煤成（型）气地质研究及勘探开发简况

1. 煤成（型）气地质研究及勘探开发简况

1.2.1 世界煤层气开发利用历史与现状
1920年和1931年，美国在粉河盆地（Powder River Basin）中部的怀俄德克煤层和阿巴拉契亚北部比格郎气田的匹兹堡煤层先后打出3 口煤层气自流井。20世纪50年代以来，菲利浦石油公司参与圣胡安盆地（San Juan Basin）的煤层气开发，在水果地组煤层打出一大批气井，其中大多数井均获成功。在此期间，采用常规油气理论为指导进行钻井。进入70年代，在全球能源危机的影响下，美国能源部做出了开展包括煤层气在内的非常规天然气回收研究的决定。从1978年开始对美国16个含煤盆地进行了长达8年的煤层气研究。研究过程中对煤层气的储集和运移机理、生产方式和开采工艺有了进一步的认识，先后对14个盆地做出了资源量计算。
20世纪80年代初，美国对煤层气的开发利用取得了重大突破，尤其在圣胡安盆地和黑勇士盆地（Black Warrior Basin）取得了商业性开发的成功（杨锡禄等，1995）。1986年以后，在取得东部浅层含煤盆地煤层气开发经验的基础上，美国对西部深层含煤盆地展开了研究，并取得了明显的开发效果（张武等，2000）。
美国煤层气工业在近几年来取得长足进步的关键是对含煤盆地进行了系统、全面的地质综合评价，尤其是在黑勇士盆地、皮申斯盆地及圣胡安盆地开展了大规模的研究和开发试验，根据各地的经验，提出在选择勘探、开发煤层的有利区块进行地质综合评价时，应考虑一系列地质因素，即气含量、渗透性、煤阶、煤层的物理性质、煤层厚度、埋深、地温梯度、地应力、顶底板岩层特征、沉积环境及构造条件等（叶建平，2006）。其中，煤层厚度、煤阶、气含量、渗透性、埋深和构造条件是选择煤层气开发有利区块时必须优先考虑的因素。
美国煤层气勘探开发情况代表了世界煤层气工业的发展状况。近年来，澳大利亚的煤层气勘探工作也十分活跃，主要集中在东部的几个二叠纪-三叠纪含煤盆地，包括悉尼（Sydney）、冈尼达（Gunnedah）、博恩（Bowen）等盆地，其中博恩盆地的一些井经过测试已经转化为生产井。2000～2001年度，仅博恩盆地用于煤层气勘探的费用就达4440万美元，占该盆地全部勘探费（1.2 亿美元）的37%。昆士兰天然气公司已经在靠近Chianchill的Argyle-1井成功进行了煤层气生产，日产量超过2.823×104m3，煤层气的勘探开发已经成为昆士兰石油和天然气工业的基本部分。但直到目前，澳大利亚的煤层气生产还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。澳大利亚煤层气勘探开发进展较快，主要原因有三：一是澳大利亚煤炭及煤层气资源丰富；二是几个主要含煤盆地离东海岸人口密集区较近，具有潜在的煤层气销售市场；三是在勘探过程中借鉴了美国的成功经验，并与本国的客观地质情况相结合。
除了美国和澳大利亚，世界上其他30多个国家和地区也开始进行煤层气的勘探和开发工作，但是仅有少量的国家能进行成功的煤层气规模开发，主要原因有三：一是煤层气作为一种非常规天然气，其前期工作往往需要很大的资金投入，如果没有税收政策上的优惠，很难吸引资金；二是除美国外，各国不能彻底解决各自的具体技术问题；三是煤层气本身的特殊性，即从地质评价到工业开采一般需要相当长的时间。
1.2.2 我国煤层气开发利用历史与现状
我国煤层气勘探开发起步较晚，20世纪70年代末至90年代初，我国仍以煤矿安全为主要目的进行瓦斯抽放，部分矿井同时进行煤层气开采试验。1980年，我国的瓦斯抽放量已达到2.934×108m3，其中1000×104m3以上的矿井就有5个。1985年，国家经委修订了《资源综合利用目录》，将瓦斯列入废弃能源，1996年又把煤层气开发和煤层气发电列入该目录。1992年，煤炭部门与联合国开发计划署（UNDP）签订协议，投资1000万美元进行试验，该项目包括松藻矿务局、开滦矿务局、铁法矿务局和煤炭科学研究总院西安分院的4个子项目，主要目的是为我国发展煤层气工业引进技术和设备。这一阶段主要借用美国的技术和经验，但对于地质条件复杂的中国含煤区不太适用，因此未获得突破性进展，但是通过试验，对我国煤层气勘探开发情况取得了一定的认识，为后来的煤层气勘探开发奠定了基础。
从20世纪90年代初开始，我国开展了煤层气的勘探试验，取得了实质性的突破与进展。1990年以来，全国已有30多个含煤盆地进行了煤层气勘探钻井，取得了一批储层测试参数和生产参数，在一些地区甚至获得工业气流。为了加快我国煤层气的开发，国务院于1996年初批准成立了中联煤层气有限责任公司。“九五”和“十五”国家科技攻关项目中都设立了煤层气研究和试验项目，同期，国家计委设立了“中国煤层气资源评价”国家一类地勘项目。为了推进煤层气的产业化进程，2002年，国家“973”计划设立了“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究”项目，从基础及应用基础理论的层面对制约我国煤层气发展的关键科学问题进行系统研究，并将其成果应用于煤层气的勘探开发中。到目前为止，我国施工煤层气井270余口，共有31个区块进行过不同程度的试验，主要集中在华北、东北和华南聚气区，建成煤层气井组12个；探明煤层气地质储量10.23×1012m3，中联煤层气公司和煤炭科学研究总院西安分院新一轮全国煤层气资源预测显示，我国煤层气总资源量为31.46×1012m3。
1999～2002年，由东煤107队于辽宁省阜新盆地共施工了8口煤层气地面开发井，为阜新市提供日产气量为2×104m3以上的居民生活用气，标志着我国煤层气地面钻井商业开发实现了零的突破。2005年，山西省晋城地区投入2.37亿美元建设的国内第一个煤层气综合开发利用示范项目开工，预计2008年建成投产。该项目通过地表向地下煤层钻孔，每年抽取煤层气大约1.66×108m3，供应当地工业、商业用户和居民作燃料，并建设一座12×104kW的煤层气发电厂。
1.2.3 我国煤层气勘探开发的进展与趋势
2004～2006年，在国家发展和改革委员会、国土资源部、财政部联合组织下，开展了全国新一轮煤层气资源评价，中联公司、中石油、中石化和中国矿业大学等单位承担了具体评价任务。评价中首次考虑了褐煤中的煤层气资源，首次进行了全国重点矿区煤层气资源评价。
截至目前，我国煤层气探明地质储量为1023.08×108m3。其中，以地面开发为主探明储量为754.44×108m3，以矿井抽放为主探明储量为268.64×108m3。
1.2.3.1 煤层气地面商业性开发取得历史性突破
自2000年阜新矿区实现小规模煤层气地面商业性开发以来，我国在山西南部无烟煤地区数个区块又取得地面商业性开发的突破，昭示出中国特有的煤层气地质特色和商业性开发前景。
1）辽宁阜新刘家井组煤层气开发工程：1999～2002年，阜新矿区刘家井田施工煤层气井8口，形成小型开发井网，单井平均产气量0.3×104m3/d左右，最高达0.6×104m3/d，并于2003年3月1日正式向阜新市区供气，日均供气约2×104m3，在我国率先实现煤层气地面商业性生产。
2）山西沁水枣园井组煤层气开发试验工程：该工程共有生产试验井15 口，建有日发电400 kW的小型煤层气电站，2003年4月开始向外供气。
3）山西晋城潘庄煤层气地面开发工程：该工程2003年施工30口开发井放大试验并开始商业性生产，目前已形成210口井的开发规模，其中110口已投入生产。日产气量30×104m3，单井最高产量1.3×104m3，形成了年产1.5×108m3煤层气的生产规模。目前，生产的煤层气除就地发电、居民供气、汽车燃料外，已销往郑州、长治、安阳等地作为民用或工业用气源。
4）山西晋城潘河煤层气开发利用先导性试验工程：该工程计划施工900口煤层气井，分3期完成。2006年完成第一期施工150 口煤层气生产试验井，计划建成年产煤层气约1×108m3的生产示范基地。该基地已于2005年11月1日正式开始对外供应压缩煤层气，日产气约7×104m3。
1.2.3.2 煤层气勘探与开发试验活动更为活跃
至2006年8月底，我国完成的煤层气井数约650口（图1.1），其中80%以上分布在山西和陕西两省。20世纪80年代以来，全国投入煤层气勘探开发资金达21亿～22亿元人民币，引进外资约1.8亿美元。在2000年以前30余个勘探或开发试验区的基础上，近年来进一步扩展了新的区块，目前正在进行作业的区块达到20余个，开发试验规模和技术水平都有极大提高，对外合作也取得新的进展。目前，全国已登记的煤层气区块共64个，各方参与煤层气勘探开发活动的热情空前高涨。

图1.1 中国各时期煤层气钻井数

（据叶建平，2006）
除前述4个已进行商业性开发的项目外，目前正在进行的勘探与开发试验的区块有20余个，如中联公司自营或与地方合作的端氏、韩城、鹤岗、沈北等区块；与国外公司合作的淮南潘谢东、保德、沁源、寿阳、丰城、乌鲁木齐白杨河、盘县青山、云南老厂等区块；中国石油天然气集团自营的大宁-吉县、宁武、郑庄、樊庄、乌鲁木齐等区块；晋城兰焰公司自营的潞安屯留、郑庄、成庄、赵庄、胡底等区块。此外，国内某些大型煤炭企业也积极开展煤层气地面抽采工作，如铁法、抚顺、淮南、平顶山、焦作、潞安、松藻等。上述工作成效显著，如在韩城、晋城潘庄、盘县青山等地打出了煤层气自喷井，揭示了这些地区煤层气资源开发的巨大前景。
在上述区块中，有五大项目即将投入开发试验：①韩城项目施工直井11口，加上前期6口煤层气井（平均产气量0.1×104m3/d），组成韩城开发试验区；②晋城端氏区块施工多分支水平井2口，经过排采试验，单井产气量已达1×104m3/d左右；③晋城大宁区块施工多水平分支井5口，其中2000年底投入排采试验的DNP02井产气量稳定在2×104m3/d左右；④晋城樊庄区块计划施工200口直井形成煤层气开发区，目前数十口井开始进入排采试验；⑤大宁-吉县形成了由34口直井和1口多分支水平井组成的开发试验井网，正在排采试验，已取得单井（0.1～0.28）×104m3/d的试验成果。
我国自与美国德士古公司于1998 年签署国内第一个煤层气产品分成合同（淮北项目）以来，目前先后已与16家外国公司签订了27个煤层气资源开采产品分成合同，合同区总面积超过3.5×104km2。截至2005年底，对外合作区块内已施工各类煤层气井254口，压裂排采204 口，施工二维地震2065 km，建立了潘庄、柿庄、保德、三交、寿阳、淮北、丰城、恩洪等先导性开发试验井组，获得了具有商业价值的煤层气产量，国际合作成效显著。
1.2.3.3 煤层气勘探开发技术进展
经过20余年来的研发和实践，我国已形成了从煤层气资源评价、地质选区、勘探至地面开发的完整技术方法体系。近年来，在某些关键技术上又有了新的突破。
1）基于动力学条件的有利区带优选技术：该项技术包括两个方面，一是煤层气储层弹性能聚散程度的三元判识标志，用于煤层气成藏效应的预测；二是煤储层弹性能能量聚散模式，形成了基于该模式的煤层气有利带动力学定量预测方法。采用三元判识标志，将煤层气成藏效应分为3个级别组合和27个类型，有关方法在沁水盆地煤层气富集高渗动力学条件发育区预测中得到了验证，形成了适用于我国地质条件的煤层气有利区带先进预测技术。
2）煤层气地震勘探技术：在传统的二维和三维地震勘探技术的基础上，开发了三维P波煤层气地震勘探技术，提出利用“两个理论、六项技术”来指导煤层气藏勘探。六项技术包括地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术、煤层厚度非线性反演技术和基于MAPGIS的多源信息预测技术，以岩性地震勘探为核心，形成了先进的煤层气地震勘探技术系列，并在煤层几何形态和裂隙发育程度等的探测中取得了良好的应用效果。
3）煤层气井空气/雾化钻井技术：结合中国煤层气地质特点，在引进美国相关技术的基础上进一步研制出空气钻井设计软件，形成了空气钻井系列技术。目前，该项技术已在沁水盆地南部潘河国家煤层气开发示范项目中广泛使用，使钻井周期由原来的15 d以上缩短到不足5 d，降低了施工成本，避免了钻井液对储层的伤害。
4）多分支水平井钻井、排采技术：2004年11 月，我国第一口煤层气多分支水平井投入生产，煤层中水平井眼总进尺8000m，单井日产稳定在2×104m3以上，实现了煤层气开发工艺和产能的双重突破。截至目前，国内已有14口多分支水平井施工完毕。大宁井田完成3口多分支水平井，目前正在排采；端氏区块实施2口多分支水平井，预测单井产能在2×104m3以上，并首次实现双主支多分支水平井钻进记录；武M1-1多分支水平井，在煤层中进尺达6088m；大宁PSC项目，首次实现9000 m总进尺的水平定向钻进记录；寿阳区块多分支水平井3口，正在排采试验。该项技术在我国的应用成功，为我国低渗煤层的煤层气高效开发提供了新的技术途径。
5）注入二氧化碳增产技术：在“十五”期间，国内开展了注入二氧化碳提高煤层气采收率的先导性试验，研究了适合于我国地质特点的工艺参数，取得了显著的增产效果。2004年4月，完成了山西南部TL-003井的现场二氧化碳注入试验，为我国煤层气产业可持续发展、二氧化碳地下储藏等提供了先进的技术储备。
6）氮气泡沫压裂技术：氮气泡沫压裂技术主要适应于低压、低渗、强水敏性的煤层。潘河项目完成了2口井的氮气泡沫压裂施工，成功地将单井煤层气日产量提高了3倍左右。潘庄项目进行了氮气泡沫压裂对比试验，试验井煤层气日产量比参照井提高了1倍左右。在韩城开发试验项目中，通过氮气泡沫压裂技术的实际实施，分析了该项技术对特定煤层气地质条件的适应性，为我国应用此项技术积累了宝贵经验。
1.2.4 我国煤层气研究及勘探阶段
我国煤层气勘探开发起步较晚，从20世纪50年代开始至今，大体可分为3个阶段。
1.2.4.1 煤矿瓦斯井下抽放与利用阶段
自20世纪50年代开始到70年代末，我国煤层气勘探开发的主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放与利用。我国煤矿井下抽放煤层气已有较长的历史。1980年，煤层气抽放量已达2.934×108m3，其中0.1×108m3以上的矿井就有5个。1996年，抽放量达6.338×108m3，抽放量在0.1×108m3以上的有16个矿区。这些对于减少井下瓦斯事故、保护环境及改善能源结构均有重要意义。瓦斯抽放也是煤层气开发的一项有效技术。
1.2.4.2 煤层气勘探开发试验初期阶段
20世纪70年代末至90年代初，我国以煤矿安全为主要目的，部分矿井同时进行煤层气开采试验，并进行了水力压裂试验和研究。这一阶段主要是借用美国的技术和经验，但对于我国地质条件复杂性研究不够深入，因此未获得突破性进展。但是也在煤层气的勘探开发取得了一定认识，积累了一些经验，学到了一些先进技术。
1.2.4.3 煤层气勘探开采试验全面展开阶段
20世纪90年代初至今，我国从优质能源的利用出发，开展了煤层气的勘探试验，取得了实质性的突破与进展。石油、煤炭、地矿系统和部分地方政府积极参与这项工作，并在20世纪90年代初成立了专门的煤层气研究机构，许多国外公司也积极在中国投资进行煤层气勘探试验。1990年以来，我国已有30多个含煤区煤层气勘探钻井，已钻成勘探和生产试验井119口，取得了一批储层测试参数和生产参数，并在柳林、晋城、大城及铁法等含煤区获得了工业气流。这一阶段我国的煤层气勘探，无论是地质选区评价，还是工艺技术都有了突飞猛进的发展，取得了实质性的突破，但对我国复杂地质条件下煤层气的富集高产规律认识还不够深入，工艺技术还未完全过关，煤层气地质选区评价仍是此阶段首要的研究课题。
1.2.5 煤成气地质研究与开发简况
煤成气也是一种非常重要的天然气，世界上很多国家在开采煤成气。我国一些大型煤产地也是煤成气田，如鄂尔多斯地区、华北各含煤区，都蕴藏大量煤成气藏。例如中原油田煤成气的勘探主要集中在东濮凹陷，已找到了文23、白庙及户部寨等古生新储煤成气田和混合气田，其中文23煤成气田已探明地质储量达149.4×108m3，为中原油田的主力气田。2003年，东濮凹陷文古2 井于上古生界石千峰组3813.5～3834.3 m 井段（16.8 m/3层）进行压裂，日产天然气1.1×104m3、油7.0 m3。华北苏桥的煤成气聚集于奥陶系，中原的“文23”煤成气藏和白庙混源气藏聚集于第三系沙河街组。济阳地区的155井和孤北1井气藏聚集于石炭、二叠系储层内，而曲古1井煤层甲烷聚集于第三系沙河街组二段内。
煤成气勘探开发已经具有比较多的研究实践，国内外研究人员取得了很多研究成果（M.Teichmuller，1983；B.Waiter等，2002；杨俊杰等，1987；戴金星等，2001；张新民等，2002）。
总的看来，国内外煤成气地质研究具有如下发展趋势：①十分重视煤系有机质的来源和显微组成，并将其与生烃潜力、产气量紧密联系起来；②分析化验不断采用高新技术，如天然气中微量生物标志物的富集与分析、单体烃同位素分析及含氮化合物分析等；③采用系统动态的观点，将天然气的生运聚散作为一个动态演化的系统，对该系统的研究不断由定性、半定量向定量化发展；④模拟实验更为符合实际，不仅模拟不同显微组分的生烃演化规律，而且对煤系地层烃类的排出、二次运移至聚集的过程都进行了实验探索，获得了多项参数；⑤对煤层本身的储集性能和封盖能力有了进一步的认识。

