我国与美国煤层气勘探开发条件对比 煤层气勘探开发技术研究

（一）中美煤层气地质条件对比

我国煤层气资源丰富，但是具有与美国不同的成煤和煤化作用地质条件，地壳运动具有多期叠加性，构造活动具有复杂多样性，因而我国煤层气成藏机理和气藏富集规律均与美国不同，煤层气勘探开发表现出诸多特殊性。

1.构造背景不同

美国位于北美地台之上，北美地台是以加拿大和格陵兰地盾为中心，以同心圆的方式向外发展起来的一个巨型地台。在地台内部，以地台为基底的含煤盆地构造较稳定，聚煤作用发育，煤炭资源赋存条件简单、储量丰富。我国位于复合大陆之上，地台较小，其周边的过渡带窄，构造活动频繁强烈。在我国总体十分复杂的构造背景中，相对稳定的地台区含煤盆地占有十分重要地位，形成了华北地台中西部及华南扬子地台中西部古生代煤层气聚气区。

2.煤级

我国中煤级煤炭资源约占全国煤炭资源的30%，而高煤级和低煤级煤炭资源占70%，而美国的煤层气产量主要来自于中煤级的煤层中。美国传统观念认为在无烟煤中难以获得工业性气流，主要是因为深层变质作用形成的无烟煤各种孔隙遭受强烈压实，割理很不发育，致使煤储层的渗透性很差。但在我国山西沁水盆地南部高变质无烟煤中施工的煤层气开发试验井网中，单井最高产量达16000m³/d，在正常排采情况下，日产气量可稳定在2000～3000m³/d，产气量是相当可观的。这预示高变质煤层中的煤层气资源仍具有良好的开发前景。

我国低阶煤（褐煤和长焰煤）主要分布在西北及东北含气盆地群，虽然煤层含气量普遍较低，但煤层厚度大且分布面积广泛，地质构造简单，煤储层渗透性能好，是我国煤层气资源的一个重要领域。近年在美国粉河等盆地的煤层气开发实践证明，在亚烟煤（相当于我国煤级划分中的褐煤）中，即使实测煤层气含量低，但煤层渗透率高，厚度大，仍能实现商业性煤层气开发，这为我国在低阶煤中开发煤层气提供了借鉴。

3.低渗

我国煤层普遍存在低渗（<1mD）、低储层压力（压力系数＜0.8）和低含气饱和度（<70%）的“三低”不利条件，但煤层埋深、含气量、煤层厚度大都比较理想。我国的煤层渗透率大多不超过10mD，一般在1mD左右。但也有储层条件相对有利的区域，如沁水和鄂尔多斯盆地某些煤层的地质条件与美国的圣胡安、黑勇士等盆地相当。虽然美国圣胡安、黑勇士盆地部分煤层渗透率在10mD左右，甚至高达50mD，但也仅在局部地区出现，大多数的煤层渗透率还是普遍较低，主要通过压裂等措施改善煤层的导流能力。

4.后期构造破坏

我国成煤后期构造破坏较为严重，造成部分地区构造煤发育，使储层改造措施无法实现。一些含煤和含气条件较好的地区，有时具有较强的储层非均质性，煤层气可采条件相对较差，一定程度制约了煤层气井的产能开发，但通过实施低渗透性构造煤储层改造和煤层气井压裂等措施也可以实现对此类煤层气资源的有效开发。我国已经取得了部分区块煤层气勘探开发试验的成功，还需要进一步实践和完善成熟的和系统配套的适用于我国煤层气地质条件的勘探开发工艺技术。

美国与中国都是资源大国，有相同之处，更有不同之处，应当借鉴，但绝不可照搬。

（二）中美煤层气勘探开发状况对比

美国是世界上开采煤层气最早和最成功的国家，起步于20世纪70年代，大规模发展始于80年代。由于美国政府1980年出台了税收补贴优惠政策，煤层气产量从1980年的不足1×10⁸m³，迅速上升到1991年的100×10⁸m³，之后产量逐年上升，到2004年达到500×10⁸m³，占气体能源（天然气）总量的8%～10%，成为常规天然气的重要替代能源。主要的原因包括：一是能源需求、环保要求和经济效益是促使美国致力于煤层气开发的动力源泉；二是重视煤层气地质研究和资源评价，发展煤层气勘探开发技术；三是制订优于常规天然气的经济扶持政策，以增强煤层气产业的市场竞争能力；四是健全的法律保障煤层气产业的发展；五是具有完善的天然气管网等基础设施。

