中國煤層氣資源控制程度及可靠性分析

秦 勇 申 建 李小剛

1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

0 引言

煤層氣資源可靠性指評價結(jié)果與真實情況之間的接近程度，取決于勘查控制程度及地質(zhì)認(rèn)識程度的高低。20世紀(jì)80年代以來，我國歷經(jīng)多次煤層氣資源評價預(yù)測，技術(shù)方法和地質(zhì)認(rèn)識取得長足進(jìn)展，為國家煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了資源基礎(chǔ)。受資料基礎(chǔ)和地質(zhì)認(rèn)識以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段所限，目前對全國煤層氣資源量尚未形成全空間認(rèn)識，忽視了相當(dāng)一部分資源潛力。同時，全國煤層氣資源量評價結(jié)果可靠性專門研究成果迄今未見報道，煤層氣資源可靠性綜合評價體系尚未建立。

鑒于此，本文主要從勘查控制程度視角，基于煤炭資源、煤層含氣性、煤層氣可采性3個方面，概略分析我國煤層氣資源量控制程度，討論了提高煤層氣資源可靠性待解決的關(guān)鍵問題，提出了解決問題的措施與途徑建議，為進(jìn)一步完善煤層氣資源可靠性評價方法理論提供借鑒。

1 煤層氣資源調(diào)查與評價進(jìn)展

1.1 歷次煤層氣資源調(diào)查結(jié)果

我國煤層氣資源評價起始20世紀(jì)80年代前期，歷經(jīng)數(shù)輪，至今仍在不斷深化認(rèn)識[1-17]。其中，原焦作礦業(yè)學(xué)院首次開展全國煤礦瓦斯（煤層氣）調(diào)查工作，評價全國煤層氣（瓦斯）資源量31.92×1012m3，奠定了后續(xù)歷次全國2 000 m以淺煤層氣資源量認(rèn)識的框架基礎(chǔ)[3]。隨后，原煤炭科學(xué)研究總院西安分院提交了全國煤層氣地質(zhì)資源量，為32.86×1012m3[4]，原國土資源部提交全國煤層氣地質(zhì)資源量為36.81×1012m3[5]，相關(guān)數(shù)據(jù)曾被政府部門長期采用。

2006年，原國土資源部組織完成新一輪資源評價，提交全國2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為36.81×1012m3，可采資源量為 10.87×1012m3[11]。其中，煤炭資源落實程度較高區(qū)依據(jù)解吸法、類比法和梯度法獲取含氣量，煤炭資源認(rèn)識程度較低區(qū)主要通過類比法獲取評價參數(shù)。中國工程院主要基于該輪評價結(jié)果，綜合分析煤層氣資源可采性、可靠性和規(guī)模性，認(rèn)為全國具有整裝規(guī)模氣田開采條件的煤層氣可采資源量約 4×1012m3[12]。

2005—2007年，原煤炭科學(xué)研究總院西安分院建立煤層氣技術(shù)可采資源量預(yù)測方法[13]，提交全國2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量為 32.86×1012m3，技術(shù)可采資源量13.90×1012m3，平均技術(shù)可采系數(shù)42%[14]。其中，晉陜蒙、北疆和冀魯豫皖3個地區(qū)技術(shù)可采資源量分別占全國技術(shù)可采資源量的48%、27%和8%。

2015年，中國地質(zhì)調(diào)查局組織完成全國煤層氣資源動態(tài)專項評價，提交2 000 m以淺地質(zhì)資源量為30.05×1012m3，可采資源量為 12.50×1012m3[6]。煤層氣資源的85%以上集中在鄂爾多斯、沁水、滇東黔西、準(zhǔn)噶爾等10個大型盆地（群），以Ⅱ類資源為主，整體品質(zhì)一般；可采性差異大，較好的地區(qū)有限；大部分埋深大于1 200 m的煤層氣資源依靠類比推測得出，可靠性低；全國較為可靠的煤層氣地質(zhì)資源量約 10×1012m3，可采資源量約 4×1012m3[6]。

2016—2018年，中國石油天然氣集團有限公司重新對全國煤層氣資源進(jìn)行評價，利用3個刻度區(qū)求取煤層氣可采系數(shù)，提交埋深2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約29.82×1012m3，可采資源量約12.51×1012m3，平均可采系數(shù) 41.95%[15]。同時，評價考慮了關(guān)于煤層含氣量－埋深關(guān)系認(rèn)識的新進(jìn)展[7,16]，以吸附氣量“臨界深度”為參考，修訂降低了內(nèi)蒙古東部和新疆地區(qū)各中—大型盆地煤層含氣量，使得深部煤層氣資源預(yù)測結(jié)果更為客觀[15,17]。

1.2 歷次煤層氣資源調(diào)查存在的主要問題

1）歷次評價幾乎沒有考慮煤炭資源量控制程度的差異，以及與其密切相關(guān)的煤層氣資源量可靠程度在地區(qū)和深度上的不同。對于尚未獲得煤炭儲量的計算單元，煤炭資源及煤層含氣性依靠類比獲得，類比對象和類比可信度不明。尤其是我國煤炭資源勘查下限深度一般不超過1 000 m，類比法獲得的深層煤層發(fā)育情況及煤炭資源量存在較大不確定性。

2）歷次評價估算的全國煤層氣地質(zhì)資源量相差達(dá) 3.5 倍，介于 14.34×1012～ 50×1012m3之間[1-10]，原因在于覆蓋范圍、所依據(jù)煤炭資源量及地質(zhì)認(rèn)識不同。21世紀(jì)以來主要評價結(jié)果變化相對不大，全國 2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量從 36.81×1012m3降至29.82×1012m3，降幅約19%，煤炭資源總量變化不大是其中重要原因。