2. 中国煤层气勘探开发现状与发展前景

徐凤银 刘 琳 曾雯婷 董玉珊 李延祥 周晓红
（中石油煤层气有限责任公司，北京 100028）
摘 要：“清洁化、低碳化” 是全球趋势。加快煤层气勘探开发步伐，对减少煤矿瓦斯事故、保护大气 环境、改善能源结构、保障能源安全具有重要战略意义。中国对煤层气开发力度不断加大，出台了价格优惠、 税收优惠、开发补贴、资源管理、矿权保护等一系列鼓励政策，形成中石油、晋煤集团、中联煤三大煤层气 企业，但目前产业整体规模较小。针对矿权问题，形成3种促进采煤采气协调发展的合作模式。即：沁南模 式、潞安模式和三交模式。在技术上已初步形成适合不同煤阶和不同地质条件下煤层气的勘探开发配套技术，建成了高水平的煤层气实验室，并在800m以深地区、低阶煤储层的开发等领域有实质性突破。
到2010年底，全国共钻煤层气井5426口，探明煤层气地质储量2900多亿立方米。累建产能超过30× 108m3/a，年产量15×108m3，商品气量11.8×108m3。建成管输、压缩/液化能力56×108m3/a。截至2011年 6月，全国煤层气日产量超过400×104m3。已建或在建了较完善的煤层气管网。沁南、韩城、大宁-吉县及 保德四个有利区都紧邻已有天然气主干管线。
中国煤层气资源丰富，潜力大、前景好，加大研发力度，依靠技术进步，特别建议加强四个方面的工作： 一是根据资源分布研究与调整对策；二是国家政策落实和企业间的相互合作须进一步加强；三是在提高单井 产量和整体效益方面强化技术攻关；四是建立统一的信息平台，避免无序竞争和重复性投资。这将会大大促 进煤层气产业快速发展。
关键词：中国；煤层气；开发；产业；技术；现状；前景
Exploration ＆ Development Status and Prospects For China's Coal Bed Methane
Xu Fengyin，Liu Lin，Zeng Wenting，DongYushan，Li Yanxiang，Zhou Xiaohong
（PetroChina CBM Co.，Ltd，Beijing 100028，China）
Abstract：A global trend of ＂Clean and low-carbon＂ has been formed.To speed up CBM exploration and development is of significant importance to reduce coal mine gas accidents，to protect atmospheric environment and to improve energy structure.Greater efforts have been exerted to CBM development，given a series of encouraging policies，i.e.favourable price，tax preferences，development subsidy，resource management and mineral right protection.Three major CBM enterprises emerged including PetroChina，JAMG，and CUCBM，while the current industrial scale is relatively small.Considering the exploration right issues，3 cooperation modes are developed to promote the coordinated development of gas extraction and coal mining such as Qinnan mode，Lu'an mode and Sanjiao mode.Regarding technologies，a couple of exploration and development technologies are developed，tailored for various rank coal methane and for different geological conditions，and a high-profile CBM lab was built.Besides，some substantial breakthroughs have been made in exploring CBM buried deeper than 800m and in low-rank coal bed methane development.
By the end of year 2010，5，426 CBM wells have been drilled，about 290 bcm of the geological reserves proved.An annual production capacity of over 3 bcm were accumulatively built for surface extraction，producing 1.5 bcm/a，with 1.18 bcm of commercial production and 5.6 bcm/a for pipeline transportation，CNG and LNG capacity.The nationwide CBM yield has exceeded 4 million cubic meters per day by June，2011.Four favorable blocks，like Qinnan，Hancheng，Daning-jixian and Baode all get close to the major existing pipelines.
China is rich in CBM resources，with great potentials and promising prospects.Thus，the following four suggestions are proposed：to work out proposals based on resource distribution；to further coordinate governmental policies and entrepreneur performance；to strive to make technological breakthroughs in increasing single well yield and in promoting integrated economic efficiency；to establish a unified information platform to avoid disorderly competition and repeated investment.All these four proposals are likely to stimulate the progress of CBM industry.
Key words：China；CBM；development；industry；technology；status；prospects
引言
煤层气俗称瓦斯，成分主要是甲烷，形成于煤化过程中，主要有吸附在煤孔隙表面、分布在煤孔隙 及裂隙、溶解在煤层水中三种赋存形式，以吸附状态为主。当煤层生烃量增大或外界温度、压力条件改 变时，三种赋存形式可以相互转化。“清洁化、低碳化” 是全球趋势，能源转型和低碳经济已成为世界 各国经济社会发展的重要战略。
煤层气开发利用具有“一举三得” 的优越性。首先它是一种清洁、高效、安全的新型能源，燃烧 几乎不产生任何废气，有利于优化能源结构，弥补能源短缺；再者，瓦斯是煤矿安全“第一杀手”，它 的开发有利于煤矿安全生产，减少煤矿瓦斯事故；同时它也是一种强烈温室效应气体，温室效应是CO2 的20倍，开发煤层气可以有效减少温室效应。总体体现出经济、安全和环保三大效益。加快煤层气勘 探开发步伐，对减少煤矿瓦斯事故、保护大气环境、改善能源结构、保障能源安全具有重要战略意义。煤层气的开采方式分为井下抽采与地面抽采两种方式。地面抽采在钻完井、测录井、压裂、排采、集输 工艺上与常规油气开采技术基本相同。
1 世界煤层气资源及产业现状
1.1 资源分布
全世界埋深小于2000m的煤层气资源量约为260×1012m3，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美 国、澳大利亚等国家（图1）。

图1 全世界煤层气资源分布情况

1.2 产业现状
目前，美国、加拿大、澳大利亚等 国家煤层气产业发展趋于成熟。美国自 20世纪80年代以来，有14个含煤盆地 投入煤层气勘探开发，现已探明可采储 量3×1012m3。2009年，煤层气生产井 5万余口，产量542×108m3。煤层气产 量占天然气总产量比重日益增大，2009 年煤层气产量比例达到9％。加拿大煤 层气产业发展迅猛。1987年开始勘探，2002年规模开发，2009年生产井7700 口，产量达60×108m3。澳大利亚也已 形成工业规模。主要分布在东部悉尼、苏拉特、鲍恩三个含煤盆地，2005年生产井数1300口，产量 12×108m3，2009年产量达48×108m3。
1.3 技术现状
通过长期的理论与技术研发，目前国际上形成4大主体技术，4项工程技术。4大主体技术包括： 地质选区理论和高产富集区预测技术，煤层气储层评价技术，空气钻井、裸眼洞穴完井技术，多分支水 平井钻井技术。
4项工程技术包括：连续油管钻井、小型氮气储层改造技术，短半径钻井和U形水平井技术，注氮 气、二氧化碳置换煤层气增产技术，采煤采气一体化技术。
2 中国煤层气产业现状
2.1 勘探开发现状
受美国、加拿大、澳大利亚等国家煤层气快速发展的影响，加之国家出台一系列优惠政策，中国煤 层气开发规模和企业迅速发展，已形成中国石油、晋煤集团、中联煤三大主要煤层气生产企业。
到2010年底，全国共钻煤层气井5426口，探明煤层气地质储量2900多亿立方米。累建产能超过 30×108m3/年，地面抽采实现年产量15×108m3，商品气量11.8×108m3。建成管输、压缩/液化能力 56×108m3/a。截至2011年6月，全国煤层气日产量超过400×104m3。
中国石油：2010年12月，商务部等四部委宣布为进一步扩大煤层气开采对外合作，新增中国石 油、中国石化以及河南省煤层气公司三家企业作为第一批试点单位。目前中国石油登记煤层气资源超过 3×1012m3，探明地质储量占全国64％，重点分布在沁水、鄂东两大煤层气盆地。近几年来，积极开展 煤层气前期评价、勘探选区及开发先导试验，投资力度大幅度增加，发现沁水、鄂东两大千亿立方米规 模以上煤层气田，逐步形成沁南、渭北、临汾与吕梁四个区块的开发格局。截止到2010年底，商品气 量近4×108m3。
通过几年的探索，与煤炭企业和地方政府合作，形成3种促进采煤采气协调发展的合作模式。即： 沁南模式：矿权重叠区协议划分，分别开发，双方开展下游合作；潞安模式：整体规划、分步实施，共 同维护开采秩序，避免重复性投资；三交模式：先采气、后采煤，共同开发。这些模式得到张德江副总 理和国家有关部委的肯定。
已建或在建了较完善的煤层气管网。沁南、韩城、大宁-吉县及保德四个有利区都紧邻已有天然气 主干管线（图2）。
建成了高水平的煤层气实验室，测试样品涵盖全国绝大多数煤层气勘探开发区，工作量占全国 80％，技术水平居国内领先。
主要实验技术包括：含气量测试技术，等温吸附测试技术，煤储层物性分析技术，煤层压裂伤害测 试技术等。
晋煤集团：到2010年底，完成钻井2510口，地面抽采产量达到9×108m3。建成寺河-晋城10× 108m3/a输气管线；参股建成晋城-博爱输气管线。与香港港华共同投资组建煤层气液化项目日液化量 可达25×104m3；投产120兆瓦煤层气发电厂。开发地区涉及山西沁水、阳泉、寿阳、西山，甘肃宁 县，河南焦作等。
中联煤并中海油：中联煤目前有矿权面积2×104km2，其中对外合作区块面积达1.6×104km2。截 至2010年底，在沁水盆地潘河建成国家沁南高技术产业化示范工程，以及端氏国家油气战略选区示范 工程。
目前完成钻井672口，投产230口，日产气50×104m3。2010年，中海油通过收购中联煤50％股 份，成功介入煤层气勘探开发，为发展煤层气产业打下了基础。

图2 中国石油天然气主干管网示意图

阜新煤业：阜新煤炭矿业集团与辽河石油勘探局合作，开展了三种煤层气合作开采模式，显著提高 了整体开发效益。三种开发模式包括：未采区短半径水力喷射钻井见到实效；动采区应用地面负压抽采 技术，实现了煤气联动开采；采空区穿越钻井取得成功。2010年已钻井52口，日产气10×104m3，商 品气量3226×104m3，建成CNG站3座，主要供盘锦、阜新市CNG加气站。
中石化：煤层气矿权区主要为沁水盆地北部和顺区块及鄂东延川南区块。2010年完成钻井34口，产气84×104m3，目前日产气近3000m3。2010年，华东局与淮南矿业签署了 “煤层气研究开发合作意 向书”，在淮南潘谢矿区优选出100km2有利区块，共同开发煤层气资源。2011年，与澳大利亚太平洋 公司在北京签署了一项框架协议，双方确立了非约束性关键商务条款。
其他：龙门、格瑞克、远东能源及亚美大陆等合资公司及其它民企纷纷介入煤层气勘探开发，加大 产能建设规模，其中亚美大陆目前日产气19.7×104m3。
总体来看，沁水盆地南部成为我国煤层气开发的热点，共建产能近25×108m3/a，目前日产气近 380×104m3，实现大规模管网外输和规模化商业运营，初步形成产运销上下游一体化的产业格局。
2.2 政府优惠政策与技术支持
为了鼓励煤层气产业发展，中国政府出台了一系列优惠政策，包括价格优惠、税收优惠、开发补 贴、资源管理及矿权保护等等（表1），取得了明显效果。
表1 中国政府鼓励煤层气产业发展的优惠政策


与此同时，在技术层面也给予了强有力的支持。2007年以来，国家发改委专门组建了煤层气开发 利用、煤矿瓦斯治理两个国家工程研究中心，科技部设立了 “大型油气田及煤层气开发” 国家科技重 大专项。中国石油成立了专业煤层气公司，并设立“煤层气勘探开发关键技术与示范工程” 重大科技 专项。这些都为煤层气产业发展与技术进步创造了条件。
2.3 技术现状
我国的地质条件和美国等有所区别。目前，煤层气开发都源于美国最早的理论。随着规模化深入开 发，现场实验了很多不同类型煤阶和煤体结构、构造条件、水文地质条件下的煤层气储存特点。已经证 明，这套理论是否完全适合中国煤层气地质条件还有待进一步证实。针对中国不同盆地地质条件研发的 不同的勘探开发技术，有些已经取得了突破性进展。
2.3.1 地质上有新认识
有利区评价方法有新突破：通过煤岩特征、含气量、渗透率、产气量等地质综合研究，建立起富集 高产区评价标准，提出了产能建设区开发单元的划分标准和方法。
800m以深煤层气井产量有突破：一般认为，随着煤层埋深的增加压力随之增大，渗透率急剧减小、 产气量也随之减少。目前国内商业开发深度都在800m以浅地区。随着勘探开发的深入推进，800m以 深井也获得了工业气流（最高产气量2885m3/d）（图3），但煤层产气规律尚不清楚，正在通过加强研 究及大井组排采试验得以证实。

