我国主要非常规天然气开发地质条件对比分析

陈 立， 马英敏

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

我国主要非常规天然气开发地质条件对比分析

陈 立， 马英敏

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

我国非常规天然气能源以煤层气与页岩气为主，两者储量丰富，有着很大的开发潜力，但受地质条件、技术水平等因素的限制，开采成本较高，潜能未能得到充分发挥。从地质储量、气源成因、储存条件3个方面将两者进行比较，分析了各自的特点及开采前景。

页岩气;煤层气;地质储量;气源成因;储存条件

一直以来，北美地区致力于非常规油气能源的勘探开发，煤层气、页岩气等非常规天然气在美国、加拿大等国已大规模投入生产开发。近年来，随着国际油价的下跌、国内石油可采资源量的减少及日益增长的能源供应需求，国内也掀起了非常规油气的研究热潮。国家统计局发布的最新调查报告标明，2016年上半年，我国非常规天然气产量为96.4亿m3，同比增长104.8%。其中，煤层气所占比例为5.4%，上升了0.3%;页岩气所占比例为6.3%，提高5.5%。

页岩气是天然气的一种，主要源自形成石油碳氢化合物的生油岩，是由藻类与浮游生物等腐泥物质所组成，气体成分有90%以上是甲烷;煤层气指赋存于煤层，以甲烷为主，吸附在煤基质颗粒表面、部分游离于煤孔隙或溶解于煤层水中的烃类气体［1］。

页岩气和煤层气有着共同的优点:作为洁净能源，能在商业化生产下产生巨大的经济效益，能够成为国家的战略储备资源，更能为国家绿色能源发展目标的实现助力。

全球非常规天然气资源丰富，约为4 000万亿m3，是常规天然气储藏量的8.3倍，这些资源主要分布在美国、俄罗斯、加拿大、中国、拉美等地区。而我国非常规天然气资源总量是常规天然气资源量的5.01倍，分布在鄂尔多斯、四川、松辽、渤海湾、柴达木及准格尔等10余个盆地。我国非常规天然气总资源量达190万亿m3，煤层气与页岩气的储量数据如表1所示。其中，煤层气储藏量位居世界第三，而页岩气可采储量与美国持平。更加难得的是，非常规天然气产区靠近销售市场，在我国的中部盆地以及包括珠三角、长三角在内的南方区域这些能源消费集中的地区均有分布。

表1 我国非常规天然气资源统计表

我国煤层气的勘探开发始于20世纪90年代初，在沁水南部、鄂尔多斯东缘等地区煤层气探井获得稳定产量。我国煤层气8个主要盆地资源量约为26万亿m3，占总资源量的70%，地下埋藏深度＜1 000 m的煤层气储藏量约为14.27万亿m3，这一深度范围是目前我国煤层气开采的主要来源。地下煤层在不同埋藏深度对应着不同的演化阶段，相应煤阶对应的煤层气资源量如第64页表2所示。

美国和加拿大作为世界上最早进行页岩气地质勘探与开采的国家，到现在早已进入大规模工业生产阶段，发展迅猛。而我国页岩气勘探开发才刚刚起步。2005年以来，我国油气工作者以北美生产经验技术为参考，陆续开展了我国对页岩气非常规资源的地质条件评价和勘探开发小型先导性试验。到目前为止，已完成了初步地质勘探，获得储量数据，并进行了一系列的勘探开发生产实践，继北美之后成为全球率先开发页岩气的国家之一。

我国目前使用的页岩气资源量计算多样，包括地质类比分析法、含气率法等，估算结果表明，我国主要盆地和地区的页岩气可采资源量范围为(15～30)×1012m3，中值23.5×1012m3，与美国的28.3× 1012m3大致相当［2］。

我国三大地区(南方古生界页岩、塔里木盆地寒武卡奥陶系页岩、华北地区下古生界页岩)海相页岩页岩气资源潜力21万亿m3，占总资源的70%，五大盆地(准格尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地、渤海湾盆地)湖相页岩也可能存在页岩气。

表2 不同煤阶煤层气资源分布

煤是一种有机物含量超过50%的沉积岩石，而页岩中有机物含量则不足50%。天然气主要成分甲烷是有机质在沉积过程中发生转化时形成的。煤层气和页岩气主要成因都包括细菌作用(生物成因)和地球化学作用(热成因)。

