我國(guó)主要非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件對(duì)比分析

陳 立， 馬英敏

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

我國(guó)主要非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件對(duì)比分析

陳 立， 馬英敏

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

我國(guó)非常規(guī)天然氣能源以煤層氣與頁(yè)巖氣為主，兩者儲(chǔ)量豐富，有著很大的開(kāi)發(fā)潛力，但受地質(zhì)條件、技術(shù)水平等因素的限制，開(kāi)采成本較高，潛能未能得到充分發(fā)揮。從地質(zhì)儲(chǔ)量、氣源成因、儲(chǔ)存條件3個(gè)方面將兩者進(jìn)行比較，分析了各自的特點(diǎn)及開(kāi)采前景。

頁(yè)巖氣;煤層氣;地質(zhì)儲(chǔ)量;氣源成因;儲(chǔ)存條件

引言

一直以來(lái)，北美地區(qū)致力于非常規(guī)油氣能源的勘探開(kāi)發(fā)，煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣在美國(guó)、加拿大等國(guó)已大規(guī)模投入生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，隨著國(guó)際油價(jià)的下跌、國(guó)內(nèi)石油可采資源量的減少及日益增長(zhǎng)的能源供應(yīng)需求，國(guó)內(nèi)也掀起了非常規(guī)油氣的研究熱潮。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的最新調(diào)查報(bào)告標(biāo)明，2016年上半年，我國(guó)非常規(guī)天然氣產(chǎn)量為96.4億m3，同比增長(zhǎng)104.8%。其中，煤層氣所占比例為5.4%，上升了0.3%;頁(yè)巖氣所占比例為6.3%，提高5.5%。

頁(yè)巖氣是天然氣的一種，主要源自形成石油碳?xì)浠衔锏纳蛶r，是由藻類與浮游生物等腐泥物質(zhì)所組成，氣體成分有90%以上是甲烷;煤層氣指賦存于煤層，以甲烷為主，吸附在煤基質(zhì)顆粒表面、部分游離于煤孔隙或溶解于煤層水中的烴類氣體［1］。

頁(yè)巖氣和煤層氣有著共同的優(yōu)點(diǎn):作為潔凈能源，能在商業(yè)化生產(chǎn)下產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，能夠成為國(guó)家的戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，更能為國(guó)家綠色能源發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)助力。

1 地質(zhì)儲(chǔ)量

全球非常規(guī)天然氣資源豐富，約為4 000萬(wàn)億m3，是常規(guī)天然氣儲(chǔ)藏量的8.3倍，這些資源主要分布在美國(guó)、俄羅斯、加拿大、中國(guó)、拉美等地區(qū)。而我國(guó)非常規(guī)天然氣資源總量是常規(guī)天然氣資源量的5.01倍，分布在鄂爾多斯、四川、松遼、渤海灣、柴達(dá)木及準(zhǔn)格爾等10余個(gè)盆地。我國(guó)非常規(guī)天然氣總資源量達(dá)190萬(wàn)億m3，煤層氣與頁(yè)巖氣的儲(chǔ)量數(shù)據(jù)如表1所示。其中，煤層氣儲(chǔ)藏量位居世界第三，而頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量與美國(guó)持平。更加難得的是，非常規(guī)天然氣產(chǎn)區(qū)靠近銷(xiāo)售市場(chǎng)，在我國(guó)的中部盆地以及包括珠三角、長(zhǎng)三角在內(nèi)的南方區(qū)域這些能源消費(fèi)集中的地區(qū)均有分布。

表1 我國(guó)非常規(guī)天然氣資源統(tǒng)計(jì)表

我國(guó)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代初，在沁水南部、鄂爾多斯東緣等地區(qū)煤層氣探井獲得穩(wěn)定產(chǎn)量。我國(guó)煤層氣8個(gè)主要盆地資源量約為26萬(wàn)億m3，占總資源量的70%，地下埋藏深度＜1 000 m的煤層氣儲(chǔ)藏量約為14.27萬(wàn)億m3，這一深度范圍是目前我國(guó)煤層氣開(kāi)采的主要來(lái)源。地下煤層在不同埋藏深度對(duì)應(yīng)著不同的演化階段，相應(yīng)煤階對(duì)應(yīng)的煤層氣資源量如第64頁(yè)表2所示。