图3 800m以深井排采曲线

煤储层渗透率普遍较低，储层保护是关键：煤储存条件的研究是煤层气开发关键的制约因素。沁水 盆地3＃煤渗透率（0.013～0.43）×10-3μm2，平均0.112×10-3μm2；鄂东（0.22～12）×10-3μm2，平均1×10-3μm2。总体来看，煤层物性差、非均质性强，因此，钻井过程中加强储层保护是关键。钻 井、压裂过程中应尽量采用对井筒周围煤储层的危害小的欠平衡钻井及低伤害压裂液。
2.3.2 现场管理有新措施
高煤阶开发井网井距有新探索。由于我国高煤阶煤层气储层物性与外国有较大差异，开发证实一直 沿用的300m×300m井距不完全适合，主要表现在高产井数少，达产率低，产量结构不合理。为此，通 过精细地质研究，以提高单井产量为目标，对不同井距产气效果数值模拟并进行先导试验，探索了高煤 阶煤层气开发的200m×200m井网和井距。与此同时，在水平井的下倾部位实施助排井也初见成效。
2.3.3 工程技术配套有新进展
三维地震勘探：韩城地区实施100km2三维地震，资料品质明显好于二维，小断层的刻画更加清晰（图4），有效地指导了井网部署。

图4 韩城地区三维与二维剖面对比

羽状水平井钻井：通过市场化运作，打破了 外国公司在羽状水平井施工领域的垄断地位，摆 脱了羽状水平井钻井完全依赖外国公司的局面，成本大幅度降低。
压裂配套工艺：在对煤层实验分析的基础 上，结合大量的压裂实践，形成以 “变排量、低 伤害” 为原则，“高压井处理技术、分层压裂技 术” 等新工艺，采用低密度支撑剂、封上压下、 一趟管柱分压两层等工艺技术。
排采技术：形成缓慢、稳定、长期、连续八 字原则；为培养高产井形成三个关键环节：液面 控制、套压控制、煤粉控制；针对低成本战略，形成井口排采设备的两种组合：电动机＋抽油 机，气动机＋抽油机。
地面集输处理：标准化设计、模块化建设、 自动化管理，基本实现低成本高效运营。
2.4 利用现状
2009年全国建成6家煤层气液化厂，液化产能260×104m3/d，2010年为300×104m3/d，2020年 可达到700×104m3/d。除此之外，还主要用于低浓度瓦斯发电，居民生活，合成氨、甲醛、甲醇、炭 黑等化工原料，已逐步建立起煤层气和煤矿瓦斯开发利用产业体系。
2.5 存在问题
技术上：技术是制约目前产业进展缓慢的主要问题。目前存在的主要问题包括：煤层气高渗富集区 的控气因素，符合我国煤层气地质条件、用以指导生产实践的开发理论，适合我国地质条件的完井、压 裂、排采等关键技术与相应设备等。
管理上：主要包括：煤层气、煤炭矿权重叠，先采气、后采煤、发电上网等政策实施困难较多，对 外合作依赖程度高，自营项目受到限制，管道规模小，市场分散、不确定性大等。
3 煤层气发展前景与建议
随着国民经济的发展，天然气需求快速增长为煤层气发展提供了机会。2000年以来，天然气年均 增长速度达到16％（图5），2009年底，全国天然气消费总量875×108m3，2010年，天然气需求量超 过1400×108m3，供应能力约1000×108m3。2015年，预计天然气需求量2600×108m3，供应能力只有 1600×108m3，到2020年，天然气缺口将超过1000×108m3，这就为煤层气等非常规气的发展提供了 空间。
3.1 发展前景
据有关规划，到2015年，全国地面开发煤层气产量将达到100×108m3；2020年，天然气产量约 2020×108m3，其中非常规天然气产量达到620×108m3，地面开发煤层气将达到200×108m3。

图5 2000～2008年中国天然气消费量变化趋势

与此同时，各相关企业也制定了 “十二五” 发展目标（表2）。
表2 全国重点地区及企业煤层气地面开发预测表


上述目标能否顺利实现，前景如何，勘探开发及产业规模能否迅速发展，主要取决于国家政策的进 一步落实以及几大主要企业的投入。尤为重要的是这些企业针对煤层气赋存条件的技术进步与突破，而 非资金问题，这一点必须引起高度重视。中国石油将会进一步加大投入，促进煤层气产业快速发展。主 要加大沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东部两个重点产业基地的勘探开发力度，积极探索外围盆地煤层气 开发配套技术。预计：2012年新增探明煤层气地质储量2000×108m3，为建产能提供资源保障；2013 年建成生产能力45×108m3/年，2015年产量达到45×108m3，商品量40×108m3，成为国内第一煤层气 生产企业。同时，成为业务技术主导者、规范标准制定者、行业发展领跑者。到2020年，煤层气商品 量预计达到100×108m3，成为中国石油主营业务重要组成部分和战略经济增长点。
3.2 对策与建议
3.2.1 根据资源分布研究与调整对策
全国埋深小于2000m的煤层气总资源量为36.8×1012m3，可采资源量约10.8×1012m3。资源量大 于1×1012m3盆地有8个，资源量合计28×1012m3，占全国76％，主要分布于中西部地区。埋藏深度小 于1000m的资源量为14×1012m3，是目前开发的主要资源。低阶煤煤层气资源量占43％，但目前主要 开发的是中高阶煤煤层气资源。因此，现在必须加强对西部地区中深层（埋深大于800m）和中低阶煤 煤层气开发的研究与开发试验力度，力求更大范围的实质性突破。
3.2.2 国家政策落实和企业间的相互合作须进一步加强
完善相关政策措施，制定煤层气、煤炭开发统一规划，做到无缝衔接，切实落实“先采气、后采 煤”，实现资源充分利用。采煤采气3种合作方式还需要进一步扩展；积极推进煤层气产业发展与煤矿 瓦斯防治一体化合作。
3.2.3 在提高单井产量和整体效益方面强化技术攻关
针对煤层气勘探开发关键技术需要加强攻关。进一步研发针对煤层气地质特点而形成配套合适的钻 探、压裂、排采、管输等专有设施和设备，加大发展羽状水平井开发关键技术力度。
3.2.4 建立统一的信息平台，避免无序竞争和重复性投资
强化信息渠道，实现资源共享，避免无序竞争和重复性投资。建立煤层气行业统一的信息管理系统 是一项非常重要的基础工作。包括两方面内涵：企业内部应加强煤层气田的数字化建设，国家层面应加 强行业技术与产业信息的统计和交流发布，为煤层气行业提供统一的信息化建设标准。
结束语
低碳经济是我国能源经济发展的必由之路。为了从源头上减少碳排放，引领能源结构和产业多元 化，天然气供需缺口将长期存在，对煤层气需求会不断增加。中国煤层气资源丰富，目前产业整体规模 小，但潜力大、前景好。加大研发力度，依靠技术进步，将大大促进煤层气产业快速发展。
参考文献
［1］徐凤银等.煤层气勘探开发的理论与技术发展方向［J］.中国石油勘探，2008，（5）
［2］宋岩等.煤层气成藏机制及经济开发理论基础［M］.北京：科学出版社，2005
［3］李景明等.中国煤层气资源特点及开发对策［J］.天然气工业，2009，（4）
［4］郭炳政.韩城区块煤层气勘探开发现状与启示，2006年煤层气学术研讨会论文集［C］.北京：地质出版社
［5］赵庆波等.煤层气地质选区评价理论与勘探技术［M］.北京：石油工业出版社，2009
［6］陈振宏等.煤粉产出对高煤阶煤层气井产能的影响及其控制［J］.煤炭学报，2009，（34）2
［7］孙茂远.煤层气资源开发利用的若干问题［J］.中国煤炭，2005，（3）
［8］刘洪林，李景明，宁宁，李贵中.我国煤层气勘探开发现状、前景及产业化发展建议［J］.天然气技术，2007，（04）
［9］鲜保安，崔思华，蓝海峰，李安启.中国煤层气开发关键技术及综合利用［J］.天然气工业，2004，（05）
［10］叶建平.中国煤层气勘探开发进展综述［J］.地质通报，2006，（Z2）
［11］崔荣国.国内外煤层气开发利用现状［J］.国土资源情报，2005，（11）
［12］秦勇，程爱国.中国煤层气勘探开发的进展与趋势［J］.中国煤田地质，2007，（1）
［13］彭贤强，张宝生，储王涛，刘玲莉.中国煤层气开发综合效益评价［J］.天然气工业，2008，（3）
［14］李五忠，田文广，孙斌，王宪花，赵玉红.低煤阶煤层气成藏特点与勘探开发技术［J］.天然气工业，2008，（3）
［15］严绪朝，郝鸿毅.国外煤层气的开发利用状况及其技术水平［J］.石油科技论坛，2007，（6）
［16］翟光明，何文渊.抓住机遇，加快中国煤层气产业的发展［J］.天然气工业，2008，（3）
［17］Working Document of the NPC Global Oil ＆Gas Study.Topic Paper＃29 Unconventional GAS.July 18，2007.
［18］司光耀，蔡武，张强国内外煤层气利用现状及前景展望［J］.中国煤层气，2009，（6）
［19］Facing the Hard Truths about Energy［R］.Washington，D.C：National Petroleum Council，2007.
［20］侯玉品，张永利，章梦涛.超短半径水平井开采煤层气的探讨［J］.矿山机械，2005，（6）
［21］严绪朝，郝鸿毅.国外煤层气的开发利用状况及其技术水平［J］.石油科技论坛，2006，（6）
［22］刘贻军.应用新技术促进煤层气的开发［J］.地质通报，2007，（26）

