能约40亿m3/a，2014年产量37亿m3，已累计产气150亿m3。

1.2中国煤层气产业化发展面临的问题

经过多年持续攻关研究和现场试验，中国已基本形成以直井/丛式井压裂为主的1 200 m以浅煤层气勘探开发配套技术系列，并已经在各开发区块推广应用[6]。根据国内外煤层气文献及勘探开发热点地区资料显示，绝大部分勘探开发活动局限于煤层埋藏深度小于1 200 m，也是现有煤层气技术经济可采的最大深度[7-8]。然而，根据煤层气资源评价及探井资料表明，1 200 m以深煤层蕴藏有十分丰富的煤层气资源，约占全部煤层气资源量的50%以上，多与致密砂岩气叠合共生[9]，展现了深部煤层气广阔的勘探前景。随着煤层气勘探开发的深入，一些开发热点地区为了寻找资源接替，将目标瞄向深部煤层，逐渐显示出了深部煤层气的开采价值。

国家煤层气勘探开发行动计划(2014—2020年)目标：建成3～4个煤层气产业化基地，新增探明煤层气地质储量1万亿m3，年产量200亿m3。要实现这一目标，需要加强研究深部煤层气的地质特征、资源潜力及成藏条件，寻找有利区块，探索出适宜的勘探开发技术及开采方式，为解放深部煤层气巨大资源提供理论依据。

2中国煤系地层复合天然气潜力分析

2.1中国煤层气与煤系砂岩气兼探的效果分析

煤系天然气是指在含煤地层中生成、储集形成的天然气藏，包括煤层气、砂岩气、页岩气，其中以煤层气、煤系砂岩气最为普遍。中国煤系砂岩气资源丰富，初步估算全国煤系砂岩气资源量30.95万亿m3，约占全国天然气总资源量的60%。煤系天然气一般属同一成藏体系、同一压力系统，具备统一的开采条件。

近年来我国煤系天然气综合勘探见到实效，如鄂尔多斯盆地东部煤层气与致密砂岩气勘探、准噶尔盆地东部煤层气与致密砂岩气勘探、鸡西的薄煤层与砂岩互层勘探，都取得良好勘探效果。

鄂尔多斯盆地东缘煤系天然气综合勘探，煤层与致密砂岩共采均获得高产。石楼西煤层埋深1 500～2 500 m，多口井日产5 000～220 000 m3；大宁—吉县煤层埋深1 000～2 000 m，多口井合层排采日产2.1万m3；延川南煤层埋深>1 450 m，单井日产气稳产2 000 m3以上；三交北煤层埋深1 200～2 200 m，单井稳产1.8万m3。

准噶尔盆地东部白家海地区煤层段与砂岩段合层压裂排采，多口井取得工业气流。彩17井2 811～2 828.8 m层段(煤层及顶板5 m砂岩)射孔，用126.8 m3原油压裂，加石英砂10 m3，最高泵压35 MPa，排液产气9 890 m3；彩504井2 567～2 583 m煤层段压裂后自喷、抽汲2 d后，煤层开始产气，日产气稳定7 300 m3左右。

鸡西盆地鸡气1井煤系地层钻遇煤层62层，累计厚度69.6 m，其中最厚3 m，厚度>2 m的5层，厚度>1 m的34层。鸡气1井煤层与砂岩段共同压裂试气，实现吸附气与游离气共采，获工业气流，最高日产气2 471 m3。

2.2中国深部煤层气分布范围及资源潜力

根据国土资源部新一轮油气资源评价，我国埋深在1 200～2 000 m煤层气资源量约为16.77万亿m3，占2 000 m以浅煤层气资源量的45.6%[10]。此外据推测煤层埋深在2 000～3 000 m煤层气资源量约为18.47万亿m3，合计埋深1 200～3 000 m煤层气资源35.24万亿m3。我国煤系砂岩气目的层埋深也多在1 200～3 000 m，因此煤系天然气综合勘探具有极大的资源潜力(表1)。

