新中国天然气勘探开发70年来的重大进展

戴金星，秦胜飞，胡国艺，倪云燕，甘利灯，黄士鹏，洪峰

（中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

新中国成立70年来，中国天然气勘探开发取得了重大进展，从贫气国跃升为世界第 6产气大国。从人均拥有气量和天然气储量呈量级陡升足以说明中国从贫气国到产气大国的历程。1949年中国年产气1 117×104m3[1-2]，年人均用气 0.020 6 m3，2018 年产气1 602.7×108m3[3]，年人均用气（国产）114.857 6 m3，70年内人均年用气量增加5 575倍；1949年中国天然气探明地质储量为3.85×108m3[4]，人均天然气地质储量为 0.710 7 m3，2018年天然气累计探明地质储量167 600.24× 108m3，人均天然气地质储量 12 011.08 m3，70年内人均享有天然气地质储量增加了 16 900倍；1949年中国仅在四川盆地发现了自流井、石油沟和圣灯山气田，台湾省发现锦水、竹东、牛山和六重溪等小气田[5]，2018年中国共计发现了 313个气田（包括页岩气田5个、煤层气田24个和二氧化碳气田3个），其中储量超300×108m3的大气田72个，苏里格气田和安岳气田地质储量均超1×1012m3，这两大气田目前年产气量均超过100×108m3。

70年来中国在产气量、储量和发现气田数量上的辉煌业绩，主要与地震勘探和钻井技术飞速发展密切相关。1951年中国组建了第1个地震队，并在鄂尔多斯盆地延长矿区首次开展了中国石油地震勘探[6-7]，至2018年中国有191个石油勘探地震队。中国地震勘探技术发展可划分为4个阶段：①光点地震（1964—1971年），应用“五一”型光点地震仪，在感光纸上以光点照相记录地震波信息，单点接收，不可回放，只能发现背斜圈闭和隆起，且效率低、精度低；②模拟地震（1965—1981年），应用模拟磁带地震仪，多次覆盖，可回放记录解释，主要用于构造解释，尝试用速度谱资料识别特殊岩性体；③数字地震（1974—1997年），使用数字地震仪，覆盖次数提高+全数字处理解释扩大应用领域，用于构造、岩性、含油气性综合评价等研究；④两宽一高（2000年至今），两宽一高（宽频带、宽方位、高密度）增加方位地震信息，解决裂缝和应力等造成的各向异性问题，应用领域从常规储集层到非常规储集层，如烃源岩品质和工程品质预测，水平井优化部署与现场跟踪。全数字三维可视化+虚拟现实，实现所见即所得。

1949年中国仅有8台浅、中型钻机[5]，2018年中国共有石油钻机2 719台，以中、深型钻机为主，还有超深型钻机。近年来通过深度达6 000 m的超深层钻探，在塔里木盆地发现了克深、大北、塔中 1号大气田，在四川盆地发现元坝和龙岗大气田[8]，在塔里木盆地完成了亚洲陆上第1深井轮探1井（8 882 m）[8-9]。钻井技术由直井发展至水平井及酸化压裂作业。水平井技术保障了页岩气产出，使中国涪陵、长宁和威远页岩气田得以开发。

1 从贫气国到天然气大国

中国天然气工业从新中国建立初期的一穷二白，经过漫长地艰苦探索，走向快速发展的道路，使中国天然气探明储量从微不足道到跻身于世界前列，天然气产量也从微乎其微跃升为世界第6产气大国。

1.1 天然气资源大国的形成

1949年中国天然气探明储量仅为3.85×108m3[1]，在之后的数十年里，天然气储量增长缓慢，但从1979年之后的40年增长明显，特别是最近的20年增长迅速。从1949年到1993年历经45年，中国天然气累计探明储量才上升到1×1012m3（不包括台湾省，下同），而储量增加到2×1012m3，仅用了6年时间。2009年，天然气累计探明储量突破7×1012m3[10]，到2014年天然气探明储量突破了10×1012m3，2018年更是突破了15×1012m3（不包括页岩气、煤层气等非常规气）（见图1）。从图1还可以看出，中国天然气储量的快速增长与煤成气的储量增长息息相关，煤成气是中国天然气储量增长的主力军。煤成气在1999年累计探明储量突破1×1012m3，仅过了两年，储量达到2×1012m3，至2018年累计储量突破了9×1012m3。