3. 韩城区块煤层气勘探开发现状与启示

郭丙政
（中联煤层气有限责任公司 北京 100011）
作者简介：郭丙政，1976年生，男，双学士，工程师，从事煤层气勘探开发工程管理，bzguo@263.net。
摘要 继沁水盆地之后，韩城地区已经成为我国煤层气勘探开发的又一热点。与沁水盆地相比，韩城地区的煤层地质条件另具特色，而煤层的渗透率、含气量等关键性煤层气生产参数也有着不同的特点。本文根据中联煤层气有限责任公司在韩城地区实施煤层气勘探工作以来取得的成果，结合已有的煤田勘探资料，分析了韩城地区煤层气地质条件的特点，并初步探讨了韩城地区开发煤层气应着力解决的问题。
关键词 煤层气 韩城地区 勘探开发
Status and Inspiration of CBM Exploration and Production in Hancheng Block
Guo Bingzheng
（China United Coalbed Methane Corp.，Ltd.，Beijing 100011）
Abstract：Exploration data shows that Hancheng in Shaanxi province，like Qinshui basin in Shanxi，is another promising region for coalbed methane production.Unlike Qinshui，coal in Hancheng has its own characteristics，and the key production parameters such as permeability，gas content，etc.also vary from other regions.On the base of data got from exploration practice done by CUCBM，together with coalfield study materials，this article analyzes the specialty of coal geology in Hancheng block，and puts forward some key problems which need to be settled first before pumping coalbed methane economically from this area.
Keywords：CBM；Hancheng；Exploration and production
我国是一个煤层气资源大国。据中联煤层气有限责任公司2001年最新预测报告，全国煤层气资源总量为31.46×1012m3，居世界第三位。其中鄂尔多斯盆地（陕、内蒙古、宁、甘）是我国西部最主要的煤层气聚集区，预测煤层气资源量为87273.42×108m3，占全国煤层气资源总量的四分之一强。陕西省韩城市所处的韩城矿区位于鄂尔多斯盆地的东南缘，煤层气资源非常丰富，一直是国内煤层气勘探开发企业和相关院校非常看好的煤层气开发有利地区之一。
为了尽快开发韩城地区煤层气资源，中联煤层气有限责任公司于2001年3月7日在陕西省韩城市辖区内登记了两个总面积461km2的煤层气探矿权区块，并于2003年开始正式启动了陕西省韩城市王峰-龙亭地区煤层气资源普查项目。经过三年多的勘探及生产试验工作，对韩城区块内的煤层以及煤层气条件有了比较全面的认识。
1 主要勘探工作
自2003年勘探工作启动以来，根据公司总体勘探部署，按照由简单到复杂，由浅入深的工作原则，我们首先在韩城南区块北部象山煤矿以西的栢林村附近实施了1口煤层气参数井，对该井3个目标煤层做了取心、样品分析化验和试井，初步获得了该地区煤层深度、厚度、煤岩煤质特征、含气量、渗透率等煤层气勘探开发的必备参数。
由于参数井获得的渗透率、含气量等数据显示该区煤层气开发条件良好，为进一步获得煤层气生产数据，我们于2004年下半年在参数井周围又施工了5口煤层气生产试验井，同参数井一起形成了一个6口井组成的先导性试验井组。
2005年4月至7月，对所有6口试验井进行了压裂改造，共压开目标煤层14层，在压裂过程中首次将清洁压裂液引入煤层气压裂施工当中来，并获得了比较好的效果。试验井组于2005年8月全面投入排采试生产。经过将近一年的排采试验，其中的两口井表现出良好的产气前景，另外4口井气产量不甚理想，6口井平均单井日产气量在1000m3左右。
为了扩大压降范围，测试井组在整体压降情况下的产气能力，公司决定在原6口试验井周围再布置5口井。第二批井于2006年4月底开工，6月初完工，全部使用空气作为钻井循环介质，不仅缩短了钻井周期，降低了钻井成本，同时减少了钻井液对煤储层的伤害。
取得储量同样也是本项目的重点工作之一，为了获得煤层的展布情况，我们从2006年3月至6月在韩城南区块北部约120km2的范围内施工二维地震勘探测线130km。本次二维地震勘探在即将开展煤层气开发的重点地区约15km2的地区布置测线密集，目的是为了查明勘探区内的构造形态，评价勘探区构造复杂程度，查明勘探区内落差大于10m的断层，控制直径≥50m的陷落柱，查明3＃、5＃、11＃煤层底板的深度。同时在其他110km2的地区布置测线相对稀疏，目的是为了初步查明探区内的基本构造形态及复杂程度，初步查明落差大于100m的断层及性质、特征延伸情况，全区解释主要目的煤层厚度变化趋势等。
2 获得的认识
2.1 煤层情况
韩城地区含煤地层为石炭-二叠系。石炭系太原组为海陆交互相沉积，地层厚度一般50m左右，含煤3～9层，可采和局部可采煤层2～3层，可采煤层累厚1.62～17.19m，一般为7.5～8.0m。二叠系山西组为陆相沉积，含煤1～4层，可采、局部可采煤层1～2层，可采煤层累厚一般4～6.5m。3＃、5＃、11＃煤层为煤层气勘探主要目标层，其厚度在1.5～8m之间。
区内煤变质程度较高，煤类以瘦煤、贫煤为主，次为焦煤，深部为无烟煤。同一层煤，南区的镜质组最大反射率较北区高。不同煤层，下部煤层的镜质组反射率较上部煤层高。
勘探目标层3＃、5＃、11＃三个煤层，埋深多在400～1000m。
从煤层的埋深、厚度以及变质程度来看，韩城地区均是非常理想的煤层气开发区域。
2.2 构造特征
二维地震资料表明韩城地区地层总体为一单斜构造，倾向西北，浅部倾角较大，中深部较缓，一般5°～10°。由于受韩城和渭河两条边界正断层的影响，浅部断裂和褶皱发育。中深部构造简单，断层、褶曲稀少。南区块偏北部有两条几乎贯穿东西的大断层将南区块分为南北两块。
2.3 煤层渗透性和储层压力
根据参数井资料，3＃、5＃、11＃煤储层压力为2.41～2.80MPa，压力系数为0.6～0.8，为欠压储层。其中两个煤层渗透率在1.5～2.5mD之间，在国内其他煤田中，如此高的渗透率非常罕见，这对煤层气的勘探开发也非常有利。
2.4 煤层含气量
参数井样品分析化验的结果表明目标煤层含气量为9.78～11.23m3/t，daf，含气饱和度为65%～76%之间，相对较高。
2.5 水文地质条件
本区地形总的特征为西高东低，黄河支流均从西北向东南注入黄河。大气降水是地下水主要补给来源。含水层主要是各层组底部的砂岩，但是各层、组、段的砂岩之间，一般都有砂质泥岩或泥岩、煤层及炭质泥岩等相对隔水层隔开，在自然条件下各含水层之间基本上无水力联系，加之补给条件差，对3＃、5＃、11＃煤无影响。
3 存在的问题
3.1 11#煤层渗透率低
参数井测试结果显示，11＃煤层的渗透率很低，不足0.1mD。但在3个目标煤层中，该煤层的厚度最大，平均达到6.5m左右，占到了所有目标煤层累计厚度的50%。能否成功开发11＃煤层的煤层气对韩城地区煤层气项目的成败至关重要。
3.2 煤储层压力问题
前文提到，该地区3个目标煤层的压力系数为0.6～0.8，这对开发煤层气不利。但这个结果与1997年陕西省煤田地质局在南区块西北部施工的一口井测得的参数截然相反，当时测试结果显示该地区地层是超压的，压力系数甚至超过了1.3。笔者认为，这可能是因为贯穿东西的大断层分隔开的两盘虽然初始地层压力相同，但由于参数井所处地区靠近煤矿，地层压力已经逐渐释放，而陕西省煤田地质局施工的井所处的另一盘没有泄压条件才形成这样的差别。如果真是这样的话，推测由柏林村向西、向南，煤储层压力应逐渐升高。
3.3 煤层中含水量低
近1年的排采试验显示韩城地区煤层产水量很低，3个煤层合采条件下单井日产水量平均不足1.5m3，有些井甚至产出的总水量尚不抵压裂时注入的总液量，煤矿工人也反映煤层基本是干的。在这种情况下，使用传统的水力压裂方式是不适合的，因为压裂液进入煤层后被煤吸附会引起煤的膨胀，从而降低煤储层的渗透率。因此，需要考虑其他完井方式。
同时，煤层含水量低也为形成整体压降带来困难。至今尚无任何证据显示单井排采形成的压降已经达到了井间干扰的程度，这可能是我们以后确定生产井间距应该考虑的重点问题之一。
3.4 11#煤层距离底部含水层近
韩城地区主要含水地层为奥陶系上下马家沟组，其单位涌水量相当大，一旦压裂裂缝下窜到这些层组，排水的强度将非常大，而且液面难以下降，产气更是无从谈起。由于峰峰组在韩城地区局部缺失，造成含水层距离位于山西组底部的11＃煤层通常只有不足20m，这给钻井尤其是压裂工作带来很多困难，如果钻井时揭穿含水层，由于灰岩中存在非常发育的裂隙，在固井时会发生水泥浆漏失，影响固井效果，而常规活性水压裂方法很容易压穿含水层造成全井无法生产。
4 下步工作重点
4.1 布置参数井，了解韩城地区煤层参数的全貌
仅靠柏林村一个生产试验井组的数据和二维地震资料难以反映出整个韩城地区的煤层气生产潜力。要获得对韩城地区煤层气资源的准确评价，需要在不同地区按照煤层气储量规范的要求施工一批参数井，一方面修正二维地震的效果，一方面进一步了解煤层厚度、地层压力、渗透率以及含气量等参数的变化规律，并最终获得韩城地区煤层气储量数据。
4.2 试验多分支水平井技术
对于含有该地区煤层气资源量近一半的11＃煤层，因其具有渗透率低、距离奥陶系灰岩含水层近的特点，常规直井压裂的方法已经不适用。根据美国的成功经验，多分支水平井对于开发低渗地区的煤层气具有良好的效果。应此，应该考虑在11＃煤层钻多分支水平井的可能性，这种方法同时也解决了该煤层距离下部含水层近的问题。但需要注意的是，11＃煤较脆，易坍塌且底部有部分粉煤，成孔性差，应探索在这类煤层中钻水平井的方法。
4.3 试验氮气泡沫等压裂、完井新技术
清洁压裂液的使用成功避免了11＃煤层压裂与下部含水层连通的问题，但这种压裂技术的缺点是仍将大量液体带入煤层，对于韩城地区的干煤层来说并不可取。氮气泡沫压裂在沁水盆地直井压裂中的试验显示其增产效果显著，因其使用的液量相对较少，能否应用到韩城地区的直井中应尝试一下。
最好的完井方法应该是不向煤层中注入任何液体，这样可以避免伤害煤层。加拿大对付干煤层的办法值得我们借鉴，他们只使用氮气压裂井筒附近煤层，相当于去除钻井过程中在近井筒造成的伤害，然后直接生产，产气量非常可观。韩城地区应该尝试这种压裂方式。
韩城地区煤层的渗透率和含气量等数据毫无争议地将该地区推上煤层气开发重点区的位置，但真正能够经济可行地开发韩城地区煤层气还需要克服一些技术上的难题。相信通过大胆引进和尝试各种新技术、新方法，以及生产方式的进步，韩城煤层气项目将最终获得成功。
参考文献
张新民、庄军、张遂安，2002，中国煤层气地质与资源评价，北京：科学出版杜

4. 我国煤层气产业发展报告

叶建平
作者简介:叶建平,男,1962年生,教授级高工,中联煤层气有限责任公司总经理助理,中国煤炭学会煤层气专业委员会秘书长,主要从事煤层气勘探开发科研工作。地址:北京市东城区安外大街甲88号(100011),电话:(010)64265710,E-mail:yejp01@163.com
(中联煤层气有限责任公司 中国煤炭学会煤层气专业委员会 北京 100011)
摘要:分析了煤层气勘探、开发、利用现状,梳理了煤层气勘探开发技术进展,对我国煤层气产业发展进行了基本评估。认为当前我国煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长;煤层气产能规模扩大,产销量同步上升;煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源;煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在。
关键词:煤层气 勘探开发技术 产业发展
China's Coalbed Methane Industry Development Report
YE Jianping
(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)
(Coalbed Methane Specialized Committee, China Coal Society)
Abstract: This report analyses the current situation of CBM exploration, development and utilization,combs the technical progress of CBM exploration and development,meanwhile,it makes basic assessment of China's CBM industry development. China's CBM exploration has been making rapid progress at present. The proved reserves has increased notably. The CBM production capacity scale has enlarged. Both production and sales have risen. CBM industry has formed preliminarily. CBM has becomeg the most realistic supplement energy of natural gas. CBM technology gives strong support to CBM industry; however,technical bottlenecks still exist.
Keywords: Coalbed Methane; technology of exploration and development; industry development
我国煤层气开发已经步入产业化初期阶段。煤层气地面开发产量2005年达到1.7亿m3,2009年达到10.1亿m3,预计2015年将达到100亿m3,因此煤层气产业步入快速发展轨道,成为现实的天然气的补充资源。本文简要报告近年来我国煤层气勘探、开发、利用发展情况和技术进展状况。
1 煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长
近两年,我国煤层气勘探进度明显加快,探明储量显著增长。据不完全统计,到2011年6月底,全国煤层气钻井总数5942口。到2010年底为止,我国已累计探明煤层气储量2902.75亿m3,新增探明储量近1121.55亿m3,占总量的39%。“十一五”探明了千亿立方米大气田。我国煤层气探明储量区分布较集中,共11个区块,主要分布在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东南部,如沁水盆地南部潘庄、成庄、樊庄、郑庄、枣园、长子等区块,鄂尔多斯盆地东缘三交、柳林、乡宁-吉县、韩城等区块。如表1,沁水盆地探明储量2007.69亿m3,占69.17%;鄂尔多斯盆地煤层气探明储量817.76亿m3,占28.17%。其他地区占2.66%。探明储量成为这些地区煤层气产业发展强大的基础。但是,相对全国36.81万亿m3的资源量而言,我国煤层气资源探明率很低,仅8‰。广大地区煤层气勘探潜力尚不明朗。
表1 全国煤层气探明储量分布情况


沁水盆地作为我国特大型煤层气田,勘探潜力巨大。山西组3号煤层和太原组15号煤层厚度大,分布稳定,含气量高,渗透性在全国相对最好,煤层气可采性良好。除了已探明的南部区块以外,柿庄南和柿庄北、马璧、沁南、沁源、寿阳、和顺、上黄崖等区块均属于煤层气富集区和极有利目标区。寿阳区块不同于晋城地区,它以太原组15号煤层作为目的层,经过多年勘探,已获得经济单井产量的突破,韩庄井田多口煤层气井产量达到1000m3/d以上,近期将可以提交探明储量。阳泉钻井461口,日产量15万m3,获得商业化生产的产能。
鄂尔多斯盆地东缘具有较好的含煤性、含气性和可采性,渭北区块的韩城—合阳井区、临汾区块的午城—窑渠井区、吕梁区块的柳林—三交井区、吕梁区块的保德—神府井区是4大煤层气富集区,也是鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发有利区。鄂尔多斯盆地东缘资源探明率和资源转化率、勘探程度均较低,煤层气勘探开发前景广阔,具有商业化产气能力和形成大型煤层气田的条件,必将成为全国煤层气规模化、产业化、商业化运作的“甜点”区。
除了上述地区以外,在黑龙江依兰、云南老厂、贵州织金、四川綦江、安徽淮北、新疆准噶尔盆地南部、陕西彬县等地区相继取得勘探突破。
黑龙江伊兰区块煤层埋深700m左右,厚16m,含气量8~10m3/t,长焰煤,盖层油页岩厚80m。黑龙江煤田地质局2011年在伊兰区块钻井4口,YD-03、YD-04两口煤层气生产试验井,经排采,两口井日产气量均在1500m3/t左右,达到了工业气流的标准,标志着黑龙江低阶煤煤层气开发的有效突破。
彬长煤业集团在鄂尔多斯盆地中生界彬长区块钻1口水平井,日产气5600m3。
内蒙古霍林河地区中石油煤层气经理部在华北二连盆地霍林河地区施工霍试1井,日产气约1300m3;进行了勘查研究,取得一定的进展。
依兰、彬长和霍林河区块的勘探成功,标志着低阶煤煤层气勘探取得了初步的成功,意义深远。
四川川南煤田古叙矿区大村矿段煤层气地面抽采试验取得了历史性突破。DCMT-3煤层气试验井平均产量1160m3/d,一年多累计产气超过50万m3。之前的DC-1井、DC-2井产气量均达到了500~1000m3/d。初步认为大村矿段煤层气具有较好的商业开发前景。该区煤层气井的排采试验成功,意义重大,将为川南煤田低渗透、薄煤层、大倾角、高应力等特点地区的煤层气勘探开发提供技术和经验。
云南老厂施工5口井先导性试验井组,压裂后,发生自流现象,经过初期排采,产量逐步上升,显示良好勘探潜力。
安徽淮北矿业集团2008年以来在芦岭淮北Ⅲ1、Ⅲ2采区共施工12口“一井三用”井的压裂阶段试验,各井大部达到800m3左右,也有个别高产井,如LG-6井最高日产量曾到3000m3以上,稳产1200m3左右。中联公司对外合作项目和煤炭科工集团西安研究院分别在淮北宿南向斜的先导性试验相继取得商业产量,预示着具有良好的勘探潜力。
全国其他地区的煤层气勘探工作也如火如荼地展开。如贵州织金—纳雍、陕西延川南、山西和顺、山西沁源新疆准噶尔盆地南部等地区,初步勘探实践表明具有良好的煤层气勘探潜力。
上述可知,在沁水盆地南部高阶煤煤层气开发成功后,中阶煤和低阶煤煤层气勘探也正在逐步取得成功。
在煤层气勘探同时,广大研究人员开展了大量的煤层气富集规律和地质控制因素研究,进行了煤储层孔隙性、渗透性、吸附解吸扩散、力学特性、变形特性等广泛研究,进行不同煤级煤的煤层气成藏特征和选区评价研究。这些地质和储层特征的基础研究有力支撑了煤层气基础理论的形成和发展。
2 煤层气产能规模扩大,产销量同步上升
“十一五”期间,煤层气进入产业化发展阶段,煤层气产能规模扩大,产销量同步上升。以中联公司沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程、中石油华北煤层气分公司沁南煤层气田煤层气开发项目和晋城煤业集团煤矿区煤层气开采项目等商业化开发项目竣工投产为标志,我国煤层气开发快速步入产业化初期阶段,煤层气开发处于快速发展阶段。我国现有生产井3200口,到2010年全国地面煤层气产能达到25亿m3,产量15.7亿m3,利用量11.8亿m3,利用率78%。井下煤层气抽采量69.6亿m3,利用量21.9亿m3,利用率相对较低,31.5%。2011年地面开发产量将达18~22亿m3,见表2。地面煤层气产量在近五年呈数量级增长,2005年1亿m3,2009年达到10.1亿m3,预计2015年将达到100亿m3。煤层气产量主要来自沁水盆地南部,占96%,少量产自韩城、阜新和柳林、三交地区。
目前进入商业性开发地区包括山西沁水盆地南部、陕西韩城、辽宁阜新。具备进入商业性开发地区包括山西三交、柳林、大宁—吉县、阳泉、寿阳。
表2 全国主要煤层气田煤层气生产情况(不完全统计)


