新疆深部煤層氣資源勘探潛力

周梓欣，李瑞明，張 偉

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局 烏魯木齊 830091； 2.新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì) 烏魯木齊 830009)

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高和構(gòu)建清潔低碳、綠色高效的能源體系的需要，天然氣的供需缺口逐年增大，煤層氣作為補(bǔ)充能源，日漸成為非常規(guī)資源勘探重點(diǎn)[1]。同時(shí)，隨著煤層氣勘探和開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，深部煤層氣的開發(fā)成為可能且勢(shì)在必行。美國(guó)已在深部煤層中獲得商業(yè)開發(fā)，21世紀(jì)初，美國(guó)皮森斯地施工65口煤層氣與致密砂巖氣共采井(煤層埋深1 560～2 560m)，單井日均產(chǎn)氣量約10 890 m3，最高14 375 m3，60%來自煤層，證實(shí)了深部煤層氣開發(fā)的可行性[2]。我國(guó)深部煤層氣尚未形成規(guī)模開采，經(jīng)過十余年不懈努力，在沁水(深度1 100～1 300m)、鄂爾多斯東緣(深度1 300～2 500m)、滇東黔西、準(zhǔn)噶爾(深度1 000～2 583m)等地區(qū)開展了深部煤層氣勘探試驗(yàn)，部分煤層氣井日氣量達(dá)到幾千方甚至幾萬方[3]，并對(duì)深部煤層含氣性、滲透性、可改造性進(jìn)行了研究。這些初步探索與成果，昭示了我國(guó)深部煤層氣商業(yè)開發(fā)具有可觀前景。

根據(jù)我國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)方法研究及勘探實(shí)踐，本文將煤層埋深大于1 000 m視為深部。我國(guó)深部煤層氣資源量巨大，根據(jù)全國(guó)新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)，我國(guó)埋深1 000～3 000 m的煤層氣地質(zhì)資源量約40.97×1012m3，為1 000 m以淺煤層氣資源量的2.87倍，是我國(guó)非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的一個(gè)新領(lǐng)域[4-5]。

近年來，新疆日漸成為我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)最為活躍的區(qū)域之一，煤層氣鉆井?dāng)?shù)和煤層氣產(chǎn)量逐年提高，目前在阜康礦區(qū)已實(shí)現(xiàn)地面開發(fā)年產(chǎn)量7 755×104m3并對(duì)外供氣運(yùn)營(yíng)，烏魯木齊、庫(kù)拜礦區(qū)正在開展示范工程建設(shè)，其他地區(qū)處于勘查或單井試驗(yàn)階段。煤層氣開發(fā)已開始逐步向深部延伸，深部煤層氣井占有一定比例，且顯示出很好的產(chǎn)氣能力。本文根據(jù)新疆煤層氣資源埋深分布特征，主要礦區(qū)深部煤層氣勘探現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)新疆深部煤層氣開發(fā)的有利因素和必要性，探討開展新疆深部煤層氣開發(fā)需要解決的相關(guān)問題，對(duì)新疆深部煤層氣研究和開發(fā)利用具有重要的基礎(chǔ)前瞻性作用。

1 深部煤層氣資源量

新疆煤層氣資源豐富，據(jù)《全國(guó)油氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)(2015)》預(yù)測(cè)，2 000 m以淺煤層氣資源量為8.99×1012m3，其中1 000～2 000 m煤層氣資源量6.28×1012m3，占總資源量的69.74%，1 000～1 500 m煤層氣資源量為2.96×1012m3，占總資源量的32.93%。新疆深部煤層氣資源量大，深層巨大的煤層氣資源預(yù)示著廣闊的勘探開發(fā)前景。

表1 新疆深部煤層氣分布情況一覽表

另外，根據(jù)預(yù)測(cè)，目前煤層氣勘探程度高，勘探成果好的準(zhǔn)噶爾盆地，煤層埋深1 200～3 000 m煤層氣總資源量約4.57×1012m3[6]，遠(yuǎn)大于1 000 m以淺資源量1.30×1012m3。