图1 1949年至2018年中国天然气和煤成气累计探明储量及与大气田关系

全国发现煤成气田188个（包括煤层气田24个），煤成气田占全国气田313个的60.1%。2018年底全国煤成气田累计探明储量为92 556×108m3，占当年全国气层气累计探明储量150 622.6×108m3的61.4%，这与前人研究中国从气田个数上和探明储量上都以煤成气为主的结论一致[11-18]。

1.2 天然气产量大国的形成

1949年中国天然气产量只有1 117×104m3[1-2]，直至1957年中国天然气年产量均在1×108m3以下；1958年产气量达1.064 3×108m3，1976年产量突破百亿立方米（100.950 1×108m3）。1998年产气 222.8×108m3，是年中国人均用气仅17.9 m3，为贫气国。产气大国标准是年产气达500×108m3或更多的国家[19]。1929年美国产气541×108m3成为世界上第1个产气大国；1960年俄罗斯（前苏联）产气452.8×108m3，之后成为世界第2个产气大国。从1929年至2003年，世界年产气达500×108m3的产气大国只有11个。分析这些成为产气大国的基本条件主要有两项：①天然气可采资源量大于13×1012m3；②剩余可采储量最低要达 1.246 2×1012m3[19]。2003年，中国天然气可采资源量为13.32×1012～17.00×1012m3，剩余可采储量为 2.089 4×1012m3，据此，戴金星[19-20]、贾文瑞等[21]、张抗等[22]和赵贤正等[23]推断中国2005年可成为产气大国。果然2005年中国年产气 499.5×108m3（其中煤成气 261.16×108m3，占52.3%），成为当年世界第11位产气大国（见图2），该年全世界有 12个产气大国。分析图2得知，①2005年成为产气大国之前中国各年天然气中煤成气产量占比均低于50%甚至更低，2005年之后各年煤成气产量占比均高于 50%，年均为 56.5%，最多的 2008年占66.2%；②2005年之后，年产气上升率变大。

从1949年至2010年历经61年，中国累计产气量达到 1×1012m3（1.017×1012m3），之后历经 8 年至 2018年累计产量就上升至 2×1012m3（2.068×1012m3），可见中国年产气量日益增加。

图2 1949年至2018年中国天然气（包括煤成气）年产量

2 勘探开发和研究大气田是快速发展天然气工业的主要途径

2.1 大气田是天然气工业的支柱

截至2018年底，中国共发现大气田72个（包含4个页岩气田和4个煤层气田），中国第1个大气田是发现于1959年的卧龙河气田，地质储量380×108m3[19]，中国大气田的分布如图3所示。由图3可知，中国大气田主要分布在3大盆地：四川盆地共有25个（4个页岩气田）、鄂尔多斯盆地13个（1个煤层气田）、塔里木盆地10个，同时，这3个盆地也是中国主产气区[24]。2018年，鄂尔多斯盆地大气田天然气产量为 408.69×108m3，四川盆地大气田产量为399.15×108m3，塔里木盆地大气田产量为231.42×108m3，大气田产量占各自盆地总产量的比例分别为87.9%、92.9%和85.4%。这3个盆地大气田产量共计1 039.26×108m3，占中国天然气总产量的65%，因此这3个盆地大气田在中国天然气产量中占主体地位。

储量大于1×1012m3的超大型气田对产气大国起重大作用，中国苏里格和安岳两个气田均属超大型气田，2018 年产气量均超 100×108m3，共产气 302.8×108m3，占全国产气量的18.9%。目前世界产气大国荷兰和俄罗斯均勘探开发大气田从贫气国变为产气大国。荷兰在1958年天然气可采储量不足 740×108m3，年产气仅2×108m3，但1959年发现可采储量近3×1012m3格罗宁根超大型气田，1975年产气828.8×108m3，由此向德国、法国和比利时出口天然气，成为产气大国[19]。俄罗斯（前苏联）在20世纪50年代初天然气储量不足2 230×108m3，年产气仅 57×108m3，是个贫气国，1960—1990年由于发现 40多个大气田，使天然气储量达453 069×108m3，天然气年产量从453×108m3增长到8 150×108m3，使其由贫气国一跃成为当时世界第1天然气大国[19]。

