山西省煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

王 坤 張國生 李志欣 梁 坤 黃金亮

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

1 煤層氣資源規(guī)模與分布特征

山西省是我國煤炭大省，煤層氣資源十分豐富。2010年以來，多家機(jī)構(gòu)對省內(nèi)主要含煤盆地的煤層氣資源規(guī)模進(jìn)行過評(píng)價(jià)。2012年由山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院完成的“山西省煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)”結(jié)果顯示2000m以淺煤層氣資源量約8.31×1012m3，主要分布在沁水、鄂爾多斯盆地東緣(鄂東)、寧武等盆地(地區(qū))，占全省資源總量的95.6%，其中沁水盆地煤層氣資源量約5.39×1012m3，占全省總量的64.9%。

2015年的“全國煤層氣資源動(dòng)態(tài)專項(xiàng)評(píng)價(jià)”和2016年的“中國石油第四次全國油氣資源評(píng)價(jià)”分別對山西省內(nèi)的沁水、寧武盆地以及橫跨晉陜甘蒙四省的鄂爾多斯盆地煤層氣資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)并得到相同的結(jié)果，其中2000m以淺沁水、寧武盆地煤層氣資源量分別為4.00×1012m3和0.36×1012m3，較2012年的“山西省煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)”結(jié)果分別減少1.39×1012m3和346×108m3。根據(jù)鄂爾多斯盆地煤層氣資源分布特征，推測山西省內(nèi)鄂東地區(qū)煤層氣資源量約1.60×1012m3，較之減少0.55×1012m3(表1)。資源量減少的主要原因是新的評(píng)價(jià)工作利用的鉆井?dāng)?shù)據(jù)更多，數(shù)據(jù)更為可靠，煤層含氣量多采用實(shí)測數(shù)據(jù)或利用煤層氣吸附量-埋深交會(huì)圖獲得。因此，本文對山西省煤層氣勘探開發(fā)發(fā)展趨勢的預(yù)測主要依據(jù)新的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

表1 山西省富煤層氣盆地資源評(píng)價(jià)結(jié)果

*本文推算值

2 煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 煤層氣產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長

截至2018年底，境內(nèi)累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量5.81×1011m3，占全國探明儲(chǔ)量的89.2%。由于儲(chǔ)量核銷等原因，近5年新增探明儲(chǔ)量逐漸減小，累計(jì)探明量增長放緩并出現(xiàn)下降，2016年累計(jì)探明儲(chǔ)量達(dá)到最大6.12×1011m3(圖1)。沁水煤田是目前山西省境內(nèi)探明程度最高的煤田，截止2018年底累計(jì)探明4.35×1011m3，占全省探明儲(chǔ)量的74.8%。沁水煤田以外的各煤田煤層氣資源規(guī)模落實(shí)程度較低，資源探明率低。

圖1 山西省煤層氣儲(chǔ)量增長趨勢

隨著沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣(鄂東)煤層氣資源的規(guī)模開發(fā)，山西省內(nèi)已建成沁水和鄂東兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)基地，煤層氣產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量比例保持在90%以上?！笆濉币詠?，山西省煤層氣產(chǎn)量增長不斷提速，2019年山西省規(guī)模以上企業(yè)實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)量6.41×109m3，較2018年增長1.39×109m3，增幅達(dá)25.2%(圖2)。2020年1～2月煤層氣產(chǎn)量1.06×109m3，在主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量受“新冠疫情”影響而出現(xiàn)不同程度下滑的情況下，實(shí)現(xiàn)同比增長2.8%。

圖2 山西省煤層氣產(chǎn)量增長趨勢

2.2 沁水盆地高煤階煤層氣實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)

在煤層氣的研究中，通常將0.50%2.00%為高煤階。沁水盆地聚煤作用主要發(fā)生在二疊系太原組、山西組的潟湖和三角洲平原環(huán)境中，其中太原組15號(hào)煤層和山西組3號(hào)煤層厚度穩(wěn)定展布連續(xù)，保存完整，受高溫和相對低壓的區(qū)域變質(zhì)作用下，煤巖變質(zhì)程度普遍達(dá)到高煤階。煤層微孔隙和裂隙發(fā)育，甲烷吸附能力強(qiáng)，15號(hào)和3號(hào)煤層的含氣量分別為8～30m3和10～20m3。

