四川煤層氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀、關(guān)鍵問題與建議

尹中山，魏文金，肖建新

(四川省煤田地質(zhì)局，成都 610072)

四川省煤炭資源主要賦存在二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M、三疊系上統(tǒng)須家河組，查明煤炭資源約160億t，預測埋深2 000m以淺尚有煤炭資源量259億t(2011年)；預測埋深2 000m以淺煤層氣資源總量6 715億m3。據(jù)文獻[1]，川南煤田現(xiàn)可以估算的煤層氣資源量約4 500億m3。煤在生成、演化過程中，據(jù)理論推算無煙煤階段每噸煤產(chǎn)生130余m3甲烷，按照川南地區(qū)二疊系龍?zhí)督M/宣威組無煙煤資源約130億t估算，將產(chǎn)生1.7萬億m3資源量，包括儲存在煤層中的4 500億m3甲烷資源外、有部分甲烷資源在地質(zhì)演化歷史中逸散到大氣、煤系地層圍巖中、或運移到更有利的聚集空間中。這是目前資源評價中應當重視的問題，特別是針對同一地區(qū)煤層氣井產(chǎn)量存在巨大差異的問題應是當前深入研究的新課題。

1 四川煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 基本情況

我省在煤層氣勘探試驗方面進行了大量的工作，資金來源既有中央、地方財政資金，也有企業(yè)資金等多種途徑。除浙江油田在筠連縣有400口孔外，其他單位在四川地區(qū)有各種參數(shù)井、試驗井共43口，其中四川省地勘基金支持4口參數(shù)井，中國地調(diào)局支持7口，四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(寶鼎、廣能)5口、四川省能源投資集團(石寶)8口、四川省煤田地質(zhì)局(大村)17口、(西南)興文縣1口、中石化(華東)古藺縣1口。自2010年古藺大村DCMT-3煤層氣井組[2]取得歷史性突破以來，浙江油田在筠連沐愛也獲得巨大的成功，實現(xiàn)了產(chǎn)能1億m3。尤其在2016年以來西南地區(qū)煤層氣勘探與試驗在局部地區(qū)更是取得了重大突破，獲得了如楊梅參1井、川高參1井等大于4 000m3/d，最高達8 307m3/d的高產(chǎn)煤層氣井[3]。川高參1井報道及在研究高產(chǎn)原因中認為：

一地質(zhì)條件好：煤層厚度大于5.0m，含氣量高15～32m3/t，含氣飽和度大于70%，煤層結(jié)構(gòu)單一，原生煤體結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，且地層壓力系數(shù)大于1.2等。

二儲層改造方案適度，新區(qū)探索新的試驗方法取得成功：地層破裂壓力明顯，工作壓力在18～22MPa，加砂量、支撐劑、壓裂液量的匹配好。

三地層能量充足，有大量的游離氣存在。高縣煤層氣高產(chǎn)井的發(fā)現(xiàn)標志尋找高壓高飽和煤層氣藏的重要性。

1.2 沉積—成藏史

尹中山,舒兵[4-5]等以川南煤田二疊系龍?zhí)督M煤系地層(煤巖、泥頁巖和致密砂巖儲層)為研究對象，在對煤系地層煤巖煤質(zhì)特征、含氣性、儲層孔隙結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)特征及其頂?shù)装宓貙?泥頁巖、砂巖)相關(guān)參數(shù)進行測試和分析的基礎(chǔ)上，開展了古藺縣大村地區(qū)地質(zhì)演化史的恢復與模擬進行研究。

(1)構(gòu)造-埋藏史。大村地區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M煤層從晚二疊世至中三疊世，煤層先緩慢沉降后快速沉降；至中三疊世末，煤層少量抬升后又快速沉降；至侏羅世末，煤層埋深達4 818m；至早白堊世末，煤層抬升至4 416m，至100Ma，煤層埋深達最大值5 055m；之后，煤層先快速抬升后緩慢抬升，圖1為古藺大村煤層氣藏演化史圖。

圖2為煤層氣藏演化與相應的主要成藏機制示意圖。

圖1 古藺大村煤層氣藏演化史圖Figure 1 Gulin Dacun CBM reservoir evolution history diagram

圖2 煤層氣藏演化與成藏機制示意圖Figure 2 A schematic diagram of CBM reservoir evolution and reservoiring mechanism

(2)受熱史。晚二疊世龍?zhí)督M煤層從晚二疊世至侏羅世末，煤層受熱溫度從20℃演化至191℃，至早白堊世末，煤層受熱溫度演化至180℃，至晚白堊世初，煤層受熱溫度達最大值217℃，之后，受構(gòu)造抬升作用影響，煤層受熱溫度先快速下降后緩慢下降，至現(xiàn)今溫度為39.8℃。