2.2 大气田发现高峰期也是中国储量和产量快速增长期

1949年中国累计探明天然气地质储量和年产气量都极低，直至1990年中国累计探明天然气储量仍仅有7 045×108m3，年产量 152×108m3，在这 40 多年的时间里，中国天然气储量和产量增长缓慢，主要原因是这期间发现的大气田数量很少，全国仅探明 6个大气田[25]，而且没有一个大气田的储量超过 1 000×108m3[26]。但从1991年至2018年28年间，平均每年发现2.4个大气田，而且单个大气田的储量规模也很大，超过1 000×108m3的大气田33个，苏里格和安岳大气田的储量规模超过10 000×108m3，这些大气田的发现促进了中国天然气储量和产量的快速增长（见图1）。至2018年底中国 72个大气田累计探明天然气地质储量达124 504×108m3，占全国探明天然气储量16.7×1012m3的75%。

从图1与图2对比可见，从1991年至2000年大气田发现数与天然气储量增长率正相关性显著，但同期大气田发现数与天然气年产量增加率正相关性不显著，这是由于大气田开发和运输管线建设需要时间的缘故，这种滞后性从2001年之后就消退了，且显示大气田发现率与储量和天然气产量具有显著正相关性。

图3 中国大气田分布示意图

2.3 大气田主控因素和形成条件研究加速了大气田的发现

自从“六五”期间以来，借助国家天然气科技攻关等项目，中国学者持续开展大气田形成主控因素研究[27-34]，在大气田形成的众多影响因素中，总结出大气田形成的 7项定量和半定量的主控因素[32]，并预测中国大气田有利勘探领域，加速了一大批大气田的发现。概括形成大气田的定量和半定量主控因素主要包括[32]：①生气中心及其周缘生气强度大于 20×108m3/km2的区带，有利于大气田的形成；②大气田成藏期晚，主要在新生代，若多次成藏则指最后一次成藏期；③有效气源区存在古隆起圈闭；④大气田多形成于煤系或其上、下圈闭中；⑤大气田生气区内以孔隙型储集层为主；⑥低气势区是大气田聚集的有利地区；⑦异常压力封存箱外（间）或箱内有利于大气田形成。利用上述大气田形成的主控因素研究成果，成功地提前预测了中国大气田展布情况，为中国大气田发现和勘探提供了理论基础，加速了大气田的勘探开发。图4是“六五”以来天然气攻关专题所预测的鄂尔多斯盆地天然气有利区或气聚集带与其后不同时期探明大气田对比图。早期研究成果成功地预测了鄂尔多斯盆地天然气有利地区，至2018年底鄂尔多斯盆地共发现大气田 12个（煤层大气田除外），天然气探明地质储量达43 461.89×108m3，其中超过千亿立方米的大气田有9个，这些大气田均分布在早期预测的天然气有利勘探区范围内，并且基本上位于生气强度大于 20× 108m3/km2的区带内，生气强度控制着大气田的分布。

3 天然气新理论推动天然气工业更快发展

分类原则不同，可以划分出不同的天然气理论。根据气组分中原子来源于有机质或无机质，形成了天然气有机成因理论和无机成因理论；根据烷烃气来源于腐泥型干酪根或腐殖型干酪根，形成了油型气理论和煤成气理论；主要根据储源分离或储源共体，形成了常规天然气理论和非常规天然气理论，后者还包括储源分离如致密砂岩气。

图4 鄂尔多斯盆地不同年代探明大气田对比

油型气理论和煤成气理论，是以往至今指导天然气工业发展的功勋型理论。非常规气理论在“页岩气革命”推动下，对推动今后天然气工业更好发展显示强大潜力。

3.1 煤成气理论促进了中国从贫气国走向产气大国

世界上19世纪70年代开始形成海相生油理论萌芽，之后一直在发展和完善；20世纪20年代以中国学者研究为主开始形成陆相生油理论[35-36]。无论是海相生油理论或陆相生油理论均认为腐泥型泥页岩和碳酸盐岩是油气的源岩，区别是前者源岩为海相，后者源岩为陆相，故两者均在油型气理论范围之内。由此可见，指导世界天然气勘探最早的传统理论是油型气理论。