说明:投产井数包括已产气井和未产气井。
3 煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在
技术进步是煤层气发展的源动力,这已被国内外的勘探开发实践所证实。“十一五”期间在煤层气增产改造技术的试验和研究取得了有效突破,针对不同储层参数研制了适宜的压裂液、压裂工艺等。钻完井技术、地面集输技术、煤矿区煤层气抽采技术等方面均有创新性成果。当前最显著的技术进展就是煤层气水平井钻完井技术、煤层气水平井分段压裂技术发展。
3.1 煤层气水平井钻完井技术
煤层气水平井地质和工程影响因素认识显著提高。煤层气水平井、多分支水平井的地质条件局限性强,要求构造相对简单,断层少、地层平缓起伏小;煤层发育稳定、煤层硬度大结构完好;煤层钻遇率高,避免钻探沟通含水层;水平井眼轨迹按上倾方向布置,有利排水降压产气;水平井眼长度尽量长,分支水平井间距适中,与煤层渗透性相匹配。
煤层气水平井井型设计多样。根据地形地貌、地质条件和储层渗透性,设计“U”型井、“V”型井、川字型井、丛式井(两层煤层的双台阶水平井)等,在柿庄南、柳林获得成功。
多分支水平井的工艺技术、关键工具实现国产化。多分支水平井钻井实现一个井筒钻多翼分支井,提高了钻进效率和有效排泄面积。在“863”项目支持下,地质导向装置实现国产化,并取得良好应用效果。
借鉴页岩气完井技术,开始进行了煤层气水平井分段压裂技术的试验,并在三交区块获得成功。目前在柿庄南区块继续进行该项技术的试验应用。
煤层气多分支水平井修井一直是一项难题,现在开始探索性试验,包括分支井段井眼坍塌的诊断、二次钻井导向和储层伤害控制等。
研究结果表明:水平井煤层段采用PEC筛管完井能有效保护井壁稳定性,减少井眼坍塌,即便排采过程中井眼发生局部垮塌,筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道;充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害,保护煤储层;沿煤层顶/底板钻水平井可有效避免粉煤、构造煤等井壁稳定性问题,定向射孔分段压裂可有效沟通煤储层,释放储层应力,实现煤层气的开采。通过对井眼轨迹和钻井工艺参数进行优化设计,可增大煤层气降压解吸范围,加快煤层气解吸,并减少煤储层伤害。
3.2 新型压裂液研究方兴未艾,成果丰硕
研究压裂液对储层伤害机理,根据煤中化学元素组成,研制含有粘土防膨剂的压裂液及活性水,降低对煤层气解吸附伤害。
研究认为嵌入伤害和煤粉堵塞裂缝是影响煤储层长期导流能力的主要影响因素,施工中可采取增加铺砂浓度、加大支撑剂粒径、加入分散剂悬浮煤粉等方法。
通过重大专项攻关研制了新型低伤害高效清洁压裂液,特点是分子量小,300~400;粘度较高,15.0mPa·s;残渣较少;煤层伤害率低,11.5%;摩阻低,约为清水的30%。研制了新型煤粉分散活性水压裂液,煤层伤害率低,11.8%,使煤粉在压裂液中均匀分布,避免施工压力过高,在返排时,煤粉随着液排出,避免堵塞裂缝通道。研制了高效适宜的氮气泡沫压裂液。
3.3 低密度固井液减少了固井水泥对储层的伤害
通过重大专项攻关,针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性,泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。研制了超低密度水泥浆体系:确定了超低密度水泥浆体系配方。该配方在40℃,24h时抗压强度达到8.04MPa(超过预期7MPa指标)。在沁南柿庄南区块成功进行了现场试验,有效防止了液体对煤储层的污染。
研制了一种应用于煤矿井下瓦斯抽采孔的可降解钻井液,生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率。
开展了煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定的研究。
3.4 地面集输工程技术有效增大集输半径,实现低成本建设
沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程,研究设计了“分片集输一级增压”煤层气田地面集输技术,亦称“枝上枝阀组布站”工艺技术,使煤层气集输半径增大到13km以上。新技术的应用取消了传统技术中需要建设的无数个有人值守的站,最重要的是极大地改善了流体流动环境,简化了工艺流程,节省了投资成本。采用汽油煤层气两用燃气发动机新装置,代替抽油机动力系统,采气管线采用聚乙烯管(PE管)新材料,节省了工程建设投资。
沁水盆地煤层气田樊庄区块采用单井进站方式、增压工艺及压力系统优化等地面集输工艺的优化技术。煤层气水合物防治技术、低压输送不注醇集气工艺、多井单管串接技术、低压采气管网管径的确定、新型材料聚乙烯管(PE管)和柔性复合管的应用等采气管网优化技术。提出煤层气田“标准化设计、模块化建设”,煤层气田集气站建设核心是“四统一、一和谐”,即:统一工艺流程、统一设备选型、统一建设标准、统一单体安装尺寸,保持平面布置与当地环境的和谐发展,实现集气站功能统一,操作统一。
数字化气田建设,实现了基于无线、光缆、电缆等多种通讯方式在SCADA系统中的融合,成功地降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自控系统的投资,适合了煤层气井地处偏远、井多、井密、低压、低产等特点。
3.5 煤层气排采生产技术
实践表明,合理的排采制度和精细的排采控制是煤层气井排采技术的核心,定压排采制度适用于排采初期的排水降压阶段,定产排采制度适宜于稳产阶段,分级平稳连续降压是精细的排采控制的核心。
通过对柳林煤层气井的井下管柱及地面流程设计,引入无级数控抽油机、永久监测压力,较好地完成了排采的施工及资料录取的要求,为该区的大规模开发奠定了基础。
研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布,维持或提高储层渗透率,具有十分重要的意义。
煤层气井不同阶段的产能方程和煤层气藏井底流压修正后的计算公式,确定煤层气井的生产压差,为煤层气井合理生产压差的确定和正常排采提供了技术支撑。
3.6 煤层气利用技术
煤矿开采过程中排放出大量低浓度煤层气,提纯利用这部分煤层气对我国能源开发利用和环境保护意义重大,其难点是如何经济高效地分离CH4和N2。
采用低温精馏法分离提纯,分离低浓度含氧煤层气中氧气、氮气,在阳泉石港矿建成年产2万吨液化(LNG)瓦斯的工厂,在阳泉新景矿神堂嘴建设年产2000万m3低浓度提纯压缩(CNG)瓦斯工厂,为阳泉市公交车、出租车提供城市低成本压缩瓦斯,以气代油。
采用变压吸附法实现低浓度瓦斯的分离和净化。该技术2011年3月已在阳泉进行试生产,2011年底5000万m3CNG工业化生产线将投产。
在国家科技重大专项支持下,中科院理化所和中联煤层气公司合作成功研制了10000m3撬装液化装置,该项成果适合煤层气单井产量低特点,将直接在煤层气井场实现煤层气液化利用。
3.7 技术仍然是煤层气勘探开发的瓶颈
煤层气高渗富集区预测缺乏成熟理论指导,或者说我国煤层气勘探开发理论还不成熟。
除了沁南以外,我国大部分勘探区煤层气单井产量低,同一地区单井产量差异大,除了地质和储层条件外,钻完井技术和增产改造技术有待试验形成。如何针对复杂多裂缝煤层特征,增大铺砂面积,有效提高储层导流能力,提高单井产量,是面临的增产改造的关键问题。
水平井、多分支水平井如何控制保持井壁稳定、防止井眼坍塌,高地应力、松软储层条件的钻井完井技术,有待进一步探索试验。
深煤层高地应力、低渗条件下储层物性变化,以及由此带来的钻井、完井、增产改造技术和工艺参数的一系列变化,是亟待研究的方向。
4 煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源
煤层气主要通过管道输送到用户,约占85%~90%,少部分采用液化天然气和压缩天然气形式输送。目前建成煤层气管道包括端氏—博爱管道、端氏—沁水八甲口管道、晋城煤业集团西区瓦斯东输管道等,年输送能力50万m3。正在建设的韩城—渭南—西安管道、昔阳—太原管道,输送能力30万m3。
煤层气用户主要为西气东输管道用户,其次向山西省内及沁水煤层气田周边省份河南、河北等省供气,以及韩城、阜新等煤层气所在地城市供气。广泛用于城市燃气、工业锅炉燃气、汽车加气等天然气市场。2010年底,我国井下、地面煤层气产量达到85.3亿m3,约占天然气产量946亿m3的9%。煤层气已成为当地天然气的最现实的补充能源。
5 煤层气产业发展展望
根据我国“十二五”煤层气(煤矿瓦斯)开发利用规划,“十二五”末,我国煤层气产量将达200亿~240亿m3,其中,地面开采煤层气100亿~110亿m3,井下瓦斯抽采量110亿~130亿m3。煤层气探明地质储量将进入快速增长期,到2015年,新增探明地质储量10000亿m3。因此煤层气将在“十二五”进入快速发展轨道。一是通过“十一五”发展,积累了较好的技术基础和储量基础;二是中石油、中石化、中海油等大公司的积极投入,勘探和开发资金有了根本保证;三是国家科技重大专项的持续支持,为煤层气勘探开发利用科学技术攻关奠定了坚实基础,为产业目标实现提供了有力的技术支撑。
感谢赵庆波教授提供相关统计资料。
参考文献
陈仕林,李建春.2011.沁南潘河煤层气田“分片集输一级增压”集输技术.天然气工业,33(5):35~38
接铭训.2010.鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发前景.天然气工业,30(6):1~6
雷怀玉,孙钦平,孙斌,李五忠,陈刚,田文广.2010.二连盆地霍林河地区低煤阶煤层气成藏条件及主控因素.天然气工业,30(6):26~30
李民,王生维,李梦溪等.2011.晋城无烟煤地区煤层气储层区域差异及不同区域特征.中国煤层气,8(2):8~12
屈平,申瑞臣.2010.煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定.天然气工业,30(10):64~68
饶孟余,江舒华.2010.煤层气井排采技术分析.中国煤层气,7(1):22~25
孙晗森,冯三利,王国强等.2011.沁南潘河煤层气田煤层气直井增产改造技术.天然气工业,33(5):21~23
孙建平,张健,王建中.2011.沁南潘河煤层气田空气钻井和固井技术.天然气工业,33(5):24~27
王国强,吴建光,熊德华等.2011.沁南潘河煤层气田稳控精细煤层气排采技术.天然气工业,33(5):31~34
王红霞,李娜,张璞等.2010.沁水盆地煤层气田樊庄区块集气站标准化设计.天然气工业,30(6):84~86
吴建光,孙茂远,冯三利等.2011.沁南潘河煤层气田开发利用高技术产业化示范工程综述.天然气工业,33(5):9~15
许茜,薛岗,王红霞等.沁水盆地煤层气田樊庄区块采气管网的优化.天然气工业,30(6):91~93
薛岗,许茜,王红霞等.2010.水盆地煤层气田樊庄区块地面集输工艺优化.天然气工业,30(6):87~90
叶建平,吴建光,房超等.2011.沁南潘河煤层气田区域地质特征与煤储层特征及其对产能的影响.天然气工业,33(5):16~20
叶建平,张健,王赞惟.2011.沁南潘河煤层气田生产特征及其控制因素分析.天然气工业,33(5):28~30
尹中山,李茂竹,徐锡惠等.2010.四川古叙矿区大村矿段煤层气煤储层特征及改造效果.天然气工业,30(7):120~124
翟光明,何文渊.2010.中国煤层气赋存特点与勘探方向.天然气工业,30(11):1~3
张振华,孙晗森,乔伟刚.2011.煤层气储层特征及钻井液选择.中国煤层气,8(2):24~27
赵丽娟,秦勇.2010.国内深部煤层气研究现状,中国煤层气.7(2):38~40
赵贤正,桑树勋,张建国等.2011.沁南煤层气开发区块煤储层特征分析及意义.中国煤层气,8(2):3~7

5. 大宁-吉县区块煤层气勘探开发潜力评价

马财林 陈岩 权海奇
（中石油长庆油田分公司勘探开发研究院 西安 710021）
作者简介：马财林，男，高级工程师，1987年毕业于西安地质学院，现在长庆油田研究院从事地矿综合研究工作。
摘要 本文简要回顾了大宁-吉县区块近10年内的煤层气勘探开发现状，通过煤层气基本地质、成藏和富集因素方面的分析，对该区煤层气勘探潜力进行评价，再从午城井组及部分区探井的试采数据入手，评价区内煤层气开发潜力。分析结果认为，本区煤层气资源利用率较低，成藏类型复杂；储集性能随煤层埋深而变化，提出该区煤层气开发，必须缩小井网井距，坚持长期连续抽排和稳定降压采气的主要认识。
关键词 大宁-吉县区块 煤层气 勘探潜力 开发潜力 井网井距 稳定降压
Potential Evaluation on CBM Exploration and Development in Daning-Jixian Area
Ma Cailin，Chen Yan，Quan Haiqi
（Research Institute of Exploration and Development，PCOC，Xi'an 710021）
Abstract：The paper reviewed the current status of CBM exploration and development in recent 10 years in Daning-Jixian area.By research of CBM basic geology，reservoir formation and enrichment and by analysis of the test well date from drainage wells，CBM exploration and development potential of the area was evaluated.Analysis result showed that the utilization of CBM resources in the area is low，type of reservoir formation is complex and reservoir performance is changeable with burial depth.It suggested that small well pattern and space，long-term continuous drainage and stable depressurization are necessary for CBM development in the area.
Keywords：Daning-Jixian block；CBM；exploration potential；development potential；well pattern and space
大宁-吉县区块位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南端，地处山西省大宁县、隰县、蒲县和吉县境内。煤层气资源登记面积6905km2，有利勘探面积约3800km2。该区以煤层厚度大、平面分布稳定、煤岩煤质良好、热演化程度适中，使之成为我国中煤阶煤层气勘探开发试验区之一。
1 煤层气勘探开发现状
截至2006年7月15日，大宁-吉县区块共钻煤层气井34口，其中，预探井17口，评价井12口，水平井1口，外单位钻井4口，完成二维地震勘探228km（图1）。概括起来，区内煤层气勘探大致可划分为地质选区、勘探目标综合评价和勘探开发先导性试验三个阶段。
1.1 煤层气地质选区阶段（1997年3月～1998年12月）
该区煤层气勘探始于 1997年，以7口煤炭钻孔、3口天然气钻井和120km二维地震勘查资料为基础，对本区煤层厚度、埋藏深度、围岩等基本地质条件进行评价，初步筛选煤层气勘探目标，为煤层气井的钻探提供可靠的基础数据。
1.2 煤层气勘探目标综合评价阶段（1999年3月～2003年12月）
1999年6月23日，区内第一口煤层气井——A1 井顺利完钻，全井钻遇煤层总厚 16.2m，山西组山2段5＃煤厚5m，太2段8＃煤厚7.4m，5＃煤层孔隙度8%，渗透率1～5mD，压力系数1.12，现场解吸含气量18.4m3/t，试气29d，获得2847m3/d的煤层气稳定产量。煤层段显示出高孔渗、高压力、高含气的“三高”特征。四年间，区内共钻煤层气探井6口，此阶段煤层气地质选区目标评价与钻井勘探同步进行。
1.3 煤层气勘探开发先导性试验阶段（2004年3月～2006年7月15日）
2004年3月，为了查明该区块煤层气资源及分布，配合午城井组钻探，为煤层气规模开发提供地质依据，率先在区内完钻煤层气区探井11口，井组12口，多分支水平井1口。煤层气开发先导性试验项目全面启动，多分支水平井钻探处于尝试之中。
2 煤层气勘探潜力分析
煤层气基本地质条件、成藏因素和富集规律是其勘探潜力分析的主要内容。基本地质条件与煤层厚度、埋藏深度和煤岩煤质特征有关；成藏因素是构造、围岩和水文地质条件的综合反映；富集规律与煤岩储层及含气性等因素相关联。
2.1 煤层气基本地质条件
评判一个区块的煤层气基本地质条件，一般从煤层厚度及埋深、煤岩煤质特征入手。认为煤层厚度大，埋藏深度适中，煤岩镜质组含量高，灰分含量低，该区块煤层气基本地质条件相对有利。根据国内外煤层气地质选区条件，结合鄂尔多斯盆地煤层气勘探实际情况，把煤层总厚度≥10m、单层厚度≥2m，且愈厚愈好，煤层埋藏浅于1000m、煤岩镜质组含量大于70%、灰分含量小于20%作为地质条件评价的基本标准。