2005以來，沁水盆地南部鄭莊、潘莊、樊莊、柿莊南、柿莊北、馬必等區(qū)塊先后投入規(guī)模開發(fā)。中國石油華北油田探明我國第一個(gè)千億方煤層氣田，最高日產(chǎn)超過3.50×106m3/d，截至2018年累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到6.45×109m3；2018年中聯(lián)煤層氣公司在潘莊等區(qū)塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量1.17×109m3，累計(jì)產(chǎn)氣6.89×109m3。經(jīng)過開發(fā)實(shí)踐，沁水盆地高煤階煤層氣產(chǎn)能建設(shè)選區(qū)取得進(jìn)步、低成本可控水平井技術(shù)在探索中取得成效，直(叢式)井水力壓裂儲(chǔ)層改造技術(shù)實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代，800m以淺煤層氣開發(fā)技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長。

2.3 鄂東地區(qū)中煤階、中深層煤層氣開發(fā)獲突破

鄂爾多斯盆地煤層氣主要勘探層系是石炭-二疊系，煤層Ro，max分布范圍0.7%～2.6%，中煤階至高煤階不等。鄂爾多斯盆地東緣煤層埋深相對淺，煤層氣勘探程度最高，相對低的熱演化程度造成該地區(qū)煤層含氣量稍低于沁水盆地(6.5～11.2m3/t)。近年來中石油、中石化等油公司在鄂東地區(qū)山西省域內(nèi)勘探開發(fā)成效顯著。其中北部中低煤階區(qū)保德區(qū)塊建成我國首個(gè)大型中低煤階煤層氣田，截至2018年累計(jì)提交探明儲(chǔ)量3.44×1010m3，產(chǎn)氣2.58×109m3。

南部高煤階區(qū)延川南區(qū)塊建成我國唯一投入商業(yè)開發(fā)的深層煤層氣田，煤層埋深1000～1600m，平均深度1280m，日產(chǎn)氣超過1.10×106m3，截至2018年累計(jì)提交探明儲(chǔ)量2.08×1010m3，產(chǎn)氣1.02×109m3。面向深層煤層氣的水平井、小曲率半徑定向井、多分支井的成功實(shí)施，為今后煤層氣勘探開發(fā)大規(guī)模走向深層提供了技術(shù)支撐。

3 煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

3.1 煤層氣勘探開發(fā)發(fā)展方向

3.1.1 中深層、中低煤階煤層氣開發(fā)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?/p>

當(dāng)前山西省內(nèi)煤層氣的開發(fā)多針對800m以淺的煤層，隨著淺部資源的不斷開發(fā)，未來將大比例轉(zhuǎn)入中深層。深部煤層處于高地溫、高地應(yīng)力、高儲(chǔ)層壓力和低滲透率的地質(zhì)環(huán)境中，煤層氣富集規(guī)律與淺層有很大不同。鄂東地區(qū)南部延川南氣田的成功開發(fā)得益于低成本的鉆完井技術(shù)、適用的增產(chǎn)改造技術(shù)和智能化精細(xì)排采控制等技術(shù)的不斷完善，為其他地區(qū)深部煤層氣的勘探開發(fā)提供了借鑒。沁水盆地煤層氣鉆井揭示煤層含氣量隨深度的增加而增大，中深層煤層氣勘探潛力巨大。中國石油華北油田在盆地南部馬必東區(qū)塊在超過1000m埋深的煤層中實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)，突破了以往埋深800m以深的煤層氣不宜開發(fā)的認(rèn)識(shí)，平均單井日產(chǎn)超過2000m3，目前仍處于產(chǎn)量上升期。