20世纪 40年代德国学者提出煤系能够形成大量天然气，并能聚集成工业性气田[37]，但未注意煤系可否成油而建立了纯朴的煤成气理论。此新理论的出现并首先在西欧指导天然气勘探而取得了丰硕成果：在德国西北盆地发现格罗宁根超大型气田等大批煤成气田[17]；在英荷盆地至少发现455个煤成气田[38]。

中国近代石油工业从1878年开始，经过100年至1978年[19]，均以油型气理论即“一元论”指导天然气勘探，天然气工业极其薄弱，天然气储量和产量均很少。中国煤成气研究始于20世纪70年代末，1979年《成煤作用形成的天然气与石油》[39]指出煤系成烃的气油主次关系，煤成气核心理论是煤系为气源岩，煤系成烃以气为主油为辅[17,40]。煤成气新理论的出现，使指导中国天然气勘探的理论从油型气“一元论”发展成煤成气和油型气的“二元论”。煤成气理论开辟了中国天然气勘探新领域，促进了中国天然气工业大发展，由以下几方面足以可见：①煤成气促进了中国成为产气大国，2005年中国成为世界第11位产气大国。众所周知：储量是产量的基础，在煤成气储量和产量在天然气中比例均超过50%时，中国才成为产气大国；2005年中国以上两者比例分别为 62.4%和 52.3%，这说明煤成气储量和产量是中国成为世界产气大国的基础。②煤成大气田是产气大国的主力，截至2018年底中国共发现常规大气田 64个（累计探明天然气储量109 425.21×108m3，不包括4个页岩和4个煤层气大气田），其中煤成大气田 45个，累计探明天然气储量82 912.42×108m3，全国累计探明天然气储量167 600.24×108m3，故煤成大气田储量分别占全国天然气储量和大气田总储量的 49.47%和 75.77%。2018年全国天然气产量为 1 602.7×108m3，大气田产量为 1 081.56×108m3，其中煤成气大气田产量为816.27×108m3，故煤成气大气田产量分别占全国产气量和大气田产气量的50.93%和75.47%。③煤成气新理论指导天然气勘探开发建成中国最大产气区。鄂尔多斯盆地是中国最早用现代化钻机勘探油气的油田，从 1907年延1井开始至1970年代末一直以海相和陆相生油理论指导勘探，不把石炭系—二叠系含煤地层作为气源岩进行勘探，天然气勘探未有进展，1980年初尤其是“六五”“煤成气开发研究”天然气科技攻关开始，长庆油田和众多学者[41-46]指出石炭系—二叠系煤系是良好气源岩，其至今仍是长庆油田天然气勘探重要目标。鄂尔多斯盆地勘探开发取得重大进展，成为中国第1个大气区。2018年产气464.96×108m3，是中国第1个年产气超400×108m3盆地，占全国产气量的 29%。其中中国储量和产量最高的苏里格气田，2018年累计探明天然气储量18 598×108m3，年产气量 188.68×108m3，占全国产气量的 11.77%。全盆地共发现12个大气田（见图4），除靖边气田是煤成气和油型气混源外其他均为煤成大气田，其中9个储量超1 000×108m3。鄂尔多斯大气区为京津冀和西北东部地区改善环境污染起了重大作用。④克拉 2煤成大气田发现和开发，催生了西气东输管线建设和中国第 3大气区塔里木气区的诞生。尽管当时一种意见认为要西气东输管线年输120×108m3天然气，塔里木盆地储量保证还不足，储采比仅为28，不宜建设该管线；但另一种意见认为可建该工程[46]，因为有天然气地质和开发优越的“三最”的克拉 2大气田作基础：最大的储量丰度（59.05×108m3/km2）、最高的气柱高度（468 m）、最大的单井（克拉2-7井）产量（495.6×104m3/d）。同时库车坳陷煤成气潜力大，还可找到更多储量。之后迪那2、大北、克深等一批煤成气大气田发现，使西气东输的储量保证更充足，以及塔里木盆地现今已成为中国第 3大气区，证明煤成气理论对中国天然气工业发展意义重大。