3）全國煤層氣可采資源量變化較大，介于8.82×1012～13.90×1012m3之間，變幅達(dá)50%以上。可采系數(shù)多依據(jù)解吸法和等溫吸附法推測，缺乏數(shù)值模擬法、產(chǎn)量遞減法等更可靠方法的廣泛校正，也低于近十年來國內(nèi)煤層氣開發(fā)實踐所展示的結(jié)果。

4）基于淺部煤層實測含氣量—深度關(guān)系，采用梯度法或趨勢法來推測較深部煤層含氣量，目前看來并不符合煤層氣賦存客觀規(guī)律，可能造成1 000 m以深煤層氣資源量估算存在較大偏差。同時，資源類別評價參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)中將深度視為煤層氣開采不利因素，資源類別評價中深度參數(shù)采取“遞減”賦值處理，與當(dāng)前開發(fā)實踐及地質(zhì)認(rèn)識不符，可能低估了深部煤層氣開發(fā)潛力。

2 煤層氣資源量可靠性分析

礦產(chǎn)資源量可靠性取決于地質(zhì)認(rèn)識程度和勘查程度兩個方面，基本要素包括煤層氣地質(zhì)載體（煤儲層本身或煤炭資源）、煤儲層含氣性和煤層氣可采性3個方面。本文基于該3方面評價要素，分析全國煤層氣資源量評價結(jié)果可靠性。

2.1 煤炭資源控制程度對煤層氣資源量可靠性影響

2.1.1 分析基礎(chǔ)與分析方法

21世紀(jì)之前，我國煤層氣專項勘查工作極少，缺乏煤層氣勘查規(guī)范，煤層氣（瓦斯）僅作為煤炭開采技術(shù)條件之一，列入煤炭資源勘查必做工作[18-19]。21世紀(jì)以來，煤炭資源勘查規(guī)范要求將煤層氣作為伴生礦產(chǎn)開展調(diào)查[20-21]，地礦行業(yè)先后發(fā)布修訂了煤層氣資源儲量規(guī)范[22-24]，國家發(fā)布了煤炭與煤層氣兼探標(biāo)準(zhǔn)[25]。我國煤層氣資源量估算主要依賴20世紀(jì)煤炭資源勘查工作，評估我國煤層氣資源控制程度和可靠性，脫離不了這一歷史事實。通常，煤炭勘查程度高的地區(qū)煤層氣資源控制程度總體較高，反之亦然。

煤炭資源總量是探獲資源量與預(yù)測資源量之和[26-27]。其中，探獲資源量是經(jīng)過煤炭資源勘查獲得的煤炭資源量總和，包括勘探、詳查、普查和預(yù)查儲量，保有資源量是探獲資源量扣除已消耗儲量和預(yù)查儲量后剩余的煤炭儲量；預(yù)測資源量是根據(jù)地質(zhì)規(guī)律研究以及有限勘查工程，預(yù)測得出的煤炭資源量。研究者提出勘查程度衡量指數(shù)（累計探獲儲量與資源總量之百分比），用以評價全國煤炭資源勘查程度[28]。分析認(rèn)為，全國1 000 m以淺煤炭資源勘查程度具有東高西低、北高南低展布格局，衡量指數(shù)在黃淮海、晉陜蒙寧、蒙東和遼吉黑地區(qū)普遍大于0.6，其他地區(qū)多在0.6以下，北疆地區(qū)僅0.20；1 000 m以深煤炭資源勘查程度極低，僅黃淮海、遼吉黑、蒙東、晉陜蒙寧4個地區(qū)有一定工作，其他地區(qū)較低或基本無勘查活動[28]。

按照各勘探階段對地質(zhì)認(rèn)識和工程控制程度要求，區(qū)域地質(zhì)調(diào)查階段估算煤炭地質(zhì)預(yù)測資源量，預(yù)查階段估算煤炭預(yù)測儲量，普查階段估算煤炭推斷儲量，這兩個階段所獲儲量相當(dāng)于低級儲量；詳查階段估算煤炭控制儲量和推斷儲量，勘探階段估算煤炭探明、控制、推斷儲量，這兩個階段所獲儲量可視為高級儲量[20-21]。我國幾十年來開展了大量煤田地質(zhì)研究和地質(zhì)類比，1 000 m以淺煤田構(gòu)造和煤層厚度基本上能夠控制，煤炭資源預(yù)測可靠性較高?；诖耍疚膶⒚禾抠Y源可靠性由高到低劃分為高控制、中等控制和低控制程度三級，同時借鑒國際礦產(chǎn)資源界“3P”基本概念[29]，將三級煤炭資源儲量的控制程度依次對應(yīng)為證實（proved）、概算（probable）和可能（possible）3個級別（圖1）。

圖1 煤炭資源可靠性分級框架圖

基于上述可靠性分級基本框架，引入探獲率并提出證實率、概算率兩個參數(shù)，形成勘查控制程度參數(shù)體系，作為衡量煤炭資源控制程度的量化標(biāo)志：

式中Re表示煤炭資源探獲率，即勘查程度衡量指數(shù)[28]，累計探獲儲量與資源總量之百分比；Rp1表示煤炭資源證實率，高控制程度儲量與資源總量之百分比；Rp2表示煤炭資源概算率，中等控制程度資源儲量與資源總量之百分比；Qt表示煤炭資源總量，108t；Qe表示煤炭資源探獲量，108t；Qp表示預(yù)測資源量，108t；Qh表示證實的儲量，勘探（Qk）與詳査儲量（Q）x之和，108t；Qm表示概算的資源儲量，普查（Qg）、預(yù)查儲量（Qy）與小于1000m預(yù)測資源量（Qq）之和，108t。