与美国相比，我国煤层气勘探起步晚，发展缓慢，但随着国家对煤层气的重视，以及技术水平的不断提高，目前已经进入了起步阶段，原因主要有：一是我国具有雄厚的煤层气资源基础，通过综合评价优选出沁水、鄂尔多斯东缘及南缘、宁武、安阳—鹤壁、松藻等有利区带，具有资源丰度高、资源量大、储层物性好、开发条件便利等特点，是近期和中长期进行煤层气规模开发的有利区；二是从20世纪80年代中期，我国陆续开展煤层气地面勘探工作以来，煤层气勘探开发理论、方法和技术取得明显进步，初步形成适合我国煤层气地质特点的勘探开发理论、方法和技术；三是我国煤层气勘探开发已初见成效，获得了1023.08×10⁸m³的煤层气探明地质储量，煤矿区瓦斯抽放已形成一定规模；四是出台部分煤层气勘探开发优惠政策；五是天然气管网等基础设施正在不断构建；六是能源需求、环保要求和煤矿安全形势同样是促使我国致力于煤层气开发的动力源泉。因此，我国基本具备了美国20世纪80年代中后期煤层气的勘探开发条件。

我国从20世纪80年代开始，积极引进美国的煤层气开采技术，进行勘探开发试验，但效果不理想。90年代后，国内一些勘探部门也投入一定的力量进行煤层气技术攻关研究，也未能实现煤层气开发的大规模突破。主要原因是我国煤层气的地质条件不同于美国。我国煤层气储层与美国相比，具有低压、低渗透和低饱和的特点，煤层气地质条件复杂，开采难度大。美国的煤层气主要产于中生代白垩纪地层的中等变质程度的中煤阶煤层。我国虽然高中低煤阶的煤层均含有煤层气，但埋深2000m以浅的煤层气主要赋存在古生代石炭纪—二叠纪高变质程度的高煤阶煤层中。美国在煤层气开发技术方面取得的经验，不能完全适用于我国煤层气的勘探开发。在煤层气开发中，对我国煤层气地质赋存特点和复杂性认识不够，勘探开发技术研究不够。因此，应结合我国煤层气的地质特性，借鉴美国、加拿大等发达国家煤层气勘探开发实践经验，加大煤层气勘探开发技术研究，提高煤层气产量和采收率。