(3)煤有機質(zhì)成熟史。晚二疊世龍?zhí)督M煤層成熟演化過程可分為3個階段：第1階段從晚二疊世至侏羅紀末，煤級從泥炭、褐煤演化至瘦煤階段，煤層變質(zhì)程度先緩慢升高后快速升高，Rmax演化至2.05%；第2階段從侏羅紀末至晚白堊世早期，煤質(zhì)二次成熟，煤級從瘦煤演化至無煙煤，Rmax演化至2.82%；第3階段從晚白堊世初至今，煤層成熟作用停止。該研究成果較好的解釋了前述1.7萬億m3甲烷資源量。

1.3 取得的認識

綜合四川省多項煤層氣研究、評價、勘探試驗成果，對我省煤層氣的幾點成果：

①資源豐富，地域分散；煤體結(jié)構(gòu)復雜，構(gòu)造煤較發(fā)育；

②控氣因素復雜，煤層含氣性變化大；含煤地層厚，煤層厚度薄，縱向連續(xù)分布

③單層厚度大、煤體結(jié)構(gòu)較完整是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵；

④具有多套煤層、砂巖含氣層具有產(chǎn)氣能力；

⑤煤儲層演化程度普遍較高，滲透率偏低；

⑥地層壓力變化大；

⑦陡傾復雜構(gòu)造、逆斷層發(fā)育為煤層氣富集創(chuàng)造了條件；

⑧承壓滯留-弱徑流水區(qū)是煤層氣富集場所；

⑨峨眉山玄武巖可有效遮擋茅口巖溶富水層。

2 四川省煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵問題

四川省煤層氣勘探開發(fā)目前面臨的最大問題，是未系統(tǒng)化，過分強調(diào)局部，站位不高，而對于煤儲層非均質(zhì)性強、煤儲層復雜性等認識不夠，加上實際工程量局限，規(guī)律難以掌握。過分強調(diào)以實踐解決生產(chǎn)問題，以點帶面，總結(jié)規(guī)律性過于樂觀，對產(chǎn)氣結(jié)果又盲目悲觀；過分依賴工程工藝解決產(chǎn)氣量這個終極目標。

2.1 煤系天然氣理論指導不充分，家底不清

煤系既可作為常規(guī)天然氣的氣源巖，又可以吸附自身產(chǎn)出的氣體而儲集工業(yè)性的烴類氣，即煤層氣[6]。下二疊統(tǒng)頁巖層系在四川盆地主要是海陸過渡相頁巖夾煤層，川南筠連、興文地區(qū)測試結(jié)果顯示煤層的產(chǎn)氣量遠高于煤系泥頁巖，屬于煤層氣范疇[7]。四川省2 000m以內(nèi)的二疊系、三疊系煤層氣資源量6 715億m3，3 500m煤系氣(含煤層氣)將達到4萬億m3[8]。二疊系煤系地層中含煤層段、相對集中深灰色、灰黑色泥頁巖層段隨深度變化，乃至相帶變化，對其生氣潛力、產(chǎn)生有機烴后保存狀態(tài)的研究將擴大四川南部地區(qū)的勘探范圍，將從單一的二疊系煤層氣、圍巖氣，擴展到煤系地層致密氣、頁巖氣，埋藏深度由1 000m以內(nèi)，延深到2 000m、3 500m，具備新層系、新區(qū)域、新類型的特點，資源總量大幅提高，隨著各項儲層評價、改造工藝攻關(guān)突破，將進一步釋放產(chǎn)氣能力。隨著勘探開發(fā)技術(shù)適應性研究的提高，資源為地方經(jīng)濟的發(fā)展帶到作用發(fā)揮重要作用。

2.2 儲層改造方式?jīng)]有可復制性

怎么把煤層氣高效拿出來？煤層氣藏是指受相似地質(zhì)因素控制 、含有一定資源規(guī)模 、以吸附狀態(tài)為主的相對獨立的煤巖體；煤層氣藏一般無統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)，無氣水界面，水遍布整個煤層，氣藏含氣性是多與少的關(guān)系，氣藏無明顯邊界，含氣性呈漸變關(guān)系；煤儲層是復雜多孔介質(zhì) ，是由孔隙 、裂隙組成的雙重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；這些特征決定了儲層改造方式復雜性、多樣性、難于復制性。煤層宏觀、微觀特征等基礎(chǔ)地質(zhì)問題尚未完全研究清楚；試錯成本很高，體現(xiàn)在產(chǎn)量差異很大。在改造方式上，壓裂液是清水+砂、活性水+砂、清潔壓裂液+砂？支撐劑選擇石英砂，還是低密度砂，粒度大??？前置液、攜砂液的分配比例？鋪砂濃度，裂縫延伸理想范圍，支撐劑實際到達位置？若按照COMET3等軟件預測，能否通過微地震、井下微震、試蹤劑、電位或地溫等方法檢測到壓裂改造的效果呢？同時與施工設(shè)備組合也有關(guān)系等問題，不僅是我省的煤層氣勘探遇到的問題，也是行業(yè)必須面對和解決的問題。