2.1.2 全國2 000 m以淺煤炭及煤層氣資源控制程度

截止2009年底，全國埋深2 000 m以淺的煤炭資源總量 5.90×1012t，包括探獲儲量 2.02×1012t、預(yù)測資源量 3.88×1012t，探獲率 34%[27]，可見全國煤層氣資源控制程度總體較低。到2017年底，全國煤炭資源總量不變，探獲儲量增加到2.72×1012t，探獲率升至46%；探獲儲量中，達(dá)到精查程度的占42%，詳查程度以上的占17%，普查程度以上的達(dá)24%[18]。與截止2009年底的相關(guān)省區(qū)煤炭資源數(shù)據(jù)相比，2015年底新疆探獲、證實煤炭儲量（勘探儲量與詳査儲量之和）分別新增84%和257%，內(nèi)蒙古為12%和35%，山西為28%和50%，陜西為38%和3%[30]。這4個省區(qū)是我國煤層氣資源賦存的主要地區(qū)，煤炭資源控制程度的增高同樣會帶來煤層氣資源控制程度的提升，但迄今全國煤層氣資源評價尚未全面采用煤炭勘查最新數(shù)據(jù)。

近10年來，全國煤層氣資源評價多以2009年底煤炭資源評價結(jié)果為基礎(chǔ)。為此，基于該時間節(jié)點評價結(jié)果[27]，分析全國2 000 m以淺煤炭資源總體控制程度。其中，省級行政區(qū)探獲率2.19%～80.33%，平均34.29%。依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計特點（圖2），以探獲率30%、60%為界，初步將煤炭資源控制程度分為低、中、高三級，證實率、概算率等級暫時比照相同劃分界線。

圖2 全國煤炭資源探獲率分布圖

分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)一步形成如下認(rèn)識：

1）煤炭資源探獲率。我國探獲煤炭資源量基本上賦存在1 000 m以淺地層。省級行政區(qū)煤炭資源探獲率差別極大，探獲率最高的幾個省區(qū)煤炭資源占比極低，對全國煤炭資源探獲率不會產(chǎn)生實質(zhì)性影響（圖2-a）。全國六大煤炭規(guī)劃區(qū)加權(quán)平均煤炭資源探獲率介于12.11%～56.25%之間，總體不高（表1）。煤層氣資源量最大的晉陜蒙寧規(guī)劃區(qū)煤炭資源探獲率中等，西北規(guī)劃區(qū)煤炭資源探獲率極低，原因在于煤炭資源大省新疆探獲率僅9.18%，影響到全國煤層氣資源量總體控制程度；其他4個規(guī)劃區(qū)煤炭資源探獲率中等，但煤炭資源規(guī)模普遍偏小，對全國煤層氣資源控制程度影響相對較?。▓D2-b）。

表1 全國煤炭規(guī)劃區(qū)煤炭資源勘查控制程度指數(shù)表[27]

2）煤炭資源證實率。全國平均證實率9.22%，六大規(guī)劃區(qū)平均證實率介于8.96%～26.08%之間，總體偏低（表1）。煤炭資源證實率在內(nèi)蒙古相對較高，陜西、山西、貴州居中，新疆極低，表明煤層氣資源證實程度在海拉爾、二連盆地相對較高，鄂爾多斯、沁水盆地及黔西盆地群居中，準(zhǔn)噶爾、吐哈、三塘湖等盆地較低（圖3-a）。其中，西北、黃淮海2個規(guī)劃區(qū)煤炭資源平均證實率分別僅有3.84%和6.86%，新疆過低的證實率（僅3.22%）拉低了西北煤層氣資源控制程度；東北、晉陜蒙寧、西南3個規(guī)劃區(qū)煤炭資源平均證實率介于10.69%～14.87%之間，內(nèi)蒙古相對較高的證實率（16.52%）提高了二連、海拉爾盆地及鄂爾多斯盆地北部煤層氣資源證實程度；華南規(guī)劃區(qū)煤炭資源平均證實率（26.08%）最高，但煤炭/煤層氣資源占比低，對全國煤層氣資源總體控制程度影響不大（圖3-b）。

圖3 全國煤炭資源證實率分布圖

3）煤炭資源概算率。全國煤炭資源平均概算率41.34%，意味著適當(dāng)提高勘查程度就可以大幅度提高煤炭/煤層氣資源控制程度。分析5個主要省級行政區(qū)，新疆煤炭資源概算率最高，達(dá)52.67%；內(nèi)蒙古相對較高，為47.89%；貴州第3，為45.44%；陜西、山西概算率相對較低，分別為27.90%和24.54%（圖4-a）。由此，使得西北規(guī)劃區(qū)煤炭資源平均概算率相對較高，黃淮海規(guī)劃區(qū)最低，其他3個規(guī)劃區(qū)居中（表1，圖4-b）。尤其是晉陜蒙寧規(guī)劃區(qū)煤炭資源規(guī)模大，但煤炭資源概算率僅39.11%，反映鄂爾多斯、沁水、海拉爾、二連四大盆地（群）煤層氣資源控制程度提升空間極大。

圖4 全國煤炭資源概算率分布圖

2.1.3 全國煤層氣開發(fā)戰(zhàn)略布局區(qū)資源控制程度

目前全國已經(jīng)形成“2+3+n”煤層氣開發(fā)基地戰(zhàn)略格局[31]。綜合分析這些基地所在省區(qū)煤炭資源勘查達(dá)到的煤層氣資源控制程度，可以概略評價主要盆地煤層氣資源可靠性（表2）。

表2 全國主要盆地煤層氣資源量及其控制程度表[6]

1）兩大開發(fā)基地。山西省南部煤炭資源量為4 218×108t，其中80%賦存在沁水盆地，探獲率中等（45.23%），1 000 m以淺幾乎均被煤層氣開發(fā)區(qū)塊覆蓋，埋深1 000～1 500 m也有較多煤層氣探井及少數(shù)煤層氣開發(fā)區(qū)塊，煤層氣資源可靠性中等偏上，深部煤層氣勘查潛力中等。鄂爾多斯盆地橫跨5個省區(qū)，煤炭資源量達(dá)2.0×1012t，其中以內(nèi)蒙伊盟地區(qū)為主的盆地北緣占47%，以寧夏和甘肅東部為主的盆地西緣占26%，山西省境內(nèi)的盆地東緣占15%，陜西省境內(nèi)占12%；盡管東緣幾乎全部被煤層氣區(qū)塊覆蓋且埋深介于1 000～2 000 m之間已有數(shù)個開發(fā)區(qū)塊（如臨興—神府、石樓西、延川南等），但煤炭資源總體探獲率不到40%[27]，煤層氣資源可靠性相對較低，深部煤層氣勘查潛力巨大。