保德中低煤階煤層氣田的商業(yè)開發(fā)解放了鄂東地區(qū)廣泛分布的中低煤階煤層氣資源，形成了適用于中低煤階煤層氣特點(diǎn)的勘探開發(fā)技術(shù)序列，如“適度液量、變排量、適度砂比”的儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)，“雙控制逐級(jí)排采法”的排采工藝技術(shù)等。從2015年底建成5.50×108m3產(chǎn)能至今保德氣田穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)良好，可穩(wěn)產(chǎn)至2023年。

3.1.2 技術(shù)進(jìn)步有望驅(qū)動(dòng)煤系“三氣”共探合采

煤系“三氣”系指與煤系地層有關(guān)的頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣，三者以不同的富集狀態(tài)共生于海陸交互相的含煤地層中。山西省含煤盆中廣泛發(fā)育的煤系烴源巖多已達(dá)到成熟階段，與煤層間互發(fā)育的三角洲相砂巖層，海陸過渡相頁巖層為致密氣和頁巖氣的富集提供了有利儲(chǔ)集空間。目前省內(nèi)煤系地層中的致密氣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，頁巖氣勘探取得重要進(jìn)展。鄂東地區(qū)大吉-吉縣區(qū)塊致密氣田已建成6.00×108m3產(chǎn)能，2017～2019年已穩(wěn)產(chǎn)3年，累采氣1.81×109m3，具備10年以上穩(wěn)產(chǎn)潛力。鄂東地區(qū)石炭系本溪組和下二疊統(tǒng)太原-山西組煤系地層中發(fā)現(xiàn)存在海陸過渡相的頁巖氣層，多口井獲得工業(yè)氣流。

由于煤系“三氣”具有不同的賦存狀態(tài)和儲(chǔ)層特征，對儲(chǔ)層改造和排采工藝的要求也不相同，實(shí)現(xiàn)“三氣”合采的關(guān)鍵配套技術(shù)目前還處在試驗(yàn)和起步階段。山西省煤炭地質(zhì)局對沁水盆地榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊深部煤系地層(產(chǎn)層埋深1300～1350m)的煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣進(jìn)行了分壓合采試驗(yàn)并且較好效果，最高日產(chǎn)達(dá)到1000m3，穩(wěn)產(chǎn)近一年，為煤系三氣共探合采的儲(chǔ)層改造工藝和開發(fā)方式提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.2 煤層氣儲(chǔ)產(chǎn)量增長趨勢預(yù)測

3.2.1 儲(chǔ)量增長趨勢預(yù)測

以沁水盆地為例，截至2018年，中國石油、中國石化、中聯(lián)煤層氣等公司在約2360km2累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量約4.35×1011m3，資源探明率僅11%，未來儲(chǔ)量增長空間仍然很大。基于近年來山西省煤層氣勘探開發(fā)成果、2016年中石油第四次油氣資源評(píng)價(jià)獲得的煤層氣資源量新認(rèn)識(shí)，結(jié)合山西省煤層氣勘探開發(fā)展方向，在以往煤層氣儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對2020～2030年山西省煤層氣儲(chǔ)量增長趨勢進(jìn)行預(yù)測。

Al-Fattah 和Laherrere推導(dǎo)出哈伯特模型的年新增儲(chǔ)量(產(chǎn)量)與開發(fā)時(shí)間的關(guān)系為：

其中Q為年新增儲(chǔ)量或產(chǎn)量；為油田年產(chǎn)量高峰值；b為模型參數(shù)；t為投產(chǎn)后年份；tm為產(chǎn)量高峰年份。由于技術(shù)的不斷進(jìn)步和油氣分布相對不集中，天然氣儲(chǔ)產(chǎn)量的增長多呈現(xiàn)多個(gè)增長高峰，據(jù)此可利用多個(gè)哈伯特模型疊加的方法(多旋回哈伯特模型)，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并對趨勢進(jìn)行預(yù)測，表示為：