图1 大宁-吉县地区煤层气勘探程度图

2.1.1 煤层厚度
区内煤层总厚度5～22.8m。5＃煤厚2～8.5m，大于4m的厚煤带沿寨子—山中—曹井南北一线分布（图2）；8＃煤厚2～10m，单层大于4m的厚煤带沿山中—窑渠间呈三角状展布，大于6m的富煤中心处在午城、蒲县南和曹井三地（图3）。两层主煤厚带的平面展布态势，圈定了区内煤层气资源分布的轮廓，奠定了煤层气资源评价的物质基础。

图2 大宁-吉县地区5＃煤层厚度图


图3 大宁-吉县地区8＃煤层厚度图

2.1.2 煤层埋藏深度
煤层埋藏深度是影响煤层气勘探的关键参数，煤层埋藏不能过深，也不能太浅。煤层埋藏愈深，其储集条件愈差。区内10口井煤层孔隙度、渗透率与埋藏深度的测试成果显示，多数资料点煤层埋藏与孔渗条件呈正相关，个别深部数据与之相反，主要与断裂构造发育程度有关。另据本区和邻区的资料显示，当煤层埋藏深度超过800m 时，煤层渗透率急剧下降（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地东南缘煤层孔隙、渗透率测试表

2.1.3 煤岩煤质特征
本区宏观煤岩类型以光亮煤为主，半亮煤居中，暗淡煤次之。煤岩以宽条带结构为主，部分为无夹矸的简单结构，部分为含夹矸的复杂结构。5＃煤夹矸层厚度0.1～0.5m，8＃煤夹矸层0.5～1.0m，5＃主煤夹矸层小于8＃煤。煤岩显微组分显示，5＃主煤的镜质组含量74.6%，8＃主煤为66.2%（表2）。较高的镜质组含量表明该区煤岩沉积处在还原的封闭环境，有利于煤层气藏的形成。煤岩工业分析揭示，5＃主煤灰分含量平均值13%，8＃主煤13.3%（表 3），两层主煤均具低灰煤特征。区内煤岩热演化程度较高，R0值为1.3%～2.2%，煤阶为焦、瘦、贫煤，两层主煤均具中—高煤阶特点。总之，区内煤岩具低夹矸、低灰分、高镜质组含量、中高煤阶的“两低两高”特征。

表2 大宁-吉县地区煤岩显微组分成果表


表3 大宁-乡宁地区煤岩工业分析成果表


图4 大宁-吉县地区5＃煤层顶面构造图

2.2 煤层气成藏条件
该区块的煤层气成藏必须具备有利的构造条件，良好的围岩类型和承压封闭的水文地质环境。
2.2.1 构造类型
构造条件是本区煤层气成藏的重要因素，不但控制煤层气藏类型，且影响煤层气富集。该区整体为西倾的单斜构造，局部构造形态呈“一隆、一坳、两斜坡”特征，即古驿-窑渠隆起、薛关-峪口坳陷和东西两个斜坡带（图4）。相比之下，西部斜坡带倾角虽平缓，但煤层埋藏深度较大，储层物性变差；东部斜坡带煤层埋藏虽浅，但煤层厚度较薄，断裂发育，保存条件不利；古驿-窑渠背斜构造两翼的宽缓部位，煤岩储层发育，煤层气成藏条件相对有利。
2.2.2 煤层顶底板
煤层顶底板岩性对煤层气保存至关重要。区内5＃煤层顶板岩性主要以泥岩为主，厚1～15m，砂岩顶板区分布范围局限，仅在区块的东北、东南边缘零星分布；8＃煤层顶板岩性以灰岩为主，厚3～20m，泥岩顶板分布次之，厚1～5m。从区内两层主煤顶板岩性平面分布来看，煤层围岩受沉积相带控制作用明显，河道分布区，煤层顶板岩性为砂岩，煤层含气量变低，保存条件变差，三角洲间湾沼泽、泥坪环境，不但煤层分布稳定，且煤层顶板多为泥岩，对于煤层气成藏来说，泥岩顶板煤层气保存条件好，灰岩顶板次之，砂岩顶板较差，这也被区内26口煤层气井的含气量解吸数据所证实。
2.2.3 水文地质条件
水文地质条件对煤层气成藏及富集具有重要的地质意义。独立的水文地区单元，可阻止煤层气的侧向运移，形成承压水封堵型煤层气藏。该区块自东向西存在两个水文地质单元，从东部煤层露头区至薛关逆断层间，由补给→径流→承压→泄水区过渡。补给和泄水区地层水总矿化度≤0.5g/L，氯根含量0.1～0.3g/L，为Na2SO4型水，煤层气保存条件差；径流区地层水总矿化度0.5～5.0g/L，水型为NaHCO3型，煤层气保存条件较好；承压区地层水总矿化度≥5g/L，水型为CaCl2或NaHCO3型，煤层气保存条件有利。由薛关逆断层向西，第二个水文地质单元重复循环，煤层气保存由差变好。
2.3 煤层气富集规律
煤层储集性能和含气性是制约区内煤层气富集的主控因素。煤岩储集性能受煤层埋藏深度、煤岩类型和构造等因素控制，煤层含气性及资源潜力是煤层气地质、成藏条件的综合体现。
2.3.1 煤岩储集性能
煤岩基质孔隙、裂隙系统是表述煤岩储集性能的基本要素，煤岩高孔隙、高渗透分布区是煤层气勘探的理想区域。区内5＃主煤内生裂隙十分发育，内生裂隙线密度为21～28条/5 c m，煤岩裂隙孔隙度平均值为1.41%；8＃主煤内生裂隙的发育程度不及5＃煤，内生裂隙线密度7～10条/5 c m，内生裂隙孔隙度0.25%～1.66%，平均值为0.774%。从本区煤层孔隙度测井解释成果表可以看出，两层主煤孔隙度在1.67%～4.81%之间，5＃主煤孔隙度略高于8＃煤（表4）；再从10口井煤层渗透率的注入压降测试成果看到，该区煤层渗透率平面变化大，整体随煤层埋藏增大渗透率降低的趋势明显（A1、701、702 井），局部埋藏加深的井点渗透率增高与构造密切相关，背斜构造轴部，断裂构造发育区煤层孔渗条件均较好，如A4、13 井位于古驿-窑渠背斜构造轴部，煤层渗透率大于18mD（表5）。相比之下，区内5＃煤储集性能优于8＃煤，煤层浅埋藏区（＜1000m）、背斜构造轴部是寻找高孔高渗区的有利部位。
2.3.2 煤层含气性评价
煤层含气量高低与煤岩煤质和保存条件有关，它是煤层气地质成藏条件的最终体现。在煤质类同的前提下，煤层热演化程度高、煤层顶板泥岩封盖、构造稳定的地区煤层含气量高。本区5＃煤含气量6～22m3/t，8＃主煤为6～17m3/t，横向煤层高含气区主要位于古驿-窑渠背斜构造的东、西两翼。纵向5＃煤含气量比8＃煤高。主要原因在于5＃煤层顶板岩性多为泥岩，对煤层气藏的封堵能力强，从而使煤层含气量增高；而8＃煤层顶板多为灰岩，垂向距奥灰水距离较近，灰岩顶板本身具有双重性，在构造活动区有可能变为储层，导致煤层含气量降低。

表4 大宁-吉县地区煤层孔隙度测井解释成果表


表5 大宁-吉县地区煤层渗透率注入压降测试成果表

2.3.3 煤层气资源潜力
煤层气资源是其勘探部署的重要依据。一个煤层气勘探区块，既要有足够大的煤层气资源量，又要有较高的资源量丰度，还要有一定数额的商业煤层气地质储量，则认为该区块煤层气资源潜力较大。区内煤层埋藏300～1500m、煤层单层厚度≥2m的含煤面积2313km2，煤层气资源量6014×108m3，资源量丰度2.6×108m3/km2（表6）。尽管区内有如此高的煤层气资源量和资源丰度，根据该区块的煤层气勘探和钻井实际分析，当煤层埋藏深度大于800m时，煤层渗透率大部分小于1mD，煤层气开发试采周期长，排水降压采气难度大。因而专门对该区块煤层埋深300～800m 内的煤层气资源进行了计算（表7）。计算结果表明，煤层埋藏在300～800m之间的资源量仅为全区资源总量的13.3%。

表6 大宁-乡宁地区煤层气资源量计算成果表

注：此资源量不包括8＃煤埋深大于1500m区域，也未包括吉试2-薛关-窑渠、明珠东南的资源量。

表7 明珠-乡宁煤层气资源量成果表

3 煤层气开发潜力评价
煤层气开发是煤层气评价勘探的延续，一般要经历小井组试验→大井组评价→规模开发三个阶段。前两者称为煤层气开发先导性试验阶段，而大宁-吉县区块恰处于此阶段。
3.1 煤层气井组评价试验
2004年6月，中石油把大宁-吉县地区确定为中煤阶煤层气示范区，选择午城区块4.8km2面积部署大井组（12口井）进行煤层气开发前的先导性试验，井网井距400×600m。2004年完钻8口，当年9月投入试采井5口；2005年完钻井4口，12月投入排采井7口，目前共投入排采井12口（图5）。

图5 大宁-吉县地区午城井组井位图

从午城井组的产水情况来看，12口井的产水量在2～23.5m3/d之间，产水量低者均是采用胍胶压裂液压裂，对煤储层伤害较大，产水量大于10m3/d的井采用清水压裂液，对煤储层的伤害小；从井组产气情况来看B2-3井瞬时产量达到3003m3/d，B2-1 井最高产量1571m3/d，但由于煤层渗透率低（0.02mD），井网井距过大及排采制度不完善等原因，产量衰减较快，仅B1-3井气产量在800～1000m3/d之间稳产达8个月以上，其余9口井气产量均较低（表8）。

表8 午城井组排采数据表

3.2 煤层气井组试采的初步认识
3.2.1 午城井组煤层埋深较大，地应力高，煤层渗透性低。
该井组8＃主煤埋深在1147.3～1313.8m之间，平均井深1270m，试井原地应力大于20MPa，高者可达40～50MPa。根据原地应力与埋深、煤层渗透率与原地应力的关系，深埋藏→高原地应力→低渗透率对应关系明显。如果按20MPa 应力计算，煤层渗透率小于0.1mD，而B01-4井注入压降测试渗透率0.02mD，与此认识相一致。
3.2.2 午城井组井网井距过大，至今尚未形成井间干扰。
煤层渗透系数是确定井网井距的主要依据，其计算公式：
Kr=Q/Sm
式中：Kr—煤层平均渗透系数（m/d）；m—含水层厚度（m）；S—水位降深（m）；Q—每天抽水量（m3/d）。
由此计算出午城井组煤层平均渗透系数0.052～1.199m/d（表9）。如果单井按每年300天抽水计算，在此期间，渗透波及的范围最小156m，最大359m，欲使400×600m的井组大面积降压，至少连续排采1～2年。据此认为，午城井组煤层平均渗透系数低且差异大，单井排采形成的降压漏斗还不能延伸扩展到远井区煤层裂隙系统，难以整体解吸降压，只在近井筒的有限范围内以两相流的状态解吸出气和产水，从而导致该井在试采过程中出现产气高峰后，产量迅速下降的主要原因。

表9 午城井组抽水试验参数计算表

3.2.3 排采不连续对井组试采结果影响较大
由于该区块远离油区，生产组织难度大。加之排采经验不足，选用设备不匹配等原因，时而停井，有的井尽管抽排，发电机功率低，动液面始终在400～600m 间不下降，这种状况对煤层气井排采的副作用极大。在停止排采的过程中，大量煤粉在近井筒周围沉淀，堵塞压裂缝和煤岩孔裂隙，从而使前期排采前功尽弃。
4 结论
（1）大宁-吉县区块煤层单层厚度大，平面分布稳定，以深成变质作用形成的中煤阶为主，煤层具低含灰、低含水和高镜质组含量之特征。煤层气基本地质条件有利。资源量大，资源丰度高，但在目前开发条件下，具有商业开发价值的煤层气地质储量（＜800m）所占的比例较小。
（2）煤层气成藏条件和富集因素较为复杂，构造控制煤层气藏类型，进而影响煤层气富集。区内“一隆、一坳、两斜坡”的构造特征，使煤层气成藏自西向东由“低角度单斜式、背斜式、向斜式”三种类型过渡。低角度单斜式煤层气成藏条件好，但煤层埋藏深，成藏条件不利；向斜式两侧转折端坡度陡，煤层气藏难以富集；背斜式气藏在背斜构造轴部的东、西两翼地层倾角相对平缓，储层条件有利，煤层含气量较高，有利于煤层气成藏。
（3）午城井组煤层埋深大，地应力高，煤岩储集性能差。区块内煤层埋藏大于800m的地段，原地应力大于20MPa，煤层渗透率低于1mD；煤层埋藏浅于800m的区域，原地应力小于20MPa，煤层渗透率大部分在1mD以上。
（4）午城井组煤层平均渗透系数是确定井网井距的重要依据，煤层平均渗透系数可通过煤层气井试采而获得。据此分析，该区400m×600m的井网井距过大，应采用200m×300m井距为宜。
（5）在煤层气地质条件有利、成藏因素优越、富集因素良好的前提下，煤层气井组开发除采用先进的钻井、完井和压裂技术外，坚持长期连续抽排、稳定降压是避免近井筒周围煤粉沉淀而堵塞煤岩孔隙、裂隙的关键。