2 深部煤層氣勘查開發(fā)成果

截至目前，新疆已在準(zhǔn)噶爾盆地的彩南地區(qū)、阜康礦區(qū)、烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)、后峽煤田及塔里木盆地的庫(kù)拜煤田施工煤層氣排采井190余口，目的煤層深度基本都在800 m以深，開展了深部井煤層氣排采試驗(yàn)，取得較大突破。

2.1 準(zhǔn)噶爾盆地

彩南地區(qū)含煤面積 7 380 km2，西山窯組煤層埋深1 000～3 500 m。1993 年對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地彩南地區(qū)彩17井和彩19井2 500 m以深的八道灣組煤層進(jìn)行了壓裂改造及排采試驗(yàn)，彩17井最高日產(chǎn)氣9 890 m3，平均日產(chǎn)氣9 000 m3；彩19井日產(chǎn)氣2 000～4 000 m3，首次在深部煤層中獲得突破；2005年9月，彩504井煤層段(2 567～2 583 m)壓裂后自噴，抽汲2天后開始產(chǎn)氣，日產(chǎn)氣最高達(dá)到6 500～7 300 m3；2013年對(duì)彩512井西山窯組煤層采用活性水加35 m3砂進(jìn)行壓裂改造，試采1個(gè)月獲自噴，日產(chǎn)氣4 420 m3。

阜康礦區(qū)埋深1 000～2 000 m煤層氣資源量為300×108m3，占礦區(qū)總資源量的43%。2014年至今在阜康東部白楊河礦區(qū)及西部三工河礦區(qū)開展了煤層氣地面開發(fā)工作，施工排采井104口，目的煤層集中在850～1 500 m深度，最深2 021 m。三工河區(qū)塊72.8%的開發(fā)面積位于1 000 m以深，白楊河礦區(qū)約有25%的開發(fā)面積位于1 000 m以深。1 000 m以深產(chǎn)氣井共37口，約占總產(chǎn)氣井35.58%，最大日產(chǎn)氣3 159 m3，其中，日產(chǎn)氣量超過1 000 m3的井有30口，超過10口井日產(chǎn)氣量維持在1 000 m3以上已超過2 a的時(shí)間，部分井產(chǎn)氣量還處在穩(wěn)步提升階段。深部煤層氣井一般均在排采2～6個(gè)月之間見氣。根據(jù)以上開發(fā)成果，1 000 m以深區(qū)域是兩個(gè)礦區(qū)下一步開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域。

2.2 塔里木盆地

煤層氣勘查開發(fā)工作主要集中在庫(kù)拜煤田。庫(kù)拜煤田面積1 250 km2，煤層傾角大，部分地區(qū)直立，甚至倒轉(zhuǎn)，2 000 m以淺煤層氣資源量2 206×108m3，深部煤層氣資源量占60%以上。2013年至今，在庫(kù)拜煤田開展了煤層氣勘查開發(fā)工作，施工排采井40口，目的煤層埋深集中在900～1 200 m，最深1 330 m，其中，深部煤層氣井7口，部分井剛進(jìn)入排采，部分井在排采開始即見套壓，一般在排采1～2個(gè)月的時(shí)候即產(chǎn)氣。BCS-1井已排采17個(gè)月，最大日產(chǎn)量4 710 m3，累計(jì)產(chǎn)氣量120×104m3，平均日產(chǎn)氣2 350 m3。

從以上勘查現(xiàn)狀可以看出新疆特殊的地質(zhì)特點(diǎn)決定了其煤層氣勘查開發(fā)深度較國(guó)內(nèi)外其它地區(qū)(開發(fā)目的煤層集中在600 m以淺)普遍較深。同時(shí)，深部排采井也顯示出見氣時(shí)間較早，產(chǎn)氣量較高的特點(diǎn)，表明深部煤層氣在含氣量、含氣飽和度、儲(chǔ)層壓力及臨界解吸壓力等關(guān)鍵參數(shù)方面較淺部有利，對(duì)新疆普遍存在煤儲(chǔ)層壓力低、含氣飽和度低等開發(fā)難題有啟發(fā)意義，昭示了新疆深部煤層氣的資源潛力及開發(fā)的可行性。