2）3個開發(fā)接替基地。北疆接替區(qū)煤炭資源極其豐富，但探獲率不足15%，其中準(zhǔn)噶爾、吐哈、三塘湖3個盆地煤炭預(yù)測資源量達(dá)1.21×1012t，占全國煤炭資源總量的21%，煤炭及煤層氣資源控制程度均很低，可見勘查潛力巨大。二連盆地接替區(qū)煤炭資源總量達(dá)0.68×1012t，探獲率達(dá)87%，但探獲量和預(yù)測量多局限于1 000 m以淺，深部豐富的煤炭及煤層氣資源總體上缺乏控制，淺部控制程度極高，深部勘查潛力較大。黔西—滇東接替區(qū)煤炭及煤層氣資源主要集中在黔西地區(qū)，其中黔西地區(qū)集中了長江以南60%的煤炭資源和67%的煤層氣資源，但煤炭資源探獲率僅27%且集中在1 000 m以淺，資源控制程度整體較低，深部勘查潛力可觀。

3）煤炭—煤層氣資源控制程度關(guān)系。對于現(xiàn)有兩大煤層氣開發(fā)基地，鄂爾多斯盆地煤炭和煤層氣資源量分別占全國的34%和24%，沁水盆地分別占4%和13%，對全國煤層氣資源總體控制程度影響大；盡管沁水盆地控制程度中等偏上，但鄂爾多斯盆地資源占比更大，致使兩個盆地資源控制程度整體偏低。3個接替基地覆蓋區(qū)煤炭資源量占全國的26%，煤層氣資源占27%，其中準(zhǔn)噶爾、二連兩個盆地煤炭資源占全國的22%、煤層氣占14%，且控制程度極低。總體評價，現(xiàn)有“2+3”開發(fā)基地較高控制程度煤層氣資源集中在 1 000 m 以淺，1 000 m 以深煤層氣勘查潛力可觀。

2.2 煤層含氣性控制程度

煤層含氣性常用含氣量、化學(xué)組成、資源豐度和含氣飽和度4方面參數(shù)予以表征，其可靠性極大依賴于數(shù)據(jù)獲取方法，在全國或區(qū)域性煤層氣資源評價中相關(guān)參數(shù)多通過如下幾個手段獲得：

1）實測法。受相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[18-25]約束，煤炭資源勘探＋詳査階段對煤層含氣性的認(rèn)識是可靠的（證實），普查＋預(yù)查階段僅有輪廓性認(rèn)識（概算），找煤或預(yù)測階段幾乎沒有煤心解吸實測資料予以支撐而只是“可能”層次，即預(yù)測范疇。就此而言，目前對全國主要盆地煤層氣風(fēng)化帶下限深度的認(rèn)識總體可靠，開發(fā)區(qū)塊煤層含氣性以及煤層氣探明儲量的評價結(jié)果同樣相對可靠。

2）梯度法。利用淺部鉆孔煤心解吸數(shù)據(jù)與深度之間擬合關(guān)系，推測本區(qū)或鄰區(qū)較深煤層含氣性，這是煤炭資源普查＋預(yù)查和預(yù)測階段的基本方法，歷次全國煤層氣資源評價也常用此方法，獲得的含氣性及煤層氣資源屬于預(yù)測范疇。該方法假設(shè)，煤層含氣量隨深度增大呈單調(diào)函數(shù)增加，對于1 000 m以淺的煤層含氣性預(yù)測具有可信性。然而，這一假設(shè)與業(yè)界長期探索形成的共識[7,16,31-33]差異極大，可能導(dǎo)致“臨界深度”之下的深部煤層吸附氣量預(yù)測結(jié)果不同程度偏高，偏高程度隨深度加大而明顯增大。

3）等溫吸附法。利用淺部煤樣等溫吸附實驗數(shù)據(jù)適當(dāng)估計含氣飽和度，獲得不同深度煤層吸附氣量數(shù)據(jù)。該法預(yù)測的煤層含氣量往往與實際情況偏差較大，原因在于兩個方面：①不同煤階或相同煤階煤層吸附性差異較大，所依據(jù)的外圍煤樣等溫吸附數(shù)據(jù)代表性不足；②含氣飽和度估算除了煤巖煤質(zhì)因素之外，嚴(yán)重依賴于儲層壓力，而儲層壓力狀態(tài)因地因煤層而異，目前尚未取得該方面的規(guī)律性認(rèn)識。鑒于此，采用等溫吸附法求得含氣性進(jìn)而估算的煤層氣資源量，僅屬于預(yù)測（可能）范疇。

4）類比法。在無淺部或無鄰區(qū)實測解吸數(shù)據(jù)評價區(qū)，煤層含氣性預(yù)測采用這一方法，盡管區(qū)內(nèi)常有零星深部煤井或油氣井樣品約束，但改變不了整個評價區(qū)煤層氣資源量預(yù)測（可能）實質(zhì)，我國1 000 m以深煤層氣資源量多屬于此類。國土資源部2006 年評價獲得全國 1 000 ～ 2 000 m 深度煤層氣資源量 22.54×1012m3，占資源總量的 61%[5]；中國地質(zhì)調(diào)查局2016年動態(tài)評價獲得全國同深度范圍煤層氣資源量達(dá) 18.87×1012m3，占資源總量的 63%[6]。由此分析，全國1 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量介于11×1012～ 14×1012m3之間，相對可靠。