琚宜文 颜志丰 李朝锋 房立志 张文静
作者简介:琚宜文,男,博士,教授,博士生导师。中国科学院研究生院,北京市玉泉路甲19号,100049,010-88256466,13810002826,juyw03@163.com
(中国科学院研究生院 地球科学学院 北京 100049)
摘要:煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前我国的煤层气产业已实现商业化生产,但页岩气还处于试验阶段。在一些能源盆地中,会同时存在煤层气和页岩气源岩,它们可能相邻或处于较近或较远层位。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同,但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中,页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中。煤层气和页岩气均储存于低孔低渗的储层中,它们的开采技术均包含评价技术、测试技术、钻井技术和储层改造技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气,就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采,从而提高它们的开采效率,促进非常规天然气产业的快速发展。
关键词:煤层气 页岩气 富集特征 开发技术 储层改造
Commonness and Differences of Enrichment Characteristics and Mining Technology of China's Coalbed Methane and Shale Gas
JU Yiwen YAN Zhifeng LI Chaofeng FANG Lizhi ZHANG Wenjing
(College of Earth Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China)
Abstract: Coalbed methane and shale gas are important unconventional resources.At present, the coalbed methane industry of China has been produced commercially; however, the shale gas production is still at experi- mental stage.The source rocks of coalbed methane and shale gas will occur in some energy basin together,and they may be adjacent or in near or far layers.Although coalbed methane and shale gas are different in their sources and occurrence layers etc., there are some common situation, such as the enrichment characteristics, the migrating procedure and the developing technology.The coalbed methane mainly enrichs in the coalbeds with adsorption state, while shale gas enriches in the high-carbon mudstone or shale with adsorption or free state.Because both coalbed methane and shale gas store in reservoirs with low porosity and permeability,and all their mining technolo- gy include evaluating, testing, drilling and reservoir stimulation etc.If both coalbed methane and shale gas occur in the same basin, then they can be exploited by the same well, therefore their exploiting efficiency will be im- proved, and the unconventional natural gas industry will be developed rapidly.
Keywords: coalbed methane; shale gas; enrichment characteristics; development technology; reservoir stimulation
1 前言
我国经济持续快速发展,能源需求不断增加,天然气需求迅速增长,预测2015年需求量1560亿m3,缺口约560亿m3,2020年需求量2930亿m3,缺口将达1000亿m3(王一兵等,2010)。在国际上煤层气和页岩气等非常规天然气是油气勘探的重要目标(Ross et al.,2008)。在我国增加常规油气产量非常困难的情况下,开发煤层气和页岩气等非常规资源,就成为我国能源可持续发展的现实选择。
煤层气和页岩气的勘探开发和利用首先由美国获得成功,2006年以来全美煤层气年产量稳定在540亿m3以上(李五忠等,2008),2009年美国的煤层气产量达到542亿m3。2009年美国页岩气生产井近98590口,页岩气年产量接近1000亿m3(崔青,2010),2010年,美国页岩气探明储量已逾60万亿m3,产量达1000亿m3,占其天然气总产量的1/5(新华网,2011)。煤层气和页岩气产业已成为美国举足轻重的能源工业。煤层气方面除美国外,加拿大、澳大利亚和中国等国家也已获得突破。截至2009年底,我国已建煤层气产能25亿m3,全年地面煤层气产量超过10亿m3(新华网,2011)。2010年地面煤层气抽采量为15.8亿m3。页岩气方面除美国外,加拿大也开始了规模化生产,中国和澳大利亚等国也已开始了试验性研究。
在一些能源盆地中,会同时存在煤层气和页岩气源岩,它们可能相邻或处于较近或较远层位。在地质作用过程中,受生物化学作用或物理化学作用所产生的气体,会分别储存在煤层气或页岩气储层,若不同储层通过断层或裂隙相连通,可能会形成混合储层或相距很近的储层。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同,但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。在开采煤层气或页岩气的过程中,我们怎样才能够把相距较近两种储层的气体都采出来呢?如果两个储层相距较远的话我们能不能同时对煤层气和页岩气进行开采呢?
经过多年的探索、试验和研究,我国煤层气地质研究在煤层气赋存的地质过程与动力学机制研究、煤层气储集系统与聚散机制研究以及煤层气藏经济高效开发的场效应研究等方面均取得显著进展(秦勇,2003;汤达祯等,2003);同时,在选区评价技术、钻井技术、压裂技术、排采技术等开发技术上也取得重要突破(李嘉川等,2011)。近些年来,在页岩气勘探理论与技术方面也取得一定的成果(程克明等,2009;聂海宽等,2010;张金川等,2008)。
我国煤层气存在的问题是地质条件复杂——低渗透、低压力、低饱和度,开发理论与技术有诸多难题没有解决,储存运输困难,利用率低等问题;我国页岩气还处于研究阶段,没有开始试生产,对于页岩气的研究中渗流机理方面研究较少(刘德华等,2011)。对此应加强煤层气的基础理论研究,进一步提高对煤层气的认识程度,提高开采效率和资源利用率;对页岩气应加强富集特征与渗流机理的研究,形成系统的开发技术体系,以促进页岩气产业的发展。
本文在前人研究的基础上探讨煤层气和页岩气富集特征与开采技术的共性与差异性,研究的目的在于探索煤层气与页岩气富集的内在关系,煤层气与页岩气生成、演化与富集的机理,以及它们共同开发的可能性。因此,通过煤层气与页岩气富集特征与开采技术的比较研究,对于发展适合于我国地质条件的非常规天然气地质理论、推动我国非常规天然气产业的尽快形成均有所裨益。
2 煤层气与页岩气概念及其评价方法
煤层气俗称瓦斯,又名煤层甲烷,是与煤伴生、共生的气体资源,其主要成分为甲烷,含量组成为80%~99%,其次含有少量的CO2、N2、H2、SO2、C2H6等气体。煤层气主要以吸附态赋存于煤层孔隙表面或填隙于煤层结构内部,另外煤层裂隙与煤层水中存在少许游离气与溶解气。煤层孔隙及裂隙中的煤层气与煤层水形成特殊的水动力系统,只有当储层压力低于解吸压力时,煤层气才能解吸出来。
页岩气是从富有机质页岩地层系统中开采出来的天然气,是位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气聚集。页岩气开发虽然产能低,但具有开采寿命长和生产周期长的优点。由于含气页岩分布范围广、厚度大,使得页岩气资源量巨大。因而,页岩气井能够长期地以稳定的速率产气,一般开采寿命为30~50年,长者甚至能达80年(Xia et al.,2009;李世臻等,2010)。
煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气,它们在概念特征上既有联系,又有区别,表1为煤层气和页岩气在概念特征上的比较。
表1 煤层气与页岩气概念的比较