3 深部煤層氣勘查開發(fā)的必要性

新疆煤層氣具有低階煤、厚煤層、大傾角、多煤層等獨(dú)特的地質(zhì)特點(diǎn)，同時(shí)煤層多出露于地表，淺部大部煤層被火燒，煤儲(chǔ)層地溫梯度偏低，這一系列地質(zhì)特點(diǎn)，不利于淺部煤層氣的生氣、保存與富集，決定了在新疆開展深部煤層氣勘查開發(fā)的必要性。

3.1 火燒區(qū)分布廣

準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南、準(zhǔn)東、后峽，吐哈盆地大南湖，塔里木盆地庫(kù)拜煤田均不同程度的發(fā)生火燒，火燒區(qū)點(diǎn)多面廣，經(jīng)探測(cè)每年約有257.6×104t的煤在地下被火舌吞掉[7]，煤層火燒區(qū)最大深度在400 m。淺部煤層火燒，一方面損失了大量的煤炭資源，污染環(huán)境，地表形成塌陷坑和裂縫，構(gòu)成危險(xiǎn)區(qū)，另一方面火燒區(qū)圍巖孔、裂隙發(fā)育，并接受地表滲漏水和地下潛水，造成頂板和圍巖封蓋能力差，煤層氣一方面經(jīng)孔、裂隙逸散，另一方面煤層水與燒變巖含水帶交換活躍，煤層氣隨水的流動(dòng)而運(yùn)移和散失，極不利于煤層氣的保存，同時(shí)，淺部煤炭自燃，煤層發(fā)生二氧化碳置換甲烷作用，導(dǎo)致煤層甲烷含量的降低。因此，火燒區(qū)發(fā)育的地方，煤層氣風(fēng)化帶深度增大，煤層氣排采井的布置距離火燒區(qū)底界至少應(yīng)在200 m以上，才有開采價(jià)值，這就使得煤層氣的開采深度向深部擴(kuò)展。例如，阜康白楊河礦區(qū)在施工時(shí)已考慮到了火燒區(qū)的影響，排采井距火燒底界200 m以上，即使這樣，淺部排采井的產(chǎn)氣量要明顯差于深部。

3.2 煤層傾角大

受山前構(gòu)造帶影響，新疆煤儲(chǔ)層多為傾斜煤層，煤層傾角基本都大于15°，煤層氣資源潛力較好的準(zhǔn)南，庫(kù)拜，艾維爾溝等煤田煤層傾角多在30°以上，部分地區(qū)達(dá)到60°以上，甚至直立；后峽煤田煤層傾角較緩，一般在10°～30°，部分地區(qū)也可達(dá)到60°～85°；三塘湖煤田煤層傾角整體較緩，多在2°～20°之間，部分地區(qū)受斷層等構(gòu)造影響，傾角也較大，達(dá)到30°，甚至65°。煤層傾角大，煤層多出露于地表或直接與新生界第四系不整合接觸，無致密覆蓋層封堵，造成淺部煤層氣與大氣交換密切，煤層氣逸散到大氣中，造成煤層氣風(fēng)化帶深度大，準(zhǔn)南煤田、準(zhǔn)東煤田、后峽煤田等主要煤田煤層氣風(fēng)化帶底界多在埋深400 m以深，吐哈盆地、三塘湖煤田、伊犁煤田等部分地區(qū)煤層氣風(fēng)化帶底界甚至達(dá)到600～900 m。鑒于此，深部煤層氣的保存條件要好于淺部。

圖1 阜康×礦區(qū)勘探線剖面圖Figure 1 Exploration line section of a Fukang mine area

3.3 低階煤

新疆以低階煙煤為主，低階煤資源量約占新疆煤炭資源總量的85.77%，除阜康礦區(qū)、艾維爾溝煤田、庫(kù)拜煤田、溫宿煤田、巴里坤煤田的東部煤類達(dá)到中階煤以上(氣煤及更高)，其余煤田均主要為低變質(zhì)煤(褐煤、長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤等)，僅少量含有氣煤及更高變質(zhì)程度的煤類。深部低階煤煤層氣更有利于開發(fā)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，煤層吸附氣量隨深度的增加先增大后減小，存在明顯臨界深度，宏觀上，若地溫場(chǎng)和煤儲(chǔ)層流體壓力狀態(tài)相似，則煤階降低，臨界深度變大。因此，新疆多數(shù)地區(qū)煤層含氣量臨界深度要大于國(guó)內(nèi)沁水盆地等中高階煤區(qū)域。