20世紀(jì)末，中國煤炭地質(zhì)總局開展了全國埋深2 000 m以淺煙煤和無煙煤地區(qū)可采煤層的煤層氣資源潛力評價[12,34]。其中，充分利用煤炭資源勘查鉆孔煤心解吸資料，以當(dāng)時少量煤層氣試井資料為約束，分析了全國煤田勘查深度范圍（多數(shù)不超過800 m）中—高階煤層含氣性區(qū)域分布規(guī)律，提交全國1 500 m以淺煙煤和無煙煤可采煤層的煤層氣地質(zhì)資源量 9.26×1012m3，可信度較高。

2.3 煤層氣可采性控制程度

可采性涉及煤層氣可采資源量估算，早期資源評價采用解吸率表征煤層氣可采性。隨后引入類比法、數(shù)值模擬法、等溫吸附法、產(chǎn)量遞減法、損失分析法等，前4種方法被我國現(xiàn)行地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24]規(guī)定為獲取煤層氣采收率指標(biāo)的可選方法。其中，類比法、解吸法、等溫吸附法具有預(yù)測性質(zhì)，數(shù)值模擬法和產(chǎn)量遞減法更為接近開采實際，不同方法具有各自的局限性和應(yīng)用前提。

1）類比法。張新民等[14]采用類比法，確定不同埋深四大煤階儲層可采系數(shù)（表3）。由此，估算全國2 000 m以淺煤層氣平均可采系數(shù)為42%；10個大型盆地（群）可采資源量9.51×1012m3，平均可采系數(shù)37%。中國石油天然氣集團有限公司近年來建立了3個可采系數(shù)刻度區(qū)，估算全國埋深2 000 m以淺煤層氣平均可采系數(shù)為42%[15]。其中，高階煤層刻度區(qū)為樊莊區(qū)塊，采用產(chǎn)量遞減法，估算直井煤層氣可采系數(shù)介于59%～64%，水平井可采系數(shù)介于73%～74%；中階煤層刻度區(qū)為三交區(qū)塊，采用數(shù)值模擬法，估算直井可采系數(shù)介于28%～58%；低階煤層刻度區(qū)為保德區(qū)塊，采用實際產(chǎn)量預(yù)測法，估算可采系數(shù)介于33%～51%。

表3 基于類比法確定的我國煤層氣可采系數(shù)表[14]

2）解吸法。也稱直接法，前期全國評價主要依據(jù)原煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T 77）[35-37]進(jìn)行解吸實驗（簡稱“四段解吸法”），進(jìn)而估算解吸率。采用該方法，確定全國煤層氣平均解吸率介于35%～51%之間，各大區(qū)平均解吸率介于30%～49%之間，推測全國煤層氣可采資源量介于 10×1012～ 12.5×1012m3[6,34,38-39,]之間。然而，采用國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19559—2004）（簡稱“三段解吸法”）[40]，獲得的解吸率顯著高于“四段解吸法”結(jié)果，解吸率多在80%以上[41-43]?？梢钥闯?，基于解吸率法得到的煤層氣可采性評價結(jié)果差異極大。究其原因，一是煤層氣地質(zhì)稟賦存在客觀差異；二是基于的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有所不同；三是難以考慮地層條件及工程因素的影響。

3）等溫吸附法。2006年，全國煤層氣資源評價采用等溫吸附法，求得全國2 000 m以淺可采資源量為 10.87×1012m3，平均可采系數(shù) 29.53%[11]。其中，可采資源量大于0.50×1012m3的7個盆地（群）占全國煤層氣可采資源量的78%，平均可采系數(shù)42%；其他34個盆地可采資源量占全國的22%，平均可采系數(shù)為50%?；诘葴匚椒?，估算山西省2 000 m以淺煤層氣資源量為8.3×1012m3，平均可采系數(shù)介于30%～57%之間[44]。對比發(fā)現(xiàn)，采用等溫吸附法獲得的煤層氣可采系數(shù)與“四段解吸法”估算結(jié)果相似，主要分布介于30%～50%之間，但遠(yuǎn)低于“三段解吸法”估算結(jié)果。

4）數(shù)值模擬法。中聯(lián)公司采用數(shù)值模擬法、等溫吸附線和類比法，預(yù)測沁水盆地南部、韓城、阜新等煤層氣可采系數(shù)介于40%～54%[45]之間。利用氣藏數(shù)值模擬及損失分析法計算，預(yù)測我國煤層氣技術(shù)可采資源量為13.90×1012m3，平均可采系數(shù)為42%[14]?？梢钥闯?，數(shù)值模擬方法獲得的全國煤層氣平均可采系數(shù)，與基于“四段解吸法”、等溫吸附法所獲認(rèn)識沒有實質(zhì)性差異。

綜合分析，采用類比法、四段解吸法、等溫吸附法、數(shù)值模擬法獲得的全國2 000 m以淺煤層氣平均可采系數(shù)相對集中，多介于30%～42%之間，相對偏低，可能導(dǎo)致由此估算的全國2 000 m以淺煤層氣可采資源量（10×1012～ 14×1012m3）評估結(jié)果偏低。采用三段解吸法評估的全國煤層氣平均可采系數(shù)高達(dá)80%～85%，個別區(qū)塊產(chǎn)量遞減法獲得的直井可采系數(shù)達(dá)60%，顯著較高，可能致使可采資源潛力評估結(jié)果偏高。我國大部分地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識及工程控制程度短期內(nèi)難以有效提高，無論采用何種評估方法，獲得的可采系數(shù)及可采資源量均具有較大的不確定性。盡管如此，可認(rèn)為全國2 000 m 以淺煤層氣可采資源量超過 14×1012m3。同時，2 000 m以深煤層氣資源潛力全面評估剛開始起步，關(guān)鍵參數(shù)確定和評價技術(shù)適應(yīng)性尚待發(fā)展。