煤层气和页岩气的富集有许多特征,如气体来源、储集介质等。评价这些特征需要许多方法(冯利娟等,2010),有些方法仅适合煤层气储层,有些方法仅适合页岩气储层,有些方法二者均适用。表2中列出了一些重要的评价方法。
表2 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法


(据冯利娟等,2010修改)
3 煤层气和页岩气的富集特征
煤层气和页岩气均为自生自储,吸附成藏的非常规天然气。页岩气富集区页岩厚度往往较大,裂隙发育,热演化程度合适,如美国的Barnett页岩(Bowker,2007;Zhao et al.,2007;Polastro,2007)。它们在富集特征上有许多相似之处,也存在着明显的不同。下面主要从源岩、生成与演化特征,储集与分布特征,渗流与运移特征等方面来对比研究煤层气藏以及页岩气藏的富集特征。表3列出了二者在富集特征上的一些异同。
表3 煤层气和页岩气在富集特征上的异同


4 煤层气与页岩气的富集机理
煤层气是煤在煤化作用过程中形成的天然气在源岩中的残留部分,煤层既是生气源岩又是储气层段,煤化作用过程中形成的天然气原地聚集或短距离运移,主要通过煤层的吸附作用(Scholl,1980;Tadashi et al.,1995)将天然气聚集起来,为典型的吸附富集机理。煤的储气能力与煤的煤岩组分、变质程度、温度和压力有关。因此,煤层气在聚集方式、动力类型以及成藏特征等方面与常规天然气藏有较大差别(张金川等,2008)。由于煤层气主要以吸附作用为主,吸附气含量通常大于80%,游离气和溶解气比例很小,因此,可以不需要通常的圈闭存在。只要有较好的盖层条件,能够维持相当的地层压力,无论在储层的构造高部位还是低部位,都可以形成气藏(褚会丽等,2010)。
页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件,页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。第一阶段是天然气的生成与吸附,具有与煤层气相同的富集成藏机理(张金川等,2003);第二阶段发生在生气高峰;随着页岩生气过程的继续,页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时,游离态天然气开始出现。随着生气过程的继续,天然气在地层中逐渐形成高压,从而导致沿页岩的薄弱面小规模裂缝的形成,天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。由于页岩孔隙及微裂缝具有孔喉细小的特征,游离态天然气对地层水的排驱为活塞式整体排驱富集机理。如果天然气生成量继续增加,则天然气选择大孔隙通道进行置换式运移,气上水下,表现为裂缝系统中的置换富集机理(徐波,2009)。
煤层气和页岩气均产自于能源盆地,煤层气源岩的煤岩形成于适宜植物生长的沼泽环境中,页岩气源岩的页/泥岩形成于深湖相或湖泊中心相(Law,2002)。经沉降埋藏成岩后,受构造变动的影响岩石产生断层和裂隙,因此造成不同层位间孔隙和裂隙的连通。有机质经埋藏和变质作用,有机碳开始产生气体。随着变质作用的进行,油气成熟度越来越高,气体生成量也越来越大,生成的气体大部分被吸附在煤层和页岩等不同储层中,部分会沿着断裂和裂隙运移。如果煤层气储层和页岩气储层相邻或相距很近,煤层气和页岩气就可能会形成两个相邻或相近的气体储层,由于气体的运移在两个储层相邻或相近的情况下甚至可能出现煤层气和页岩气的混合储层。
5 煤层气与页岩气的开发技术
煤层气和页岩气开发的关键技术首先是评价技术,采用地质、测井等方法评价源岩(储层)的性能、含气量、分布范围和丰度等参数,确定储层性能和开采的有利区域;测试技术,对含气量、吸附性能、微观裂隙、渗透率等储层参数进行测试;储层改造技术,如压裂技术和水平钻井技术,水平钻井技术指从水平井筒钻出多水平井段,非常有利于低渗储层的技术改造。
煤层气的开发技术有:(1)钻井技术,包括钻井和完井技术。如水平井钻井技术、空气欠平衡钻井技术、保护储层的钻井技术等,是煤层气孔经济、高效、快速成孔的关键;(2)储层改造技术,煤层气储层属于低孔低渗的储层,进行商业性生产需对储层进行改造,储层改造措施是提高煤层气产量的重要措施,压裂技术是储层改造的重要技术,如清洁压裂液压裂技术、水力加砂压裂技术、氮气泡沫压裂技术等增产改造技术的试验与应用、井下微地震压裂裂缝监测试验;(3)排采技术,把煤层气从地下抽到地面所采取的技术;(4)煤层气田的低压集输工艺技术,包括集中式压缩机站与分散式撬装液化装置等技术。
页岩气的开发离不开储层的改造技术,美国的Barnett页岩就是经水力压裂后才开始产气的(Zhao et al.,2007)。技术的进步推动了页岩气水平井的发展,在Barnett页岩气藏中,90%的新井都是水平井(冯利娟等,2010);储层压裂及重复压裂技术(邹才能等,2011)大幅度提高了页岩气产量,对页岩气商业性开采起着决定作用。
煤层气和页岩气均为非常规天然气,它们的开发技术有许多相同的地方。假如在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气,那么如果能够利用同一口井同时进行煤层气开采和页岩气开采,则和单一气体开采相比,单井在产气量和开采寿命上均应该会有所提高。因此可以提高天然气生产企业的经济效益。
6 结论与认识
煤层气和页岩气同为非常规天然气,它们在储层特征、富集机理和开采技术等方面存在许多相同的地方,但二者之间也有明显的差异。
(1)煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气。通过气体来源、气体组成、气体成因、赋存状态、赋存方式等比较了它们在概念特征上的联系和区别。评价煤层气和页岩气储层特征有不同的方法,有些方法仅适合煤层气储层,有些方法仅适合页岩气储层,有些方法二者均适用。
(2)煤层气和页岩气在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性,但在气体的来源、赋存层位及保存条件等方面有所不同。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中,页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中;煤层气富集需要有合适的盖层条件和水文地质条件,而页岩气的富集不需要附加的盖层条件和水文地质条件。
(3)煤层气的富集主要是通过吸附作用将天然气聚集起来,为典型的吸附富集机理;页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件,页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。
(4)煤层气储层和页岩气储层均为低孔低渗的储层,开采时均需要采取储层改造增渗技术,如水平井技术和储层压裂技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气,就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采,从而提高它们的开采效率。
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胥贾答：我国高煤阶煤的煤炭资源量巨大,其中煤层气资源量占中国煤层气总资源量的30%〔1〕。由于美国煤层气勘探成功的含煤盆地的煤阶都为中低煤阶,国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高,割理不发育,煤层的渗透率极低而低估了勘探前景,所以研究高煤阶煤层气成藏条件,开展高低煤阶煤层气成藏机理对比研究,具有重要...