2.3煤层气及煤系砂岩气成藏模式

煤层气及煤系砂岩气可划分自生自储型、内生外储型2类气藏模式(图1)。自生自储型以吸附态为主，合适的圈闭条件下形成自生自储游离型煤层气藏；内生外储型为煤层顶底板砂岩中的常规天然气藏，多呈致密气存在，可与煤层气共采。

表1　中国埋深1 200～3 000 m煤层气远景资源量

注：1 200～2 000 m煤层气资源为资源评价数据；2 000～3 000 m为推测评价数据。

图1　煤层气及煤系天然气成藏模式Fig.1　Diagram of hydrocarbon accumulation modes of CBM and natural gas of coal measure strata

(1)内生外储型。

鄂尔多斯盆地东部孤1井5号煤层顶底板直接与砂岩接触，高成熟煤层中的游离气大部分向顶部砂岩中运移，在致密砂岩段富集成藏，少部分气在煤层中赋存，形成理想的煤层气与致密砂岩气成藏富集区，形成内生外储型煤层气藏模式。

(2)自生自储型。

自生自储型煤层气藏模式分为吸附型和游离型。吸附型：沁水盆地郑庄区块煤层气开发已超过1 200 m，显示了良好的前景。郑试60井区，煤层厚度5.4 m，埋深1 336.9 m，平均日产气2 100 m3。游离型：准噶尔盆地彩南地区划分为东道海子凹陷和白家海凸起，区内发育石炭纪大断裂和侏罗世北东向次级小断裂，呈雁行排列，是该区煤层气运移的主要通道。煤层气主要富集于白家海凸起的高部位。由于彩南地区断裂非常发育，深部坳陷成熟煤层中生成的气沿煤层向白家海凸起部位运移富集成藏，形成自生自储游离气藏模式。

3煤层气及煤系砂岩气开发特点及对策

3.1煤层气及煤系砂岩气开发特点

煤层渗透性与地应力状态密切相关，随着埋藏深度和地应力的增加，深部煤层渗透性变差[11]，1 200 m以深煤层原始渗透率一般低于1×10-3μm2，单一开采煤层则煤层气井产量较低或难以长期维持高产，但如果与砂岩共采往往能取得较好效果。以往勘探思路突出煤层气非常规性，单一吸附气勘探，优选高含气厚煤层区域，这样往往漏掉一些含气性较好地薄煤层或薄煤层与含气砂岩互层段。将煤系的薄煤层与砂岩互层段，作为统一勘探评价目标，在垂向上拓展勘探空间，明显增加了资源丰度，同时煤层与砂岩立体压裂改造也比单一煤层压裂更能较好地提高储层改造效果，如鄂尔多斯盆地东部、准东白家海地区、鸡西盆地等。总之煤系天然气综合勘探的思路在垂向上拓展了煤层气的勘探领域，正在成为目前重点勘探方向。

鄂尔多斯盆地东部是煤系天然气综合勘探最为优越的地区。区内主力煤层为山西组5号煤层及太原组8号煤层，煤层单层厚度大于3 m，局部厚15 m，煤岩变质程度由北向南逐渐变高，Ro介于0.6%～3.2%，埋深1 200～2 000 m煤层气资源2.749万亿m3；2 000 m以深煤层气资源7.97万亿m3。其中神木地区煤层总厚度10～25 m，含气量8.23～19.95 m3/t ，发育3套煤系砂岩，5号煤顶部直接与砂岩接触，砂岩中形成致密气富集区，为理想的煤层气与致密气复合成藏富集区。神木地区煤层埋深300～2 000 m的总面积5 095 km2，煤层气总资源量7 577.8亿m3，资源丰度1.55亿m3/km2。三套砂体致密砂岩气总资源量为8 220亿m3，资源量丰度0.53亿m3/km2。