其次，隨著埋深增加，地應(yīng)力增大，煤巖孔隙受壓閉合，極大地降低了煤儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，使得深部煤層氣的可采性變差。而新疆低階煤孔隙以中孔、大孔為主，孔裂隙相對(duì)發(fā)育，在深部地應(yīng)力壓實(shí)下主要體現(xiàn)在對(duì)大中孔的壓縮，可供擠壓的空間大，深部低階煤總孔隙發(fā)育程度大于中高階煤，滲透率相對(duì)大于中高階煤。

再次，煤階相同下，枯竭含氣量隨埋深增大而降低，在埋深相同下，枯竭含氣量隨煤階增高而增大。實(shí)際地層條件下，煤階往往隨煤層埋深增大而增高，導(dǎo)致枯竭含氣量與深度之間具有非單調(diào)函數(shù)關(guān)系。例如，在準(zhǔn)噶爾盆地東部，淺部為低階煤儲(chǔ)層，深部變?yōu)橹须A煤儲(chǔ)層，枯竭含氣量隨埋深增大而呈先減小后增加的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的“臨界深度”約在2 300 m。因此，在相同埋深下，新疆低階煤的枯竭含氣量整體上要低于中高階煤。

3.4 低地溫梯度

在宏觀上，若煤階與煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)相似，則地溫梯度降低，深部煤層含氣量臨界深度變大。準(zhǔn)噶爾盆地現(xiàn)今地溫梯度介于1.16～2.76℃/100 m，平均2.13±0.37℃/100 m，表現(xiàn)為低地溫梯度、低大地?zé)崃鞯摹袄渑琛碧卣鱗8]；吐哈盆地地溫梯度為2.2～3.62℃/100 m， 平均地溫梯度為2.50℃/100 m[9]； 塔里木盆地北緣庫(kù)車前陸盆地地溫梯度為1.8～2.8℃/100 m，整體上屬于低溫冷盆[10]。因此，新疆主要含煤盆地地溫梯度與我國(guó)其它大、中型沉積盆地相比偏低，溫度對(duì)吸附氣量負(fù)效應(yīng)影響變小，深部煤層含氣量臨界深度變大。

3.5 深部煤系“三氣”共生共采

新疆含煤地層中不僅煤層氣資源十分豐富，致密砂巖氣和頁巖(泥巖)氣資源也較為豐富[11]，準(zhǔn)噶爾、吐哈、塔里木等盆地均為油、氣、煤共生盆地，可實(shí)現(xiàn)煤層氣與常規(guī)天然氣的共采。另外，深層煤儲(chǔ)層具有高應(yīng)力、高壓力、高地溫、特低滲的特點(diǎn)，勘探開發(fā)技術(shù)難度大，開采成本高，深部煤系“三氣”共采可大幅提高單井產(chǎn)量，是有效開發(fā)深部煤層氣資源的一個(gè)重要方向[12]。

白家海凸起侏羅系煤層埋深超過1 500 m，煤系砂巖氣資源也較為豐富，具有較大的共采潛力。目前已施工的7口煤系“三氣”共采井試采日產(chǎn)氣均大于4 000 m3，最大日產(chǎn)氣超過10 000 m3，顯示出較好產(chǎn)氣能力。

4 深部煤層氣勘查開發(fā)要解決的問題

近年來，新疆煤層氣開發(fā)逐步向深部邁進(jìn)，部分1 000 m以深的煤層氣井也出現(xiàn)了高產(chǎn)苗頭，但新疆煤層氣勘探開發(fā)整體還處于探索試驗(yàn)階段，針對(duì)深部煤層氣的理論研究和勘探開發(fā)非常薄弱，尚未形成系統(tǒng)的、能夠指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的成熟理論與技術(shù)，成為制約深部煤層氣勘查開發(fā)的瓶頸。要成功地規(guī)模開發(fā)新疆深部煤層氣資源，必須在以下幾個(gè)方面開展研究和探索。