6. 郑庄区块煤层气富集主控地质因素及开发前景分析

李俊乾 刘大锰 姚艳斌 蔡益栋 张百忍
( 中国地质大学北京能源学院 北京 100083)
摘 要: 寻找煤层气富集高产区是煤层气勘探开发过程中一项重要的工作，通过对煤层气富集成藏的规律及开发潜力进行分析，为煤层气有利开发区的优选提供依据。本文从沉积环境、水文地质条件及地质构造三个方面，对沁水盆地南部郑庄区块山西组 3#和太原组 15#煤层气富集规律进行了分析。结果表明: ( 1) 区块内 3#煤层顶板以厚层泥岩为主，15#煤层顶板为一大套碳酸盐岩沉积，两类顶板封盖性好，有利于煤层气保存; ( 2) 区块位于滞水洼地附近，水力封闭作用有利于煤层气富集; ( 3) 煤层气局部富集区主要受地质构造的控制，宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、活动性断层部位最不利聚气，总体上向斜部位要好于背斜部位。最后本文从煤储层参数角度，具体分析了该区块的开发前景。3#和 15#煤层煤级高，含气量、含气饱和度较高，煤层较厚，煤层埋藏适中，储层压力接近或稍高于静水压力，均表明有利于煤层气的开发; 而煤储层渗透率普遍较低，则是煤层气开发的主要瓶颈，统计表明，该区块渗透率大小主要受最小有效应力 ( 最小主应力与储层压力之差) 的影响。
关键词: 郑庄 富集规律 沉积环境 地质构造 水文地质 渗透率
基金项目: 国家科技重大专项课题 34 ( 2010ZX05034 － 001) ，国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ，国家自然科学基金项目 ( 40972107) ，中石油创新基金资助 ( 2010D －5006 －0101) 。
作者简介: 李俊乾，博士研究生，矿产普查与勘探专业，主要从事煤层气勘探与开发研究。
Email: lijunqian1987@ 126. com; Tel: 010 － 82320892
Primary Geologic Factors Controlling Coalbed Methane ( CBM) Enrichment and CBM Development Potential in Zhengzhuang Block
LI Junqian LIU Dameng YAO Yanbin CAI Yidong ZHANG Bairen
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083)
Abstract: It is significant to find out the CBM enrichment area during the CBM exploration and develop- ment. It can help select favorable CBM target areas through studying the CBM enrichment regularity and its devel- opment potential. In the paper，the CBM enrichment regularity of the Shanxi Formation No. 3 and the Taiyuan For- mation No. 15 coal seams of the Zhenzhuang Block in northern Qinshui Basin were studied by analyzing sedimenta- ry environment，hydrogeology and geologic structure. Results show that: ( 1) in the study area，the thick mud- stone and carbonate rock are the major lithology of the roof plates of No. 3 and 15 seams respectively. Both roof plates have a good sealing-capping property which are beneficial to preserve the CBM; ( 2) the study area locates near the center of stagnant water，where a CBM enrichment area is formed resulting from hydraulic sealing; ( 3) regional CBM enrichment is mainly controlled by geologic structure. The most favorable area for CBM enrichment locates at an anticline with steep wings; secondarily locates in the axial parts of the anticline and syncline with gentle wings; and the worst locates near the activities faults. On the whole，syncline is much more favorable than anticline in CBM enrichment. In the paper，the CBM development potential in the study area was also analyzed based on coal reservoir parameters. Results show that it is promising to develop CBM within No. 3 and 15 coal seams because both seams are characterized by high metamorphic grade，high CBM content and gas saturation， thick seam，moderate coal burial depth and coal reservoir pressure is similar to ( or higher than ) hydrostatic pressure. However，the low coal reservoir permeability is a main unfavorable factor in CBM development. Statistical results show that the coal reservoir permeability is mainly affected by the difference between minimum principal stress and coal reservoir pressure.
Keywords: Zhengzhuang; enrichment regularity; sedimentary environment; geologic structure; hydrogeol- ogy; permeability
自20世纪80年代美国成功实现地面煤层气商业性开发以来，煤层气的勘探和开发越来越受到世界各主要产煤国的重视。煤层气的抽采利用不仅能缓解常规油气资源短缺带来的能源危机，而且对于煤矿安全生产以及保护环境都具有重要意义。我国煤层气资源丰富，据最新一轮全国煤层气资源评价结果(孙茂远等，2008)，埋深2000以浅的煤层气资源总量达36.8×1012m3，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。截至2008年，在沁水盆地南部已建成1.5亿m3产能的煤层气生产基地，成功实现了高煤级、中低渗透煤的煤层气开发，打破了国外高煤级储层是煤层气开发禁区的理论(高远文等，2008)。
虽然我国高煤级煤炭资源丰富(占总煤炭量29%)，赋存煤层气资源量巨大(占总含气量15.42%)，但开采难度较大，单井产量也通常较低。这是由于我国的聚煤盆地形成演化历史复杂，后期构造破坏严重，以及盆地原型及构造样式多变(孙茂远，2001;饶孟余等，2005)，使得煤层气富集规律难以把握，而且我国的高煤级煤储层多阶段演化和多热源叠加变质作用明显(杨起，1999)，使得我国煤层气藏的储层物性具有极强的非均质性，增加了煤层气的开采难度。因此，研究煤层气富集成藏的地质控制因素以及分析煤层气藏的开发潜力，对于寻找煤层气富集、高产高渗区具有重要现实意义。本文以沁南郑庄区块煤层气藏为研究目标，对这一问题进行了初步探讨分析。
1 区域背景及地质概况
郑庄区块位于晋城市西北约80km处，行政区划属于沁水县郑庄镇。1999年，中国石油华北油田公司在郑庄区块取得982.76km2的探矿权，并于2006年探明含气面积74km2;在2008年取得了135.2km2的采矿权;截至2009年，在该区块累计探明煤层气地质储量达到843亿m3，和毗邻的樊庄区块一起构成我国首个整装千亿立方米的煤层气田(探明地质储量为1152亿m3)，具有广阔的商业开发前景。
郑庄区地块质构造上位于沁水盆地东南部的马蹄形斜坡构造背景之上，其东南及东部以寺头断裂带为界，区内以宽缓褶曲为主，局部发育小规模正断层(如图1)。区块内自下而上发育有奥陶系，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组以及第四系等地层，其中山西组和太原组为主要含煤层段，发育多套煤层。山西组3#煤层和太原组15#煤层在沁水盆地南部广泛分布，为两个主力煤层，厚度较大且稳定可采，是煤层气勘探开发的主要目标层位。

图1 郑庄区块地质构造及3#煤层埋深等值线图

2 煤层气富集成藏的地质控制因素
2.1 沉积环境
结合前人研究(任海英，2004;邵龙义等，2006)及钻井剖面分析，郑庄区块15#煤层形成于太原组早期第一次特大型海侵之前，聚煤作用发生在泻湖被逐渐淤浅的滨岸沼泽之上，在稳定的构造背景下，聚煤作用持续时间较长，形成较厚的15#煤层(2.4～7.9m)。长期的海侵之后，在15#煤层之上沉积了10m左右的大套石灰岩。在太原组末期，海水开始退去，海陆交互相沉积转换为三角洲沉积体系，在下三角洲平原分流涧湾内发育了厚度较大的3#煤层(5.3～6.2m)。3#煤层顶板发育厚层分流涧湾泥岩，局部夹有分流河道砂体。
沉积环境控制着煤层气的储盖组合、煤层气储层的几何形态以及煤层厚度(王红岩等，2004)，从而影响煤层气的赋存及三维空间分布特征。在不同沉积环境，煤储层围岩条件好坏各异，这直接影响着煤层气的保存。围岩条件的好坏主要取决于煤层顶底板岩性、厚度及其透气性。顶底板岩性越致密、厚度越大、透气性越弱，越有利于煤层气保存富集;反之则利于煤层气体向其他岩层扩散，使气体含量降低。如图2所示，在郑庄区块，3#煤层直接顶、底板均为厚达10多米的泥岩，由于泥岩具有气体排驱压力高、透气性弱的特点，因此对煤层气的封闭能力较好;15#煤层直接顶板为大套的石灰岩，虽然灰岩易受地下水溶蚀作用而使其透气性能增加，但溶蚀性灰岩常分布于构造变动强烈地段，而研究区内构造变形简单，石灰岩遭受溶蚀可能较弱。再加上该灰岩层厚度较大，因此对煤层的保存亦较为有利，但总体较3#煤层围岩封闭性差。

图2 郑庄区块3#和5#煤层顶底板岩性图

总之，在郑庄区块，稳定的沉积环境下发育厚度大、稳定性好(其中3#>15#)的两主力煤层，为煤层气大量储集提供了物质基础;同时，煤层顶、底板具有良好的封闭性能，保证了煤层气的有效保存富集。
2.2 水文地质条件
水文地质条件对煤层气的富集及运移起重要作用，影响煤层气的赋存和分布。通常，水文地质条件控气具有双重性，既可导致煤层气逸散，又能起到保存聚集煤层气的作用。叶建平等(2001)将水文地质控气作用概况为3种类型，即水力运移逸散作用、水力封闭作用和水力封堵作用，其中后两种类型有利于煤层气保存。傅雪海等(2007)在研究沁水盆地水文地质条件对煤层气富集的影响时，提出从盆缘到盆地中心依此出现水力封堵控气作用、水溶携带控气作用、径流逸散控气作用和水力封闭控气作用，最终导致盆缘煤层气含量低、斜坡带含量较高和盆地中心含量高的结果。
研究表明，沁水盆地南部地区山西组含水层主要由底部砂岩和3#煤层上部砂岩组成，两者之间没有水力联系，后者通过裂隙与3#煤层有一定的水力联系(傅雪海等，2007);15#煤层与顶板石灰岩没有水力联系。可见两煤层本身基本是独立的水动力系统，受其他含水岩层影响较弱，外部水动力对煤层气保存影响较小。
郑庄区块边界的寺头断裂，现今状态下属于一条封闭性断裂，导水、导气能力极差，是盆地内部的一个水文地质单元边界。山西组砂岩含水层和太原组灰岩含水层水位在寺头断层东侧附近达到最低值，是地层水的滞水洼地;位于寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区，水位也较低，地下水径流强度也可能较弱，较有利于煤层气保存(王红岩等，2001;2004;傅雪海等，2007)。通常，地下水滞水地带也是矿化度较高区域，郑庄区块煤层水矿化度非常高(如表1)，远高于弱径流区地层水矿化度(1823.61mg/L)，由此推测郑庄区块亦位于地下水滞流区，地下水以静水压力的形式将煤层中的煤层气封闭起来，导致煤层含气量较高。
表1 郑庄区块煤层水矿化度 单位:mg/L


2.3 地质构造条件
构造作用是影响煤层气成藏最为重要和直接的因素，不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化，而且控制着煤层气生成、聚集和产出过程的每一环节。在聚煤期，构造控制着煤系地层形成发育的特征，影响到煤层气的生成、储集和封盖能力;在聚煤期后，构造特征及其演化通过对构造变形和热历史的限定，不仅对煤层气的生、储、盖性能产生影响，而且直接控制了煤层气的运移、聚集和保存特征，从而决定着特定地区煤层气资源开发潜力的大小(秦勇，2003)。
在沁水盆地东南部(包括郑庄区块)，煤层气成藏经历了三个演化阶段(王红岩等，2008;林晓英等，2010):第一阶段，三叠纪末期，煤层达到最大埋深，煤岩镜质组反射率达1.2%，此阶段为深成变质作用生气阶段，累计生烃量达到81.45m3/t;第二阶段，晚侏罗世开始至白垩纪末，地层开始抬升，但由于燕山中期的构造热事件影响，煤层长期处于异常高古地温阶段，引起二次生烃，累计生烃量大，可达359.10m3/t;第三阶段，喜山期的煤层气藏调整与改造，最终形成了现今格局。在第二阶段，由于异常热事件的影响，地层的抬升并没有破坏煤层气藏，反而增加了煤储层储集气体的能力。两次生烃作用为煤储层大量聚气提供物质基础。
在盆地形成演化过程中，郑庄区块受构造作用影响较弱，构造形迹相对简单。对煤层气富集具有控制作用的主要为寺头断层及区内局部背、向斜，在不同的构造部位煤层含气量具有明显差异。从图3上可以看出，在宽缓背斜部位有利聚气(如Js8井)、两翼较陡的向斜和背斜轴部(如Js5和Zs31井)均不利聚气、断层部位最不利聚气(如Zs39井)，总体上向斜部位要好于背斜部位(如Js5>Zs31井)。

图3 区域地质构造与煤层含气量关系图

这主要包括以下几个方面的原因:(1)通常处于活动期的断层具有开放性，是气体运移的有利通道;而活动比较微弱或不活动的断层具有封闭性则有利于气体的保存。在煤层气成藏演化过程中，寺头断层在喜山晚期之前一直处于活动状态，具有强开放性，导致断层附近煤层气体沿断层大量逸散，煤层含气量极低。(2)两翼较陡的向、背斜，均为挤压应力下形成的地质构造。对于向斜，轴部煤层的底部及其底板岩层张性裂隙易于发育，部分煤层气扩散损失，而两翼部位则为煤层气富集区;对于背斜，轴部煤层含气量低则是由于煤层顶部及其顶板张性裂隙的发育，同时两翼部位有利于煤层气富集。总体而言，向斜要比背斜更有利于聚气。(3)宽缓背斜也是在挤压应力环境下形成的，属于局部小构造，亦为应力集中区，因此有利于煤层的吸附。
3 煤层气开发前景分析
煤层气有利开发区主要包括两层含义，它既是煤层气的富集区又是高产高渗区。在查明煤层气富集规律的基础上，寻找煤层气高产高渗区是实现煤层气大规模商业开发的关键。文章从煤储层参数角度，具体分析了郑庄区块3#和15#两主力煤层的开发潜力以及瓶颈问题。
煤层气在煤储层中的渗流特征与常规天然气差异很大，影响煤层气高产的因素复杂而多样，主要包括:煤层气含量、含气饱和度、煤层埋深、煤层厚度、煤级、煤储层渗透率、煤储层压力、临界解吸压力(娄剑青，2004;万玉金等，2005;陈振宏等，2009)以及煤体结构等。在研究区内，煤层气开发的有利储层参数主要包括以下几个方面:(1)煤储层含气性较好(表2)，3#煤层平均含气量19.11m3/t、甲烷含量18.35m3/t、含气饱和度69.58%;15#煤层平均含气量16.30m3/t、甲烷含量15.42m3/t、含气饱和度62.80%。较高的含气量和含气饱和度是煤层气高产稳产的物质基础。(2)煤层埋藏适中，降低开采难度及开采成本，3#煤层埋藏深度512～1215m;15#煤层605～1310m。(3)煤层厚度较大，3#煤层厚度5.3～6.2m;15#煤层厚度2.4～7.9m。(4)煤变质演化程度高，最大镜质组反射率Ro，max=3.55%～3.98%，高变质程度使煤的吸附能力强，含气量高。(5)3#煤储层压力梯度接近于静水压力梯度;15#煤储层压力梯度略高于静水压力梯度。煤层气储层为常压或接近常压均有利于煤层气的开发。
表2 郑庄区块煤层含气性特征


注:下标ad代表空气干燥基。
在郑庄区块，开发煤层气存在的主要瓶颈问题是煤储层渗透率较低，平均低于1mD，其中3#煤层试井渗透率为0.013～0.430mD;15#煤层试井渗透率为0.022～0.920mD。通过镜下观察显微裂隙，两煤层均以B型(宽度>5μm，1mm5μm，长度>10mm)裂隙较少，裂隙密度较小，且连通性中等至差。裂隙不发育和连通性较差是导致煤储层渗透性差的主要原因。但两煤层的煤岩类型主要为光亮煤，煤体结构以原生结构和碎裂为主，这使得改善煤储层渗透能力成为可能。从煤层气开发的角度来讲，原生结构的煤体，裂隙虽然相对较少，但经过压裂后，煤层气容易抽放，属较好类型的煤体;碎裂结构的煤体，裂隙相对发育，抽放条件优越，属于极好的煤体类型。
表3 郑庄区块煤储层宏观和微观裂隙发育特征


另外从图4上可以看出，在郑庄区块煤储层渗透率主要受最小有效应力(最小主应力与储层压力之差)的影响，随着该应力的增加，渗透率值明显降低;但埋深和最小主应力对渗透率的影响不明显。因此，可以通过研究最小有效应力分布规律，在研究区低渗透率背景上寻找渗透率高值区，为选取煤层气高产高渗区提供科学依据。