2.1 煤层气成因

煤炭源于陆生高等植物，煤主要是由碳水化合物和木质素等有机物组成，而这些有机物在地层中沉积下来，固结成岩，并在温度和压力作用下发生泥炭化和煤化作用，最终形成煤炭。煤的演化过程如图1所示。泥炭化阶段(成岩期前)，有机质在温度低于50℃，并且氧气充足的条件下，因细菌催化而生成少量的甲烷及二氧化碳。生成的气体往往以水溶态或游离态存在，并逐渐逸散消失;成岩作用后，有机质进入褐煤阶段，此阶段的干酪根还未成熟，地层温度约为50℃，镜质体反射率Ro约为0.5%，此时的有机质已经开始发生热降解，程度逐渐加深，而生物化学作用逐步减弱，产物主要为甲烷气体及其他轻质组分;烟煤阶段产物按照演化程度的不同主要包括长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤几类。这几类产物都属煤化作用中的低 ～中变质阶段，Ro= 0.5%～2.0%。此时的干酪根已经成熟，并进入生油门限，对应条件下的有机质埋藏深度范围为1 000 m～4 500 m，地层温度范围为50℃ ～150℃。有机质经过热降解后，产生重烃、轻烃、甲烷及其他挥发物。煤化作用后期是高变质阶段，这一阶段的产物主要包括贫煤与无烟煤，Ro＞2.0%，此阶段干酪根处于过成熟阶段，地层温度＞150℃，埋藏深度＞4 500 m，热降解产物主要是甲烷，也就是煤层气的主要成分。

图1 成煤过程示意图

2.2 页岩气成因

页岩作为一种富含有机质的岩石，一开始被认为只是相关地质结构的砂岩层中夹有的生油岩或是储集岩。页岩由泥土颗粒沉积压实而来。粒度较小的沉积物颗粒在深水、滩涂等低能沉积环境中逐渐沉降下来，在上覆岩层重力作用下不断压实，埋深随之增加。沉积物中就包含了藻类、植物、动物残骸等有机质来源。页岩气作为天然气的一种，主要由上述腐泥物质所组成。页岩气形成于泥质烃源岩，自生自储。有机质含量较高的泥质烃源岩中生成气体后，气体吸附于其余有机质(干酪根等)、地层矿物的表面或溶解其中，气体的吸附、溶解量随有机质成熟度的升高而增大。但当热演化进一步加深，即镜质体反射率Ro＞2%时，气体的吸附、溶解体积反而随演化程度的加深而减弱。因此，页岩气生成与储存需如下几个条件:含有充足生油气有机质的泥质烃源岩;页岩层处于恰当的热成熟度阶段;页岩层结构有利于生成的天然气的储存。煤层气成藏于煤系高炭泥质烃源岩及煤层自身成气赋存。

对于页岩气来说，有机质演化的温度为10℃～60℃，Ro≤0.4%;热成因型页岩气生成有利的Ro范围是1.1%～3.0%;煤层气的生成温度一般小于50℃，Ro≤0.3%，而后期热成因型煤层气生成有利的Ro范围为0.8%～3.8%。第65页图2为煤层气与页岩气演化阶段对比分析。

图2 煤层气与页岩气演化阶段对比

天然气在地层中的储存受多种机理的控制，主要包括有机物表面的吸附气、孔隙中的游离气和溶解气。一般认为，几乎所有的煤层气都是吸附态，而页岩气则是吸附态和游离态的组合。

3.1 储层与圈闭

常规天然气的储存条件中要求生气层上部有致密盖层，从而能够防止气体向上发散逸出，在煤层气储藏中也是一样。良好的盖层能将不同煤系地层分隔开来，形成相互独立的系统，使煤层气体能够长期吸附保存在煤层中，尽量避免吸附气转变为溶解气和游离气而逸出［3］;煤层气的储存一是需要致密的盖层，二是需要封闭性能良好的煤层底板。厚度大、面积广和封闭性能佳的盖层和煤层底板极大地保障了煤层气的聚集成藏。

页岩气的储存和煤层气不同，因为页岩的渗透率通常极低，一般为纳米毫达西级别，因此，页岩同样也是源藏合一类岩层，不要求其他岩性盖层的存在。

除了生储盖组合外，常规天然气藏的成藏还要求有效的圈闭，圈闭能阻止油气继续运移并能将油气资源在其中聚集。煤层气和页岩气由于其自身的物理特性，都为自生自储式气藏，生成的天然气在岩层内部就可以很好的贮存，因此不需要完善的圈闭条件的支持。生气源岩所覆盖面积近似等于气藏覆盖面积［4－5］。