准噶尔盆地白家海地区为油气富集区，现有资料显示该区具有丰富的煤层气、致密砂岩气资源。研究区致密气主要发育于八道湾组，八道湾组发育1～10层煤，平均煤厚20 m，煤层埋深900～3 300 m，总体呈东浅西深展布，东部最浅、西南最深。煤层热演化进入成熟阶段，深部煤层Ro达到1.0%。初步评价准噶尔彩南地区埋深3 000 m以浅含气面积约8 000 km2，煤层气资源16 587亿m3；致密砂岩气的有利区域为900 km2，预测资源量为4 580亿m3。

鸡西盆地位于黑龙江省东南部，为我国著名煤炭生产基地，该区煤层瓦斯含量高，煤层气资源潜力大。鸡西盆地含煤地层为白垩系下统穆棱组和城子河组，煤层层数多，单层薄，多与砂岩互层，煤与砂岩互层段厚度达几十到数百米。穆棱组含煤20余层，薄煤层为主，可采煤层累厚0.70～4.57 m，一般1～3.0 m；城子河组含煤20～70层，单层厚度薄，可采煤层累厚4.88～17.23 m，最厚超过50 m。煤层埋深一般500～1 500 m，局部超过2 000 m，初步评价煤层气资源1 747.2亿m3。鸡西盆地天然气勘探程度较低，致密气资源有待评价。

3.2煤层气与煤系砂岩气综合勘探开发对策

为达到一井多气、提高单井产量、降低生产成本目的，煤系地层中煤层段与砂岩段应采用合层开采的开发方式，增产改造可根据实际情况采用分层改造、煤层段与邻近砂岩段合层改造(有利于造缝和压裂缝在煤岩延伸)的方式[12-13]，如美国的皮森斯盆地在富含煤层气—砂岩气层段进行分压合排，数十至上百米厚的煤层—砂岩同时动用，直井单井日产气均达到数万立方米，最高20万m3以上。

而对于煤层段与砂岩段压力差异大造成明显层间干扰、砂岩段高含水导致共采时煤层降压难影响共采效果的[14]，为提高初期气体产量，可采用先期开采高压层或煤层、后期适当时机打开其他层接替的方式进行开发[15]。

3.3煤层气与煤系砂岩气综合勘探开发工作建议

(1)设立煤层气与煤系砂岩气综合勘探开发专项研究。

从煤层气与煤系砂岩气资源分布、成藏机理[16]、勘探开发技术、开发方案与经济效益等多方面研究，形成基础可靠、技术可行、效益可观的整套研究。

(2)开展煤层气与煤系砂岩气风险勘探和工艺技术试验。

以鄂尔多斯盆地东部、准噶尔盆地东部、鸡西-勃利地区为重点，优选煤系地层综合勘探有利区，开展风险勘探，落实勘探开发潜力。同时开展煤及砂岩互层段多层压裂、分层排采等工艺技术试验，为煤系天然气综合开发储备技术。

4结论

(1)中国深部煤层气资源丰富，多与煤系砂岩气共生，具有极大的勘探潜力，并在部分地区立体勘探见到实效。

(2)煤层气及煤系砂岩气可划分自生自储型、内生外储型2类气藏模式。自生自储型以吸附态为主，合适的圈闭条件下形成自生自储游离型煤层气藏；内生外储型在煤层顶底板致密砂岩中富集成藏，可与煤层气共采。

(3)将煤层与煤系砂岩互层段作为统一评价目标，在垂向上拓展勘探空间，增加资源丰度；同时煤层与砂岩立体压裂有利于储层改造，提高深部煤层气开发效益。

(4)建议以鄂尔多斯盆地东部、准噶尔盆地东部、鸡西-勃利地区为重点，优选煤层气及煤系砂岩气综合勘探有利区，开展煤及砂岩互层段多层压裂、分层排采等工艺技术试验，为煤系天然气综合勘探开发储备技术。

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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

中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0067-05

作者简介:李五忠(1967—)，男，河北容城人，高级工程师，博士。Tel：010-69213106，E-mail：lwzmcq69@petrochina.com.cn

基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05033-003)

收稿日期:2015-08-09修回日期:2015-11-02责任编辑:许书阁

李五忠，孙斌，孙钦平，等.以煤系天然气开发促进中国煤层气发展的对策分析[J].煤炭学报,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