美國(guó)和加拿大作為世界上最早進(jìn)行頁(yè)巖氣地質(zhì)勘探與開(kāi)采的國(guó)家，到現(xiàn)在早已進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)階段，發(fā)展迅猛。而我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)才剛剛起步。2005年以來(lái)，我國(guó)油氣工作者以北美生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)為參考，陸續(xù)開(kāi)展了我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣非常規(guī)資源的地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和勘探開(kāi)發(fā)小型先導(dǎo)性試驗(yàn)。到目前為止，已完成了初步地質(zhì)勘探，獲得儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了一系列的勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐，繼北美之后成為全球率先開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的國(guó)家之一。

我國(guó)目前使用的頁(yè)巖氣資源量計(jì)算多樣，包括地質(zhì)類比分析法、含氣率法等，估算結(jié)果表明，我國(guó)主要盆地和地區(qū)的頁(yè)巖氣可采資源量范圍為(15～30)×1012m3，中值23.5×1012m3，與美國(guó)的28.3× 1012m3大致相當(dāng)［2］。

我國(guó)三大地區(qū)(南方古生界頁(yè)巖、塔里木盆地寒武卡奧陶系頁(yè)巖、華北地區(qū)下古生界頁(yè)巖)海相頁(yè)巖頁(yè)巖氣資源潛力21萬(wàn)億m3，占總資源的70%，五大盆地(準(zhǔn)格爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地)湖相頁(yè)巖也可能存在頁(yè)巖氣。

表2 不同煤階煤層氣資源分布

2 氣源成因?qū)Ρ?/h2>

煤是一種有機(jī)物含量超過(guò)50%的沉積巖石，而頁(yè)巖中有機(jī)物含量則不足50%。天然氣主要成分甲烷是有機(jī)質(zhì)在沉積過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)形成的。煤層氣和頁(yè)巖氣主要成因都包括細(xì)菌作用(生物成因)和地球化學(xué)作用(熱成因)。

2.1 煤層氣成因

煤炭源于陸生高等植物，煤主要是由碳水化合物和木質(zhì)素等有機(jī)物組成，而這些有機(jī)物在地層中沉積下來(lái)，固結(jié)成巖，并在溫度和壓力作用下發(fā)生泥炭化和煤化作用，最終形成煤炭。煤的演化過(guò)程如圖1所示。泥炭化階段(成巖期前)，有機(jī)質(zhì)在溫度低于50℃，并且氧氣充足的條件下，因細(xì)菌催化而生成少量的甲烷及二氧化碳。生成的氣體往往以水溶態(tài)或游離態(tài)存在，并逐漸逸散消失;成巖作用后，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入褐煤階段，此階段的干酪根還未成熟，地層溫度約為50℃，鏡質(zhì)體反射率Ro約為0.5%，此時(shí)的有機(jī)質(zhì)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生熱降解，程度逐漸加深，而生物化學(xué)作用逐步減弱，產(chǎn)物主要為甲烷氣體及其他輕質(zhì)組分;煙煤階段產(chǎn)物按照演化程度的不同主要包括長(zhǎng)焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤幾類。這幾類產(chǎn)物都屬煤化作用中的低 ～中變質(zhì)階段，Ro= 0.5%～2.0%。此時(shí)的干酪根已經(jīng)成熟，并進(jìn)入生油門(mén)限，對(duì)應(yīng)條件下的有機(jī)質(zhì)埋藏深度范圍為1 000 m～4 500 m，地層溫度范圍為50℃ ～150℃。有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)熱降解后，產(chǎn)生重?zé)N、輕烴、甲烷及其他揮發(fā)物。煤化作用后期是高變質(zhì)階段，這一階段的產(chǎn)物主要包括貧煤與無(wú)煙煤，Ro＞2.0%，此階段干酪根處于過(guò)成熟階段，地層溫度＞150℃，埋藏深度＞4 500 m，熱降解產(chǎn)物主要是甲烷，也就是煤層氣的主要成分。