图4 3#(a)及15#(b)煤层渗透率与应力、埋深关系图

4 结论
文章从沉积环境、水文地质条件和地质构造三个方面，分析了郑庄区块3#和15#煤层煤层气富集成藏的地质控制因素。结果表明:稳定的聚煤沉积环境和封闭的水动力系统是煤层气的保存的有利条件，而局部煤层气富集则受控于地质构造条件:在宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、断层部位最不利聚气，总体上向斜部位要好于背斜部位。另外，文章从储层参数角度分析了该区块煤层气的开发潜力。3#和15#煤层煤级高，含气量、含气饱和度较高，煤层较厚，煤层埋藏适中，储层压力接近或稍高于静水压力，均表明有利于煤层气的开发。然而该区块煤储层渗透率极低，使煤层气的商业开发增加了难度，但可以通过压裂等增产措施适当的改善煤储层，提高气产量。
参考文献
陈振宏，王一兵，杨焦生等.2009.影响煤层气井产量的关键因素分析———以沁水盆地南部樊庄区块为例，石油学报，30(3)，409～416
傅雪海，秦勇，韦重韬等.2007.沁水盆地水文地质条件对煤层含气量的控制作用，煤层气勘探开发理论与实践，61～69
高远文，姚艳斌.2008.我国煤层气产业现状及开发模式探讨，资源与产业，10(2)，90～92
林晓英，苏现波，郭红玉.2010.沁水盆地东南部寺头断层对煤层气藏的封闭性评价，天然气工业，30(4)，20～23
娄剑青.2004.影响煤层气井产量的因素分析，天然气工业，24(4)，62～64
秦勇.2003.中国煤层气地质研究进展与述评，高校地质学报，9(3)，339～352
饶孟余，杨陆武，冯三利等.2005.中国煤层气产业化开发的技术选择，特种油气藏，12(4)，1～4
任海英.2004.沁水煤田晋城矿区煤层的沉积环境与煤层气，煤矿现代化，(6)，18～19
邵龙义，肖正辉，何志平等.2006.晋东南沁水盆地石炭二叠纪含煤岩系古地理及聚煤作用研究，古地理学报，8(1)，43～52
孙茂远，刘贻军.2008.中国煤层气产业新进展，天然气工业，28(3)，5～9
孙茂远，杨陆武.2001.开发中国煤层气资源的地质可能性与技术可行性.煤炭科学技术，29(11)，45～46
万玉金，曹雯.2005.煤层气单井产量影响因素分析，天然气工业，25(1)，124～126
王红岩，万天丰，李景明等.2008.区域构造热事件对高煤阶煤层气富集的控制，地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)，15(5)，364～369
王红岩，张建博，李景明等.2004.中国煤层气富集成藏规律，天然气工业，(5)，11～13
王红岩，张建博，刘洪林等.2001.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征，煤田地质与勘探，29(5)，33～36
杨起.1999.中国煤的叠加变质作用，地学前缘(中国地质大学，北京)，6(增刊)，1～7
叶建平，武强，王子和.2001.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用，煤炭学报，26(5)，459～462

7. 煤层气开发概况

自20世纪90年代后期以来，中联煤层气有限责任公司、美国美中能源公司、中国石油勘探开发研究院廊坊分院、中国石油化工集团中原油田等单位分别在沁水盆地的潘庄区块、屯留区块、寿阳区块、樊庄区块、和顺区块进行了为期13年的勘探和开发试验工作，取得了良好的勘探成果。截至2006年年底，已获煤层气井组产能并实现利用的地区包括:中联煤层气有限责任公司沁南枣园井组(15口井);中联煤层气有限责任公司沁南潘河示范区(260口井，其中已完成40口井集输)，实现产能1.5×108m3/a;中联－萨摩亚美中能源潘庄试验区(150口垂直生产井和6口多分支水平)。上述地区均已建设压缩气站，成功实现了煤层气的产供销。中国石油化工集团樊庄开发区(200口井)，产能已达1.3×108m3/a。通过大量的煤田地质勘探和近几年的勘探和生产试验，基本查明了该区煤层气资源丰富、含气量高、渗透性好，是目前我国具有煤层气商业开发价值的地区，其中潘庄区块有望成为我国第一个煤层气商业开发区块。潘庄位于晋城市辖区，合同区已经与柿庄南项目一起获得了国家批准的煤层气探明地质储量。此项目外方作业者为萨摩亚美中能源有限公司(美国)，中方国内合作伙伴是晋城煤业集团。该项目在原有7口井井组试采和储量报批的基础上，现已委托有关部门编制总体开发方案和环境评估报告，并进行了市场调研。已完成150口垂直井和6口多分支水平井的钻井，大部分垂直井进行了压裂和排采，建成了压缩气站，煤层气用于供晋城市民用以及气田发电。水平井单井日产气量超过9×104m3［144］。
国家发展改革委《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划》中提出:沁水盆地煤层气产业基地力争到2010年，建成产能39.5×108m3，产量30.5×108m3，累计新增探明地质储量1500×108m3。主要规划项目有:沁南、樊庄、晋城矿区、柿庄、寿阳、潘庄、大宁、端氏。截至2008年年底，沁水盆地共施工各类煤层气井约2000口，单井产气量平均500～4000m3/d。其中潘1井、TL-007井、TL-006井、TL-003井等均出现突破10000m3/d的产气高峰;TL-007井最高产气量高峰达到16000m3/d。沁南煤层气产能已达5×108～6×108m3/a。考虑山西省内外对煤层气的需求及规模开发效益，对沁水盆地进行日产400×104m3(按现在生产现状，2000口井，单井2000m3/d)和日产924×104m3(按“十一五”规划产量30.5×108m3计算，年生产天数330d)规模的两种开发方案的技术经济评价，为沁水盆地煤层气产业化可行性提供决策依据。

8. 中国煤层气资源与勘探开发

8.3.1 煤层气产业发展前景
目前，除了井下瓦斯抽放利用已形成一定规模并获相应效益外，地面煤层气勘探开发仍处于探索阶段，尚未进入工业性规模开发阶段。但是，展望未来，我国煤层气产业具有良好的发展前景。
根据最新的预测结果，我国烟煤和无烟煤煤田中，在埋深300～2000 m范围内煤层气资源量为31.46×1012m3。在世界上，前苏联煤层气资源量为（17.0～113.3）×1012m3，美国为（9.7～11.7）×1012m3（据Boyer，et al.，1998），我国煤层气资源量位居世界第二位。由石油天然气系统进行的全国第二轮油气资源评价结果显示，我国有38×1012m3的常规天然气资源量，其中陆地有30×1012m3、海域有8×1012m3（据陈永武，2000）；可见，在我国陆地范围内，煤层气资源量比常规天然气还要大。值得指出的是，在计算煤层气资源量时，褐煤、不可采煤层和煤层围岩等均未参与计算。但事实上，褐煤中含有一定量的煤层气，如我国沈北矿区褐煤的气含量Cdaf达6.47cm3/g，美国鲍德河盆地褐煤的气含量（Cdaf）虽只有0.03～2.3cm3/g，由于煤层单层厚度达67 m之巨，因而同样实现了商业性开发；我国褐煤广泛分布，大多煤层厚度都很大，故其中的煤层气资源潜力是不小的；另根据煤矿通风和井下瓦斯抽放实践，在不可采煤层和围岩中的煤层气资源量通常是可采煤层的10%～20%。若将上述3个范畴都包括在内，我国煤层气资源量将会更加巨大。
丰富的资源量为我国煤层气产业的形成和发展提供了雄厚的物质基础和资源保证。
8.3.2 国家能源战略和煤矿安全的需要
随着社会的进步和发展，在21世纪，人们将更加重视可持续发展战略。为实现国民经济持续、快速发展，必须坚持保护和建设生态环境、净化家园，节约和有效地利用能源资源。为此国家将大力推进开发和使用天然气等洁净能源。另外，从国家石油安全战略考虑，必须减少国民经济和人民生活对石油资源的依赖程度，开拓替代能源。我国人均拥有天然气产量不足20 m3，相对发达国家（如英国人均达1300 m3以上）差距很大，天然气消费量在一次能源消费结构中比例小，仅占2%左右，这种局面远远不能适应国民经济的发展和人民生活水平提高的需要。要改变这种被动局面，只靠常规天然气是不能解决问题的，国家在大力加强常规天然气开发的同时，十分重视煤层气这种非常规天然气的开发利用问题。因此，煤层气在未来我国的能源构成中将具有广阔的发展空间。
从煤矿安全生产角度看，煤层气（俗称煤层瓦斯）是煤矿安全生产的最大隐患，常常造成惨重的灾害事故，而且随着矿井的延伸，问题会变得更加严重。在采煤前及采煤过程中，如果从地面预先将煤层气开采出来，就会大大减少矿井瓦斯灾害的隐患；同时还大大降低了采煤过程中甲烷（CH4）这种强烈温室效应气体的排放量，对保护大气环境具有重要作用。
因此，利用地面采气技术开发利用煤层气资源，是解决矿井瓦斯灾害的一条有效途径，特别是对矿井深部，意义更为突出。
8.3.3 国家重视煤层气的开发利用
国家对煤层气资源的开发利用工作十分重视。江泽民总书记为煤层气开发题词：“依靠科技进步，发展煤层气产业，造福人民。”代表了国家和人民对煤层气产业化的殷切期望和高度重视。
1999年，由国土资源部、国家计委等5部委联合下发的《矿产资源储量评审认定办法》文件中，将煤层气与石油、天然气和放射性矿产同样对待，列为由国家统一管理的矿种。自20世纪80年代以来，国家在煤层气管理、产业政策、资源综合利用、价格政策及对外合作勘探开发等方面先后制定并实施了一系列措施和优惠政策（孙茂远，1998），扶持和鼓励煤层气产业的发展。
为了集中各方面的力量，加速我国煤层气资源的开发利用，经国务院批准，于1996年5月组建了中联煤层气有限责任公司。这是一个跨地区、跨行业，集煤层气开采、利用和输送于一体的主干公司，并被授予对外合作进行煤层气勘探、开发和生产的专营权。中联公司的成立，标志着我国煤层气勘探开发已进入了有序发展的全新历史阶段，也为我国煤层气产业的形成和发展提供了强有力的组织保证。
1990年，沈阳市煤气总公司引进美国技术，在辽宁省红阳矿区施工红阳一号煤层气井，进行煤层气资源风险勘探，开创了我国利用现代煤层气技术之先河。此后，国内煤炭、石油、地矿系统各有关单位和中联公司与联合国开发计划署（UNDP）、美国和澳大利亚的有关公司等，在我国各地进行煤层气勘探开发试验工作，先后在柳林、石楼、潘庄及晋城、潘庄及大城建成了6个小型煤层气试验开发井网，均获得工业性气流；由中联公司在枣园地区施工的TL-007 井，单井最高产气量达16000 m3/d。另外，正在建设中的还有新集、淮北、临兴、盘江和丰城等小型试验开发井网。这些小型开发井网起到了试验和示范作用。
小型开发井网显示出在中国利用地面技术开采煤层气的可行性，并积累了大量生产资料和丰富的实践经验，特别是在晋城矿区高变质无烟煤中利用地面垂直井技术采气获得成功，大大拓展了人们的视野。所有这些都为今后大规模工业性开发进行了有效的技术储备。
我国进行地面煤层气勘探开发试验工作已有10余年的历史，但至今仍停留在打勘探井和小型试验开发井网的水平上，未能进入大规模工业性开发利用阶段。究其原因，主要是投入不足和下游工程（特别是输气管道）不配套。美国至1995年底共有6700口煤层气生产井，年产气量达270×108m3；而我国截至1999年底，共打各类煤层气井156口，其中进行过采气试验的井（包括地面垂直井和采动区井）只有99 口；采出的气体全部排空，故煤层气产量为“零”。相比之下，我国煤层气井数量很少，相应的投入就更少。在这种状况下，很难实现煤层气开发利用的实质性突破。
天然气输送管道缺乏是制约我国煤层气发展的重要外部条件。在已有的和正在建设的小型煤层气试验开发井网范围内，除大城地区有地域性的天然气输气管道外，其他地区都没有。这种局面严重地抑制着对煤层气进一步投入和勘探的热情。若能解决煤层气远距离输送的通道问题，必将大大激发人们对煤层气勘探开发投资的热情。
伴随着国家实施西部大开发战略，由塔里木盆地至上海的“西气东输”工程已全面开工。这条长4200 km的输气管道，将经过榆林、长治和淮南等地，这些地区都是煤层气资源条件很好的地区，也是目前我国煤层气勘探开发的热点区域。“西气东输”工程的建设，为相关地区煤层气开发利用提供了一个大发展的良好契机。
8.3.4 开发前景评价
在对各主要地区分别评价和全国总体认识的基础上，按照分层次、分阶段和综合评价的原则，以煤层发育富集程度、煤层气资源量规模、地理位置及市场条件、煤层气勘探开发程度为依据，以含气带为单位，对于开发前景进行了分类评价。
Ⅰ类：指资源条件和经济地理位置俱佳，目前煤层气勘探效果显著，作为优先开发的含气带。此类含气带有沁水、鄂尔多斯盆地东缘、渭北、徐淮和淮南等5个含气带。这5个含气带的煤层气资源量为8.90×1012m3，占全国总资源量的28.29%。
Ⅱ类：指资源量丰富，但地区经济发展相对滞后，或地形条件不利，煤层气勘探工作很少，或煤层气勘探工作尚未开展的含气带，可作为长远规划考虑。这类含气带包括华蓥山、川南、黔北、六盘水、吐-哈、准噶尔南和伊犁等6个含气带。这6个含气带的煤层气资源量为6.81×1012m3，占全国总资源量的21.65%。
Ⅲ类：指资源条件一般，但经济地理位置优势明显，市场需求旺盛，煤层气勘探具有一定基础，煤层气开发利用已取得一定成效的含气带，可根据需要和可能性开展工作。这类含气带包括三江-穆棱河、浑江-辽阳、抚顺、辽西、京唐、冀中平原、豫西、萍乐、湘中、黄陇、鄂尔多斯盆地北部、鄂尔多斯盆地西部、桌-贺和准噶尔东14个含气带。这14个含气带的煤层气资源量为10.60×1012m3，占全国煤层气总资源量的37.73%。
Ⅳ类：为上述各类以外的含气带，资源条件和外部条件较差，在当前技术经济条件下可暂不考虑开发利用其煤层气资源。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类含气带中，优选出沁水盆地北部的阳泉-寿阳地区、沁水盆地南部地区、鄂尔多斯盆地东缘、渭北煤田东段、铁法盆地、大城地区、淮北矿区、淮南矿区、丰城矿区和盘江矿区等有利区块，作为煤层气地面开发的重点工作对象。
建议进一步阅读
1.程裕淇主编.1994.中国区域地质概论.北京：地质出版社
2.赵庆波.2004.中国煤层气地质特征及其勘探新领域.天然气工业，24（5）：4～8
3.朱杰，车长波等.2006.我国煤层气产业发展趋势预测.中国矿业，15（11）：5～8
4.张新民等.2002.中国煤层气地质与资源评价.北京：科学出版社，65～137、202～219、224～276