其中k為旋回個(gè)數(shù)，bi為第i個(gè)模型的參數(shù)。

通過對2009～2018年儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)規(guī)律和山西省煤層氣資源量的綜合分析，同時(shí)考慮技術(shù)進(jìn)步可能帶來的中深層、中低階儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)，研判認(rèn)為“十四五”末年新增探明儲(chǔ)量有望達(dá)到6.00×1010m3的規(guī)模并穩(wěn)定至“十五五”末。據(jù)此利用多旋回哈伯特模型對2009年至2030年的儲(chǔ)量增長過程及趨勢進(jìn)行擬合，確定k值為12，模型參數(shù)如表2，年新增儲(chǔ)量變化過程如圖3。根據(jù)預(yù)測，“十四五”期間山西省有望提交探明地質(zhì)儲(chǔ)量2.75×1011m3，截至“十五五”末累計(jì)提交探明儲(chǔ)量1.24×1012m3，資源探明率達(dá)到約21%，有效支撐煤層氣產(chǎn)量的持續(xù)增長。

表2 山西省煤層氣儲(chǔ)量增長歷史擬合及趨勢預(yù)測多旋回哈伯特模型參數(shù)(2009～2030)

圖3 山西省煤層氣儲(chǔ)量增長趨勢預(yù)測

當(dāng)前山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，一是“十四五”我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)入行動(dòng)期，天然氣的利用進(jìn)一步增長，地位進(jìn)一步提高；二是我國“清潔低碳，安全高效”能源體系發(fā)展戰(zhàn)略決定了天然氣(含煤層氣)將成為從以煤炭為主體的化石能源向可再生低碳綠色能源轉(zhuǎn)型的橋梁；新形勢下的能源安全觀要求要大力提升國內(nèi)天然氣產(chǎn)量，有效抑制過高的對外依存度。因此，若前文所述的對策建議(激勵(lì)政策)落地見效，與技術(shù)進(jìn)步形成“雙端驅(qū)動(dòng)”，“十四五”期間新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過3.10×1011m3，截至“十五五”末累計(jì)提交探明儲(chǔ)量超1.36×1012m3，資源探明率升至約23%。

3.2.2 產(chǎn)量增長趨勢預(yù)測

截至2018年，山西省已開發(fā)探明地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)到1026.94×108m3，僅占累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量的17.7%，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量51.2×108m3，產(chǎn)量增長空間仍很大。根據(jù)近年來山西省煤層氣田開發(fā)情況及建產(chǎn)速率，結(jié)合對山西省煤層氣儲(chǔ)量增長趨勢的預(yù)測，采用多旋回哈伯特模型對2020～2030年山西省煤層氣產(chǎn)量增長趨勢進(jìn)行預(yù)測。

在考慮煤層氣已探明儲(chǔ)量的開發(fā)利用、低效區(qū)和老區(qū)的盤活，以及技術(shù)進(jìn)步帶來的中深層、中低階儲(chǔ)量的規(guī)模建產(chǎn)等因素的前提下，通過2009年至2019年的產(chǎn)量增長過程的擬合，預(yù)測山西省煤層氣產(chǎn)量有望在“十五五”中期達(dá)產(chǎn)120×108m3左右并保持相對穩(wěn)定，從而確定模型k值為7，模型參數(shù)如表3，產(chǎn)量增長過程如圖4。根據(jù)預(yù)測，山西省煤層氣產(chǎn)量有望在“十四五”末達(dá)到105×108m3的規(guī)模，并在2028年達(dá)產(chǎn)120×108m3左右并保持相對穩(wěn)定，約占全國煤層氣總產(chǎn)量的83%；若“十四五”期間有利于煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的激勵(lì)措施落地見效，與技術(shù)進(jìn)步形成雙端驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)會(huì)在“十五五”末帶來約20×108m3的產(chǎn)量增量，山西省煤層氣產(chǎn)量有望在2025年達(dá)產(chǎn)115×108m3，“十五五”中期達(dá)到140×108m3的規(guī)模并保持穩(wěn)定。

表3 基于多旋回哈伯特模型的山西省煤層氣產(chǎn)量歷史擬合及趨勢預(yù)測參數(shù)(2014～2030)

圖4 山西省煤層氣產(chǎn)量增長趨勢預(yù)測