3 關(guān)鍵問題與解決方案

我國歷次煤層氣資源量評價結(jié)果盡管支撐了國家煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但與資源評價可靠性密切相關(guān)的若干問題仍需高度重視。一是采用傳統(tǒng)及現(xiàn)行規(guī)范獲得的煤層含氣量均有所偏低，需要完善評估方法，提高資源潛力認(rèn)識可靠性；二是不同方法確定的煤層氣可采系數(shù)不確定性較大，要求擴大高可靠性刻度方法應(yīng)用范圍，提高煤層氣開發(fā)經(jīng)濟性預(yù)測精度；三是深部煤層含氣性特點不同于淺部煤層，需要深化地質(zhì)認(rèn)識，建立適應(yīng)性預(yù)測方法，落實深部煤層氣資源潛力。

3.1 探索建立不同規(guī)范基準(zhǔn)煤層氣可解吸性換算方法，有效利用以往海量煤炭資源勘查煤心解吸資料

歷次全國煤層氣資源評價所依據(jù)的煤層含氣量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要來自2009年之前煤炭資源勘查獲得的海量煤心解吸資料。然而，2009年之前煤炭資源勘查中煤層氣（瓦斯）含量測試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，與2004年之后我國才開始實施的煤層含氣量測定方法有所差異，這是不同方法解吸率估算差異顯著的根本原因。

無論煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T 77[35-36]）、（AQ 1046[37]）還是在后來升級為國家標(biāo)準(zhǔn)的（GB/T23249—2009[46]），煤層含氣量均由損失氣、解吸氣、粉碎前脫氣、粉碎后脫氣4個解吸階段產(chǎn)出氣組成；2004年以來實施的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19559[40,47-48]），參考美國礦務(wù)局方法將解吸過程簡化損失氣、解吸氣、殘余氣3個階段，除損失氣外，其他幾個階段測試條件規(guī)定有所不同，所測結(jié)果難以簡單對應(yīng)。

解決問題的途徑，在于平行采用新老行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)，利用配對鉆孔煤心樣品，開展從提鉆、現(xiàn)場解吸到實驗室脫氣的三階段與四階段全程解吸比對實驗；同時，以煤層氣保壓取心測試作為含氣性基準(zhǔn)，約束比對采用不同規(guī)范獲得的解吸實驗結(jié)果。需要探討的科學(xué)問題是進(jìn)一步分析煤層氣分階段解吸行為、解吸機理及約束機制，進(jìn)而建立煤層氣可解吸性標(biāo)準(zhǔn)化換算方法。

3.2 探索建立勘查階段煤層含氣量校正方法，縮小煤層氣資源評估結(jié)果與開發(fā)結(jié)果之間差異

勘查階段解吸法含量測值普遍偏低的主要原因，在于取心過程中煤樣損失量補償方法不盡合理[49-51]。為此，要求探索建立煤層含氣量校正方法，提高不同區(qū)域煤層氣資源量評價結(jié)果的可靠程度。

保壓取心被認(rèn)為是能夠直接測出煤樣中全部瓦斯含量的唯一方法[49,52]。中煤科工集團在兩淮礦區(qū)實施了2口井的保壓取心對比試驗，發(fā)現(xiàn)保壓取心煤層含氣量比常規(guī)方法含氣量高出20.23%～40.34%[53]。中國石油華北油田分公司在樊莊區(qū)塊開展驗1口井雙保壓取心測試，發(fā)現(xiàn)總含氣量比同構(gòu)造部位其他12口井繩索取心煤樣總含氣量增長―1.42%～44.95%，平均22.48%[54]。由此，進(jìn)一步佐證了以往煤層含氣量測試結(jié)果顯著偏低的客觀認(rèn)識，歷次評價可能低估了全國煤層氣資源潛力。

中聯(lián)公司采用埋深梯度法、等值線面積權(quán)衡法和井點面積權(quán)衡法校正煤層含氣量，以客觀計算煤層氣探明儲量[45]。采用面積權(quán)衡法，求得潘莊西區(qū)、東區(qū)3號煤層含氣量校正系數(shù)分別為1.16和1.12[55]。以國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19559—2004）獲得的含氣量實測結(jié)果為基準(zhǔn)，采用上述3種方法校正以往用煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T 77-84）獲得的含氣量，認(rèn)為潘莊西區(qū)埋深500～900 m的15號煤層含氣量校正系數(shù)可達(dá)1.36～1.54（平均1.44），等值線面積權(quán)衡法校正系數(shù)1.32，井點面積權(quán)衡法校正系數(shù)1.38[56-57]。也就是說，同一地區(qū)不同煤層含氣量校正系數(shù)有所不同，同一煤層采用不同方法得到的校正系數(shù)存在差異，問題在于校正方法的地質(zhì)條件適應(yīng)性尚不明了。

客觀認(rèn)識全國煤層氣資源潛力需要開展又一項重要基礎(chǔ)研究工作，即采用保壓取心手段，對典型地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)下所獲煤層含氣量的差異予以約束，特別是早期煤炭資源勘查區(qū)、瓦斯放散初速度大的構(gòu)造煤層以及游離氣比例相對較高的深部煤層，進(jìn)而獲得不同煤儲層地質(zhì)條件校正系數(shù)分布規(guī)律。同時，通過廣泛的保壓取心現(xiàn)場試驗和校正系數(shù)厘定，重新認(rèn)識煤層含氣量地質(zhì)分布規(guī)律及其地質(zhì)約束因素，形成更為客觀的煤層含氣量校正方法，支撐全國煤層氣資源地質(zhì)調(diào)查工作的深化開展。