19233313421：煤层气资源开发概况
胥贾答：2006年我国国有重点煤矿286处高瓦斯和瓦斯突出矿井累计抽采瓦斯26.14×108m3。2008年，全国井下煤矿瓦斯抽采量50×108m3(图4－2)。图4－2 2001～2007年我国国有重点煤矿瓦斯抽采总量 (二)煤层气地面开发现状 自20世纪90年代以来，随着美国地面开发煤层气技术的成熟，我国也积极开展地面勘探开发煤层...

19233313421：煤层气选区评价参数标准和方法体系
胥贾答：一、煤层气选区评价参数标准的建立 参考国外煤层气目标评价标准、参数及中国煤层气高产富集的基本条件,从中国煤层气勘探开发实际地质条件出发,优选出资源丰度、煤阶、煤层厚度、含气量、地解比、吸附饱和度、煤层原始渗透率、有效地应力、煤层埋深、构造条件及水文地质条件等11项关键参数。 (一)煤层气资源规模及丰度 ...

19233313421：准南低煤阶煤层气研究进展及认识
胥贾答：( 中联煤层气有限责任公司,北京 100011) 摘要: 我国低煤阶煤层气资源十分丰富,但目前开发效果不明显。本文总结了低煤阶煤层气勘探开发现状,对五个煤层气盆地进行了特征对比。依据准南项目工作经验,提出了低煤阶煤层气井网部署、钻完井技术、排采技术等方面的认识。 关键词: 低煤阶 煤层气 研究进展 认识 The Low...

19233313421：国外煤层气开发现状
胥贾答：20世纪70年代,美国通过地面钻孔的方式,第一次将煤层气作为资源开采(Daniel et al.,2012)。20世纪80年代开始进行系统的煤层气地质基础研究,形成了“煤储层双孔隙几何模型”、“中阶煤选区评价理论”和“煤储层数值模拟技术”等为核心的煤层气勘探开发理论体系,并在此基础理论支撑下,形成了“地面钻井-...

19233313421：国内煤层气勘探开发进展
胥贾答：表2-3 截至2009年底国内主要公司煤层气勘探开发现状表 初步掌握了一套适合中国煤层气井常规工程施工技术及工艺流程，同时编制了近30项工程技术标准或规程规范，良好地控制了工程质量。对全国范围内的煤层气资源、分布及储层参数条件有了一个较为全面的认识，对有利地区进行了初步筛选，先后分别在山西沁水，...