圖1 成煤過(guò)程示意圖

2.2 頁(yè)巖氣成因

頁(yè)巖作為一種富含有機(jī)質(zhì)的巖石，一開(kāi)始被認(rèn)為只是相關(guān)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的砂巖層中夾有的生油巖或是儲(chǔ)集巖。頁(yè)巖由泥土顆粒沉積壓實(shí)而來(lái)。粒度較小的沉積物顆粒在深水、灘涂等低能沉積環(huán)境中逐漸沉降下來(lái)，在上覆巖層重力作用下不斷壓實(shí)，埋深隨之增加。沉積物中就包含了藻類、植物、動(dòng)物殘骸等有機(jī)質(zhì)來(lái)源。頁(yè)巖氣作為天然氣的一種，主要由上述腐泥物質(zhì)所組成。頁(yè)巖氣形成于泥質(zhì)烴源巖，自生自儲(chǔ)。有機(jī)質(zhì)含量較高的泥質(zhì)烴源巖中生成氣體后，氣體吸附于其余有機(jī)質(zhì)(干酪根等)、地層礦物的表面或溶解其中，氣體的吸附、溶解量隨有機(jī)質(zhì)成熟度的升高而增大。但當(dāng)熱演化進(jìn)一步加深，即鏡質(zhì)體反射率Ro＞2%時(shí)，氣體的吸附、溶解體積反而隨演化程度的加深而減弱。因此，頁(yè)巖氣生成與儲(chǔ)存需如下幾個(gè)條件:含有充足生油氣有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)烴源巖;頁(yè)巖層處于恰當(dāng)?shù)臒岢墒於入A段;頁(yè)巖層結(jié)構(gòu)有利于生成的天然氣的儲(chǔ)存。煤層氣成藏于煤系高炭泥質(zhì)烴源巖及煤層自身成氣賦存。

對(duì)于頁(yè)巖氣來(lái)說(shuō)，有機(jī)質(zhì)演化的溫度為10℃～60℃，Ro≤0.4%;熱成因型頁(yè)巖氣生成有利的Ro范圍是1.1%～3.0%;煤層氣的生成溫度一般小于50℃，Ro≤0.3%，而后期熱成因型煤層氣生成有利的Ro范圍為0.8%～3.8%。第65頁(yè)圖2為煤層氣與頁(yè)巖氣演化階段對(duì)比分析。

圖2 煤層氣與頁(yè)巖氣演化階段對(duì)比

3 儲(chǔ)存條件

天然氣在地層中的儲(chǔ)存受多種機(jī)理的控制，主要包括有機(jī)物表面的吸附氣、孔隙中的游離氣和溶解氣。一般認(rèn)為，幾乎所有的煤層氣都是吸附態(tài)，而頁(yè)巖氣則是吸附態(tài)和游離態(tài)的組合。

3.1 儲(chǔ)層與圈閉

常規(guī)天然氣的儲(chǔ)存條件中要求生氣層上部有致密蓋層，從而能夠防止氣體向上發(fā)散逸出，在煤層氣儲(chǔ)藏中也是一樣。良好的蓋層能將不同煤系地層分隔開(kāi)來(lái)，形成相互獨(dú)立的系統(tǒng)，使煤層氣體能夠長(zhǎng)期吸附保存在煤層中，盡量避免吸附氣轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈿夂陀坞x氣而逸出［3］;煤層氣的儲(chǔ)存一是需要致密的蓋層，二是需要封閉性能良好的煤層底板。厚度大、面積廣和封閉性能佳的蓋層和煤層底板極大地保障了煤層氣的聚集成藏。

頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存和煤層氣不同，因?yàn)轫?yè)巖的滲透率通常極低，一般為納米毫達(dá)西級(jí)別，因此，頁(yè)巖同樣也是源藏合一類巖層，不要求其他巖性蓋層的存在。

除了生儲(chǔ)蓋組合外，常規(guī)天然氣藏的成藏還要求有效的圈閉，圈閉能阻止油氣繼續(xù)運(yùn)移并能將油氣資源在其中聚集。煤層氣和頁(yè)巖氣由于其自身的物理特性，都為自生自儲(chǔ)式氣藏，生成的天然氣在巖層內(nèi)部就可以很好的貯存，因此不需要完善的圈閉條件的支持。生氣源巖所覆蓋面積近似等于氣藏覆蓋面積［4－5］。

3.2 氣體流動(dòng)

煤層氣藏中的正交裂縫稱為裂隙，裂隙與煤層垂直，為地層流體提供了流動(dòng)通道。煤層氣從巖石骨架中解吸，經(jīng)過(guò)裂隙流至井筒;頁(yè)巖氣則是通過(guò)與頁(yè)巖互層的粉砂層(滲透率高于頁(yè)巖骨架)、天然裂縫或者直接從頁(yè)巖骨架內(nèi)部流動(dòng)。有時(shí)候地層中的天然裂縫被次生礦物填充而閉合，則需通過(guò)水力壓裂重新打開(kāi)流動(dòng)通道。