3.3 探索改進(jìn)測試規(guī)程方法，揭示煤層損失氣及殘余氣賦存客觀規(guī)律及煤層氣真實可采潛力

采用等溫吸附法、礦井實測瓦斯涌出量來反算煤層含氣量，發(fā)現(xiàn)解吸法含氣量低于反算含氣量，當(dāng)煤層埋深大于500 m時，85%的煤心含氣量測值偏低30%～40%，最高達(dá)50%以上[51]。同時發(fā)現(xiàn)，采出地表且放置很長時間的煤樣仍有殘留瓦斯持續(xù)解吸[58-60]。大量客觀現(xiàn)象充分揭示，無論是損失氣還是殘留氣，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均不能對其客觀描述，結(jié)果是低估了煤層含氣量以及煤層氣資源可采性。

國外曾嘗試基于史密斯—威廉斯法測定鉆井煤屑含氣量，利用體積校正因子獲得煤層損失氣量[61]。實際上，煤層氣解吸量只在初始解吸階段早期與時間呈線性關(guān)系，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中采用的美國礦務(wù)局1/2 t時間法只適用于提鉆時間極短的煤層；煤心提鉆到裝罐過程中不同環(huán)節(jié)解吸是在不同介質(zhì)中進(jìn)行，壓力條件差異顯著，單純采用地面瓦斯解吸規(guī)律推算提鉆過程煤樣損失氣量缺乏充分依據(jù)[62]。鑒于此，基于模擬試驗，建立了考慮游離氣在內(nèi)的不同鉆井液條件下煤心解吸—擴散模型及逸散量數(shù)值模擬方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)逸散時間小于25 min時解吸法與數(shù)值模擬法結(jié)果基本一致，逸散時間大于75 min時數(shù)值模擬結(jié)果普遍大于解吸法結(jié)果[63]。為此，采用目前規(guī)范方法推算得出煤層損失氣量多數(shù)偏低。

以排采見氣壓力作為臨界解吸壓力，結(jié)合實驗獲得的等溫吸附參數(shù)，利用Langmiur方程反演煤層含氣量，繼而通過數(shù)理統(tǒng)計建立含氣量與深度函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)海外某區(qū)塊煤層真實含氣量平均被低估了57%[64-65]。同時，該區(qū)塊校正后煤層含氣量呈現(xiàn)出明顯的“臨界深度”效應(yīng)，1 100 m以深含氣量隨深度增大有降低趨勢。

煤層含氣量測試操作因素對后期殘余氣影響同樣十分明顯。利用黔西地區(qū)鉆孔煤心，在國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19559）規(guī)定的解吸程序完成之后進(jìn)一步粉碎加熱，發(fā)現(xiàn)戴家田勘查區(qū)無煙煤樣延續(xù)粉碎加熱后總解吸量增加3.85%～15.09%（平均增幅7.72%）[66]；大河邊勘查區(qū)焦煤樣含氣量增加19.65%～65.54%（平均增幅43.74%），其中原生結(jié)構(gòu)煤樣含氣量增幅約20%，構(gòu)造煤樣含氣量增幅達(dá)56%[67]。

上述探索揭示，煤層真實含氣量之高，業(yè)界目前遠(yuǎn)未充分理解。基于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)獲得的煤層解吸量均低于真實情況，損失氣校正、自然脫氣規(guī)程、粉碎脫氣規(guī)程等每個環(huán)節(jié)的偏差均對含氣量客觀認(rèn)定產(chǎn)生影響，所有環(huán)節(jié)都存在有待探討的基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)方法和測試流程問題。同時，給我們以啟示，探索煤儲層納米級微孔有效改造技術(shù)，不僅有助于單井產(chǎn)量大幅度提高，而且可能充分釋放煤層氣產(chǎn)出潛力，使?jié)摿υu價基礎(chǔ)更為準(zhǔn)確。

3.4 探索建立深部煤層含氣性及可采性評價理論與方法，助推我國煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展

煤系氣成藏作用存在深度效應(yīng)，導(dǎo)致深部煤層含氣性、可解吸性等與淺部煤層有所不同，進(jìn)而影響到對深部煤層氣資源及開采潛力的客觀認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)，“深部煤層氣”賦存于由地應(yīng)力狀態(tài)“轉(zhuǎn)換”與吸附氣含量“臨界深度”共同控制的深部煤層，而非簡單的人為劃分深度界線[7,32]；埋藏由淺至深，煤層氣賦存態(tài)從吸附氣優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)槲綒?、游離氣并重，形成深度序列上的煤層氣有序聚集[68]。

我國煤層氣“臨界深度”因地而異，變化范圍介于 600 ～ 1 800 m 之間[7,32-33,69-73]?；诙鯛柖嗨古璧貣|部煤樣開展吸附物理模擬實驗，以數(shù)百口井煤心解吸資料為約束，建立了深部煤層含氣量預(yù)測模型[74]。模擬結(jié)果揭示，深部煤層含氣量具有兩個基本特點：①若地溫梯度恒定，煤階增高，臨界深度隨之變淺；②若其他條件恒定，臨界深度隨地溫梯度增高而變淺，隨壓力梯度增大而變深[16]。

在臨界深度以深，溫度效應(yīng)逐漸增強，煤層吸附性減弱，煤層游離氣比例隨之增高，煤層氣可采性隨之增大。然而，目前鉆孔煤心解吸展示的現(xiàn)象十分雜亂，解吸率與深度關(guān)系未見統(tǒng)一規(guī)律[39,75-76]。例如，淮南潘集井田914～1 487 m深度范圍內(nèi)，煤心解吸率變化范圍寬達(dá)17%～95%，平均55%，上包絡(luò)線隨深度增大呈非單調(diào)函數(shù)變化，在1 300 m左右達(dá)到最大值，然后隨深度增大而趨于降低[76]。進(jìn)一步考慮深部煤層游離氣比例增大的客觀現(xiàn)象，則目前對深部煤層氣可采資源量的評價結(jié)果顯著偏低。