3.2 页岩气理论为中国天然气工业更快发展增添了新动力

页岩气是产自极低孔渗、暗色富有机质页岩地层系统中源储一体的天然气，以吸附或游离状态为主要聚集方式，本质上为连续生成的生物成因气、热成因气或两者的混合气[47-49]。页岩气由于其分布广、储量大等特点，近10年来迅速崛起，受到越来越多国家的重视。美国自1821年钻探第1口井深仅8 m的页岩气井以来，经过了近200年的发展，主要经历了4个阶段[50]：第 1阶段（1821—1978年），偶然发现阶段；第2阶段（1978—2003年），认识创新与技术突破阶段；第3阶段（2003—2006年），水平井与水力压裂技术推广应用阶段（大发展阶段）；第4阶段（2007年至今），全球化发展阶段。美国是世界上唯一实现页岩气大规模商业开采的国家。1981年被誉为Barnett页岩气之父的乔治·米歇尔对C.W.Slay No.1井页岩段实现大规模压裂导致Barnett页岩成为美国第1个大规模商业化开采的页岩气田，由此推动了美国页岩气勘探开发的蓬勃发展和重大突破，在全球掀起了页岩气勘探开发的热潮[51]。目前在美国、中国、加拿大和阿根廷已取得可喜的开发成果（见图5）。2018年，美国页岩气产量6 072×108m3[52]，页岩气探明储量占天然气总探明储量的 66%[53]，使美国从进口天然气的产气大国，跃变为出口天然气的产气大国。

图5 2018年世界页岩气产气国的页岩气产量图[52]

中国与北美都广泛发育海相页岩，但中国还发育海陆过渡相和陆相页岩。中国和北美海相页岩有机质类型都以Ⅰ型或Ⅱ1型为主[54]，中国海相页岩时代老、埋深大（1 500～5 000 m）、热成熟度高（Ro值为2.0%～3.5%），成藏条件复杂，历经多期构造运动，保存条件差，勘探风险较大。中国陆相页岩埋藏深度大，但热成熟度低（Ro值为0.4%～1.3%）[55]。中国页岩储集层含有大量脆性矿物，脆性系数可达46.15%[56]，北美的储集层脆性系数为38.27%[57]，总体上中国页岩比美国页岩脆性更好。

中国页岩与美国页岩相比，由于埋深大，经历多期构造运动，保存条件差。海相页岩年代老，成熟度高；陆相页岩时代新，成熟度低，多数处于生油窗阶段，中国页岩气地质条件比美国差。美国1980年就启动了页岩气开发理论技术攻关项目，而中国则晚了约30年。中国页岩气勘探开发大致经历了3个阶段[58]：①学习借鉴阶段（2003—2008年）；②选区评价与探井实施阶段（2009—2012年）；③规模建产阶段（2013年至现今）。中国在2008年与国际合作完成第1口页岩气井——长芯 1井，2009年中国石油实施页岩气威201直井，2010年发现了五峰组—龙马溪组和筇竹寺组两套页岩气目的层段，并获得工业性页岩气流，由此推动了四川盆地南部自2013年以来先后发现并开发了涪陵、威远、长宁、戚荣等页岩气田。2018年底中国页岩气累计探明地质储量10 455.67×108m3，其中经济可采储量1 313.29×108m3，累计产气量335.24×108m3。由于中国页岩气地质资源量为（83.3～166.0）×1012m3，技术可采资源量为（10.0～36.1）×1012m3，总体上页岩气资源量丰富，具有较好的发展前景[59]，目前中国已成为世界第 2页岩气产气大国，页岩气也是中国天然气工业发展的新动力。

3.3 煤层气

全球有74个国家有煤层气资源，其中90%的煤层气资源分布在12个主要产煤国家。煤层气产业发展相对较早的国家有美国、俄罗斯、德国、澳大利亚、英国、印度等，其中美国是煤层气开发最成功和采气量最大的国家[60]。中国煤层气资源开发分为 3个阶段：矿井抽放瓦斯阶段（1952—1989年）、煤层气开发技术引进阶段（1989—1995年）和煤层气产业形成阶段（1996年至今）[61]。1995年以来，中国建立了国家煤层气开发利用工程研究中心和煤矿瓦斯治理研究中心，1997年钻探了沁南枣园第1口煤层气井，到2015年，已经建成了沁水、鄂东、阳煤等10个煤层气产业示范工程项目基地。