3.3 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

在煤層氣藏中，儲(chǔ)量控制的主要影響因素有:煤層厚度、煤層有機(jī)質(zhì)組成、氣體組成、氣體濃度等。煤層的有機(jī)質(zhì)組成在很大程度上影響著煤層對(duì)天然氣的吸附量。氣體濃度在氣藏中的變化范圍較廣，氣體濃度及氣體組分是由煤層有機(jī)質(zhì)組成、地層溫度、地層沉積歷史決定。煤層氣組分中約90%以上都是甲烷，其他還含有少量二氧化碳、氮?dú)?、液態(tài)烴等［6］。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)量的控制因素和煤層氣類似，但頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一般比煤層氣略厚，約10 m～30 m，吸附氣濃度低，游離氣濃度高。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率一般低于煤層氣，煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般為幾個(gè)毫達(dá)西到幾十毫達(dá)西之間，而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率則是納米毫達(dá)西的級(jí)別。因此，頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，需要較長(zhǎng)的裸眼完井段，并采用水力壓裂的方法增大地層滲透率。

4 前景展望

目前，隨著環(huán)保理念的深入人心，我國(guó)對(duì)清潔能源的需求量不斷上漲，天然氣使用缺口也日益明顯。據(jù)估計(jì)，到2020年天然氣產(chǎn)量約2 020億 m3～2 500億m3，其中，非常規(guī)天然氣產(chǎn)量有望達(dá)到620億m3～1 100億m3，占總產(chǎn)量的30% ～40%。其中，煤層氣產(chǎn)量150億m3～200億m3，頁(yè)巖氣產(chǎn)量120億m3～600億m3。中國(guó)非常規(guī)天然氣資源豐富，隨著近年來(lái)中外企業(yè)的技術(shù)合作及政府扶持政策的不斷強(qiáng)化，非常規(guī)氣藏開(kāi)采水平不斷提高，將促進(jìn)非常規(guī)天然氣的快速發(fā)展。

5 結(jié)論

1)我國(guó)非常規(guī)天然氣儲(chǔ)量豐富，居世界前列。氣藏分布地區(qū)廣泛，且產(chǎn)地與能源需求地靠近。但因地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)水平等因素的影響，非常規(guī)氣藏，尤其是頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)仍處于探索階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)開(kāi)采，潛力巨大。

2)煤層氣與頁(yè)巖氣的成因都包括生物成因與熱成因。兩者在整個(gè)演化過(guò)程中都有天然氣生成，其中，頁(yè)巖氣生物成因型天然氣有機(jī)質(zhì)演化的溫度為10℃～60℃，Ro≤0.4%;熱成因型頁(yè)巖氣生成有利的Ro范圍是1.1%～3.0%;煤層氣的生成溫度一般小于50℃，Ro≤0.3%，而后期熱成因型煤層氣生成有利的Ro范圍為0.8%～3.8%。

3)區(qū)別于常規(guī)氣藏，兩者都屬于自生自儲(chǔ)式氣藏，氣體主要以吸附態(tài)和游離態(tài)貯存于巖層之中。兩者都不需要獨(dú)立的圈閉即可有效成藏，但煤層氣需要封閉性能良好的蓋層和煤層底板，頁(yè)巖氣則不需要。

4)目前，潔凈的天然氣能源需求量逐年升高，在科技進(jìn)步和政府政策扶持下，我國(guó)非常規(guī)天然氣發(fā)展前景廣闊。

［1］邵珠福，鐘建華，于艷玲，等.從成藏條件和成藏機(jī)理對(duì)比非常規(guī)頁(yè)巖氣和煤層氣［J］.特種油氣藏，2012 (4):21－24，152.

［2］Curtis J B.Fractured shale－gas system［J］.AAPG Bulletin，2002，86(11):1921－1938.

［3］褚會(huì)麗，檀朝東，宋健.天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣成藏特征及成藏機(jī)理對(duì)比［J］.中國(guó)石油和化工，2010(9):44－45.

［4］孟召平，田永東，李國(guó)富.煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［5］孟召平，劉翠麗，紀(jì)懿明.煤層氣/頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件及其對(duì)比分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(5):728－736.

［6］琚宜文，李清光，顏志豐，等.煤層氣成因類型及其地球化學(xué)研究進(jìn)展［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(5):806－815.

Comparison analysis of geological conditions of major unconventional natural gas development in China

CHEN Li，MA Yingmin

(Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu 225127，China)

Unconventional gas resources in China mainly consists of coalbed methane and shale gas.Both of them have rich reserves locally，and have great potential for development.But limited by factors as geological conditions，recovery technology and so on，the development costs too much，therefore the potential cannot be fully developed.In this paper，these two types of natural gas resources are compared from three aspects:geological reserves，gas genesis and storage conditions，and their characteristics and exploitation prospects are analyzed.

coalbed methane;shale gas;geological reserves;gas genesis;storage conditions

TE122

A

1004－7050(2016)06－0063－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.19

2016－10－08

陳 立，女，1988年出生，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)，碩士研究生，助教，現(xiàn)從事石油工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)工作。