2.3 排采工藝措施研究不深，針對性不強

產(chǎn)量的穩(wěn)定是地層解析速度與產(chǎn)氣量的動態(tài)平衡，現(xiàn)有的現(xiàn)象表明儲層壓力無法預測和控制。四川省二疊系煤層含氣量高，煤階高，煤層內(nèi)吸附氣量大，未來打通煤層解析的通道，目前按照傳統(tǒng)“排水-降壓-解吸”思路開展排采，但效果顯示煤層解吸壓力低、效率低、速度低，反應在產(chǎn)量差異大，低產(chǎn)井多，經(jīng)濟效益預期值低。

是快速排采，實現(xiàn)盡快見氣目標，還是采用“連續(xù)、緩慢、長期、穩(wěn)定”的規(guī)律產(chǎn)氣，適合于那種條件的煤儲層特點等，還較為模糊和難于決策。

3 認識與建議

四川省煤層氣開發(fā)深度空間大，平面展布廣，資源潛力大、總量多。依據(jù)四川省煤層氣開發(fā)規(guī)劃，將建成全國煤層氣西南基地的重要補充支持基地的目標是有保障的。

資源總量大，瓦斯災害重，煤炭開中中動力現(xiàn)象較普遍，雖然煤體結(jié)構(gòu)破碎，應力作用集中，相信在井下瓦斯治理技術(shù)水平的提高前提下，地面煤層氣開發(fā)“評價_勘探_開發(fā)一體化技術(shù)”逐漸完善的基礎(chǔ)上，我省煤層氣開發(fā)事業(yè)將迎來突飛猛進的爆發(fā)式增長，在我國大力倡導綠色發(fā)展，清潔發(fā)展的要求下，理應擔當起時代賦予的重任，利用豐富的技術(shù)資料與瓦斯煤層氣工作經(jīng)驗，先進的科學手段，吸收煤層氣開發(fā)瓦斯治理的成功方法，將我省煤層氣瓦斯工作推上新階段，開辟新領(lǐng)域，作出新貢獻，真正實現(xiàn)煤炭安全開發(fā)，為煤炭清潔利用當好先鋒，保駕護航。

3.1 認識

(1)煤系天然氣是由整個煤系中的生烴母質(zhì)在地質(zhì)演化過程中生成的，并保存在煤系各類巖層中，以甲烷為主的所有天然氣。

(2)在煤系地層中，煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣“三氣”具有很好的“共生共存基礎(chǔ)”，煤巖層、泥頁巖層、砂巖層重復交替出現(xiàn)，可形成多套“生儲蓋組合”，是各類氣藏形成的關(guān)鍵。

(3)它具有“賦存形態(tài)多樣、沉積巖性差異大、旋回性極強、水動力條件弱、多層疊置、成藏類型多樣、動態(tài)平衡關(guān)系弱”的賦存特征，將煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣視為一個整體對其進行綜合勘探開采，可降低非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)成本，并提高氣井使用效率。

總之，地質(zhì)條件是煤層氣井高產(chǎn)的決定因素。煤層氣系統(tǒng)的認識與劃分有助于提高煤層氣單井產(chǎn)量。

3.2 建議

(1)按照煤層氣系統(tǒng)、煤系氣理論繼續(xù)摸清3 500m以淺我省二疊系煤系地層煤層氣資源家底，開展煤層氣開發(fā)技術(shù)的適應性研究。

(2)開展技術(shù)研究。開展三維地震把該區(qū)的煤儲層及煤層氣空間展布規(guī)律；加強煤儲層成藏、保存、煤體結(jié)構(gòu)、厚度、含氣量、巖石力學參數(shù)等基礎(chǔ)條件研究；加強微觀研究、科學制定改造、排方案與現(xiàn)場精準實施；加強精細化排采即“評價-地質(zhì)工程一體化技術(shù)”是成功的關(guān)鍵。

(3)提高煤儲層解析能力，實現(xiàn)煤層氣效益開發(fā)。對于煤層氣田的開發(fā)，一定要以提高整體降壓范圍，擴大壓降漏斗，實現(xiàn)氣田整體高效開發(fā)目的，以降低煤基質(zhì)中CH4分子的束縛，在排水降壓或擴大溶蝕空間前提下，減小對地層的損害，研制適合不同地層的壓裂液體系與充分尋找異常高壓地區(qū)，讓游離甲烷氣提振煤層氣勘探開發(fā)的信心。