中国煤层气资源丰富，2006年国土资源部组织的“新一轮煤层气资源评价”结果显示，中国埋深2 000 m 以浅煤层气地质资源总量为36.81×1012m3，可采资源量为10.87×1012m3。2015年国土资源部油气战略研究中心组织的“煤层气资源动态评价”结果显示，中国埋深2 000 m以浅煤层气总资源量约为30×1012m3，可采资源量约为12.5×1012m3，居世界第3位（见表1）。截至 2018年底，全国累计探明煤层气地质储量6 521.9×108m3，技术可采储量超过 3 253×108m3，经济可采储量超过2 625×108m3。

表1 世界各国煤层气资源量与煤炭量[62]

中国煤层气资源具有“多个煤阶、多个深度、多期生气、多源叠加、多期改造”的地质特征。煤阶煤质种类多、煤层埋深跨度大、成煤条件多样、成煤时代多期、煤变质作用叠加、构造变动多幕，导致煤层气成藏作用复杂和气藏类型多样[63]。煤层气赋存总体特征可概括为“四低一高”，即含气饱和度低、渗透率低、资源丰度低、储集层压力低和变质程度高。与美国、澳大利亚等国的煤层气主力产区的储集层特征相比，中国的煤层气储集层既有煤层厚度大、含气量高、埋藏深度适中等有利特征，又有形成时代晚、构造复杂、压力系数低、渗透率低等不利因素[64]，故中国煤层气开发难度大，条件和产量不及美国，2018年仅产51.5×108m3。

4 结论

新中国70年来天然气勘探开发取得重大进展，从贫气国跃升为世界第6产气大国。1949年中国年产气1 117×104m3，探明天然气储量为 3.85×108m3，人年均国产气和储量分别为0.020 6 m3和0.710 7 m3。而至2018年人年均国产气 114.857 6 m3，天然气储量为12 011.08 m3，人均国产气量和储量分别增加5 575倍和16 900倍。

勘探开发和研究大气田是快速发展天然气工业的的主要途径。截至 2018年底，中国共发现大气田 72个，其中苏里格和安岳两个大气田探明地质储量超1×1012m3，也是年产气量超100×108m3的大气田。大气田主要分布于四川（25个）、鄂尔多斯（13个）和塔里木（10个）3个盆地。2018年此3盆地大气田共产气1 039.26×108m3，占中国天然气总产量的65%，可见大气田在中国产气量中占主体地位。至2018年底中国72个大气田累计探明天然气储量共124 504×108m3，占全国探明天然气储量 16.7×1012m3的 75%，足以说明大气田在天然气工业中举足轻重的作用。

天然气新理论推动中国天然气工业更好更快发展。1979年之前指导天然气勘探的是传统的油型气理论即“一元论”，1979年以来煤成气成为指导天然气勘探新理论，指导中国天然气勘探理论从“一元论”发展为“二元论”（油型气和煤成气），使中国天然气工业获得快速发展。煤成气是中国成为产气大国的主力气。2018年中国天然气产量为1 602.7×108m3，大气田产气 1 081.56×108m3，其中煤成大气田产量为816.27×108m3，煤成气大气田产量分别占中国产气量和大气田的产气量的 50.93%和 75.47%；2018年底中国煤成气田累计探明储量为92 556×108m3，占当年全国累计探明储量150 622.6×108m3的61.4%。页岩气理论21世纪初才在中国出现，但至2018年已取得重要进展，目前页岩气年产量达108.8×108m3，探明开发了涪陵、长宁、威远和威荣页岩气田，共计探明天然气地质储量 10 455.67×108m3，累计产气 335.24×108m3，在世界产气四国（美国、中国、加拿大和阿根廷）中年产量仅次美国，显示了中国页岩气有较好的前景。

致谢：苏义脑院士、何治亮教授和张功成教授提供了有关钻井队和地震队数据，深表感谢。