3.2 气体流动

煤层气藏中的正交裂缝称为裂隙，裂隙与煤层垂直，为地层流体提供了流动通道。煤层气从岩石骨架中解吸，经过裂隙流至井筒;页岩气则是通过与页岩互层的粉砂层(渗透率高于页岩骨架)、天然裂缝或者直接从页岩骨架内部流动。有时候地层中的天然裂缝被次生矿物填充而闭合，则需通过水力压裂重新打开流动通道。

3.3 储层评价

在煤层气藏中，储量控制的主要影响因素有:煤层厚度、煤层有机质组成、气体组成、气体浓度等。煤层的有机质组成在很大程度上影响着煤层对天然气的吸附量。气体浓度在气藏中的变化范围较广，气体浓度及气体组分是由煤层有机质组成、地层温度、地层沉积历史决定。煤层气组分中约90%以上都是甲烷，其他还含有少量二氧化碳、氮气、液态烃等［6］。

页岩气储量的控制因素和煤层气类似，但页岩气储层一般比煤层气略厚，约10 m～30 m，吸附气浓度低，游离气浓度高。页岩气储层渗透率一般低于煤层气，煤层气储层渗透率一般为几个毫达西到几十毫达西之间，而页岩气储层渗透率则是纳米毫达西的级别。因此，页岩气开采过程中，需要较长的裸眼完井段，并采用水力压裂的方法增大地层渗透率。

目前，随着环保理念的深入人心，我国对清洁能源的需求量不断上涨，天然气使用缺口也日益明显。据估计，到2020年天然气产量约2 020亿 m3～2 500亿m3，其中，非常规天然气产量有望达到620亿m3～1 100亿m3，占总产量的30% ～40%。其中，煤层气产量150亿m3～200亿m3，页岩气产量120亿m3～600亿m3。中国非常规天然气资源丰富，随着近年来中外企业的技术合作及政府扶持政策的不断强化，非常规气藏开采水平不断提高，将促进非常规天然气的快速发展。

1)我国非常规天然气储量丰富，居世界前列。气藏分布地区广泛，且产地与能源需求地靠近。但因地质条件、生产技术水平等因素的影响，非常规气藏，尤其是页岩气的勘探开发仍处于探索阶段，尚未实现大规模工业开采，潜力巨大。

2)煤层气与页岩气的成因都包括生物成因与热成因。两者在整个演化过程中都有天然气生成，其中，页岩气生物成因型天然气有机质演化的温度为10℃～60℃，Ro≤0.4%;热成因型页岩气生成有利的Ro范围是1.1%～3.0%;煤层气的生成温度一般小于50℃，Ro≤0.3%，而后期热成因型煤层气生成有利的Ro范围为0.8%～3.8%。

3)区别于常规气藏，两者都属于自生自储式气藏，气体主要以吸附态和游离态贮存于岩层之中。两者都不需要独立的圈闭即可有效成藏，但煤层气需要封闭性能良好的盖层和煤层底板，页岩气则不需要。

4)目前，洁净的天然气能源需求量逐年升高，在科技进步和政府政策扶持下，我国非常规天然气发展前景广阔。

［1］邵珠福，钟建华，于艳玲，等.从成藏条件和成藏机理对比非常规页岩气和煤层气［J］.特种油气藏，2012 (4):21－24，152.

［2］Curtis J B.Fractured shale－gas system［J］.AAPG Bulletin，2002，86(11):1921－1938.

［3］褚会丽，檀朝东，宋健.天然气、煤层气、页岩气成藏特征及成藏机理对比［J］.中国石油和化工，2010(9):44－45.

［4］孟召平，田永东，李国富.煤层气开发地质学理论与方法［M］.北京:科学出版社，2010.

［5］孟召平，刘翠丽，纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析［J］.煤炭学报，2013，38(5):728－736.

［6］琚宜文，李清光，颜志丰，等.煤层气成因类型及其地球化学研究进展［J］.煤炭学报，2014，39(5):806－815.

Comparison analysis of geological conditions of major unconventional natural gas development in China

CHEN Li，MA Yingmin

(Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu 225127，China)

Unconventional gas resources in China mainly consists of coalbed methane and shale gas.Both of them have rich reserves locally，and have great potential for development.But limited by factors as geological conditions，recovery technology and so on，the development costs too much，therefore the potential cannot be fully developed.In this paper，these two types of natural gas resources are compared from three aspects:geological reserves，gas genesis and storage conditions，and their characteristics and exploitation prospects are analyzed.

coalbed methane;shale gas;geological reserves;gas genesis;storage conditions

TE122

A

1004－7050(2016)06－0063－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.19

2016－10－08

陈 立，女，1988年出生，2013年毕业于中国石油大学(华东)，硕士研究生，助教，现从事石油工程技术专业教学工作。