4.1 深部煤層地質(zhì)理論研究

深部煤層一般處在高應(yīng)力、高溫和高壓的環(huán)境中，深部煤層氣成藏要素及其耦合效應(yīng)較為復(fù)雜。而新疆深層煤層氣研究很少，煤層含氣量參數(shù)、儲(chǔ)層儲(chǔ)物性參數(shù)也很少，且根據(jù)目前勘查成果，阜康、庫(kù)拜、后峽等礦區(qū)深部煤系地層氣測(cè)異常明顯，但成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，因此，要實(shí)現(xiàn)新疆深部煤層氣的規(guī)模開發(fā)，應(yīng)開展復(fù)雜多因素影響地質(zhì)條件下深部煤層氣成藏模式、成藏地質(zhì)條件和富集主控因素研究，建立深部煤層氣地質(zhì)理論和選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)[13]。

4.2 儲(chǔ)層改造技術(shù)

深部煤儲(chǔ)層煤巖力學(xué)性質(zhì)在“三高”地質(zhì)環(huán)境下趨于復(fù)雜，煤儲(chǔ)層破裂壓力和施工壓力增高，壓裂改造裂縫延伸范圍受限，煤儲(chǔ)層改造難度增大，要使壓裂作業(yè)在深部煤層中盡可能形成多的高導(dǎo)流能力裂縫，延伸裂縫長(zhǎng)度，溝通天然裂縫、割理等，獲得有效支撐，最大提高煤層滲透率，就要開展適應(yīng)深部煤層氣儲(chǔ)層改造的壓裂方式、壓裂液類型、加砂方式、支撐劑等研究[14]。

4.3 排采技術(shù)

深部煤層含氣量、滲透性、地層水動(dòng)力等對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣效果影響顯著，深部煤層氣“解吸-擴(kuò)散-滲流”平衡機(jī)理復(fù)雜，對(duì)煤層氣排采技術(shù)提出更高要求[15]。要提高深部煤層氣井產(chǎn)氣量，必須加強(qiáng)排采技術(shù)適應(yīng)性研究，分析排采產(chǎn)氣產(chǎn)水相關(guān)關(guān)系、流壓降速、優(yōu)化深井排采制度，最大限度的提高單井產(chǎn)量、延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 “三氣”共采

煤系“三氣”共采，是提高煤層氣單井產(chǎn)量、有效開發(fā)深部煤層氣資源的重要方向，要實(shí)現(xiàn)深部煤系“三氣”共采，既要加強(qiáng)煤系氣共生成藏關(guān)系及共采中的基礎(chǔ)地質(zhì)、勘探方法和技術(shù)問題研究，又要解決不同礦權(quán)人主體的合作開發(fā)模式。

5 結(jié)論

(1)新疆深部煤層氣資源量大，深部煤層氣已顯現(xiàn)出較好勘查開發(fā)潛力。

(2)新疆火燒區(qū)分布廣、煤層多出露于地表或直接與第四系接觸、煤層傾角大、煤類以低階煤為主、煤儲(chǔ)層地溫梯度低，使得煤層氣風(fēng)化帶深度大、含氣量臨界深度大、深部煤儲(chǔ)層相同深度下滲透率要大于中高階煤，同時(shí)，準(zhǔn)噶爾、吐哈、塔里木盆地深部煤系致密砂巖氣、頁巖氣也很豐富，均為“三氣”共生盆地，“三氣”共采可有效增加單井產(chǎn)量，提高深部煤層氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，因此，新疆深部煤層氣具有開發(fā)的必要性和有利條件。

(3)在深部煤層氣地質(zhì)理論、儲(chǔ)層改造、排采、“三氣”共采等基礎(chǔ)地質(zhì)研究和開發(fā)技術(shù)的不斷探索和進(jìn)步下，侏羅系中低煤階深部煤層氣將成為未來新疆煤層氣乃至非常規(guī)氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域，迎來深部煤層氣大發(fā)展的新階段。