模擬實驗發(fā)現(xiàn)，海拉爾盆地五牧場褐煤—煙煤層吸附氣含量臨界深度在1 200 m左右；在400 m、1 200 m、2 000 m 處，煤層吸附氣占比從 91%、70%降至53%，游離氣占比從2%、21%升至37%[57,77]。建模分析認(rèn)為，準(zhǔn)噶爾盆地深部低階煤層含氣量以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，溶解態(tài)比例極低；含水飽和度越低，臨界深度越淺；臨界深度還受煤層氣賦存態(tài)及其比例、煤層孔隙壓實效應(yīng)、含水飽和度等因素影響[78]。基于壓力—溫度—密度模型及解吸動力學(xué)條件分析，認(rèn)為沁水盆地中—北部深部高階煤層中天然氣以游離氣—吸附氣之間的過渡態(tài)形式賦存，游離相甲烷以壓縮游離氣形式存在[79]。

煤層氣深度效應(yīng)部分研究成果，已被近年來煤層氣資源評價嘗試采用[10,15,17,80]。然而，深部煤層含氣性及可采性受諸多地質(zhì)因素影響，是一個由宏觀－微觀地質(zhì)因素耦合而成的復(fù)雜因果系統(tǒng)，相關(guān)認(rèn)識尚待深化，臨界深度、可解吸性、賦存態(tài)構(gòu)成等顯現(xiàn)特征及控制機理等尚未全面揭示，相應(yīng)評價預(yù)測模型客觀程度不一。為此，深部煤層氣賦存態(tài)與解吸機制既與提高深部煤層氣資源評價結(jié)果可靠性直接相關(guān)，也涉及深部優(yōu)質(zhì)煤儲層預(yù)測評價客觀性，是業(yè)界面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[72]。

4 結(jié)論

1）全國煤層氣資源主要評價結(jié)果總體上具有全面性、系統(tǒng)性和客觀性。然而，由于歷史階段和認(rèn)識所限，資源量控制程度和資源潛力尚有提升空間；考慮煤炭資源控制程度差異以及煤層氣資源可靠程度在地區(qū)和深度上的不同，應(yīng)加強1 000 m以深煤層賦存情況及煤炭資源量的確定性；全國煤層氣可采資源量評價結(jié)果相差極大，可采性認(rèn)識尚待發(fā)展；資源類別評價中深度參數(shù)采取“遞減”賦值處理，與近年來生產(chǎn)實踐及地質(zhì)認(rèn)識不盡相符，可能造成深部煤層氣資源潛力評價結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

2）煤炭資源量控制程度可在很大程度上反映煤層氣資源量可靠性?；诖?，結(jié)合勘查階段，建立了勘查控制程度指數(shù)體系，用以量化分析資源控制程度。分析結(jié)果顯示：煤炭資源探獲率在煤層氣資源集中賦存的晉陜蒙寧地區(qū)為中等，西北地區(qū)極低；證實率在海拉爾、二連盆地相對較高，鄂爾多斯、沁水盆地及黔西盆地等居中，準(zhǔn)噶爾、吐哈、三塘湖等盆地較低；全國煤炭資源平均概算率為41.34%，適當(dāng)提高勘查程度就可大幅度提高煤炭/煤層氣資源控制程度。煤層氣資源可靠性在沁水盆地中等偏上，鄂爾多斯盆地相對較低，北疆地區(qū)很低，二連盆地淺部極高，黔西—滇東地區(qū)整體較低。同時，這些盆地均具有可觀的深部煤層氣資源勘查潛力。

3）主要盆地煤層氣資源量估算結(jié)果可靠性差異極大。煤層氣資源量計算上限深度的認(rèn)識總體可靠，開發(fā)區(qū)塊及煤炭資源勘探或詳査地區(qū)煤層氣資源評價結(jié)果屬于“證實”級別，可靠性高；在煤炭資源普查、預(yù)查以及煤層埋藏淺于1 000 m地區(qū)，含氣性以及據(jù)此獲得的煤層氣資源屬于“概算”范疇，可靠性中等；采用等溫吸附法求得含氣性進(jìn)而估算的煤層氣資源量，限于“可能”范疇，可靠性低，包括1 000 m以深多數(shù)煤層氣資源量。由此分析，目前提交的全國煤層氣資源中，可靠的地質(zhì)資源量介于11×1012～ 14×1012m3之間，其中可采資源量介于4.5×1012～ 6.3×1012m3之間。

4）煤層氣可采性評估結(jié)果不確定性較大。采用類比法、解吸法、數(shù)值模擬法獲得的全國煤層氣平均可采系數(shù)相對偏低，而基于現(xiàn)行三階段解吸法獲得的平均可采系數(shù)顯著較高。即，目前采用類比法、三階段解吸法、數(shù)值模擬法估算的全國煤層氣可采資源量評估結(jié)果偏低，以三階段解吸法為基礎(chǔ)的評估結(jié)果偏高。但是，全國2 000 m以淺煤層氣可采資源量至少超過目前給出的評價結(jié)果上限，即大于14×1012m3。同時，2 000 m以深煤層氣資源潛力關(guān)鍵參數(shù)尚不明確，適應(yīng)性評價技術(shù)尚不成熟。

5）煤層氣資源可靠性評價理論與方法尚待發(fā)展。①傳統(tǒng)及現(xiàn)行規(guī)范獲得的煤層含氣量均有所偏低，需要進(jìn)一步完善評估方法，提高煤層氣資源規(guī)模認(rèn)識的可靠性；②不同方法確定的煤層氣可采系數(shù)不確定性較大，需要擴大可靠估算方法應(yīng)用范圍，提高煤層氣開發(fā)經(jīng)濟性預(yù)測精度；③深部煤層含氣性特點顯著不同于淺部煤層，需要完善相關(guān)地質(zhì)認(rèn)識并建立適應(yīng)性評價預(yù)測方法，落實深部煤層氣資源潛力。從基礎(chǔ)研究和方法創(chuàng)新視角，細(xì)化提出了提高我國煤層氣資源預(yù)測評價可靠性的4條具體建議。