我國煤層氣儲(chǔ)層研究的系統(tǒng)評述

我國煤層氣儲(chǔ)層研究的系統(tǒng)評述

煤層（或煤層甲烷）是指與煤相同的碳?xì)浠衔铮约淄闉橹饕煞?，主要以吸附狀態(tài)在煤層中，并從地面收集必要的天然氣。它是一種潔凈的氣態(tài)燃料和化工原料,在我國的開發(fā)程度較低。煤層氣的排采利用除去了煤層中的瓦斯氣體,可減少煤礦開采中的災(zāi)害,減少因甲烷向大氣中排放而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)所造成的環(huán)境污染,是變害為寶的新型能源礦種。據(jù)初步預(yù)測,我國煤層氣資源量為(30~35)×1012m3,幾乎相當(dāng)于我國天然氣的遠(yuǎn)景資源量;而在煤層埋深為300~1500m范圍內(nèi)煤層氣總資源量約為25×1012m3,具有很大的開發(fā)、利用潛力。我國煤層氣勘探起步較晚,目前正處于地質(zhì)選區(qū)及早期探采試驗(yàn)階段,開始由預(yù)探評價(jià)向區(qū)域勘探過渡。截止1999年10月底,全國累積實(shí)施煤層氣鉆井157口①,主要分布在華北區(qū)、東北區(qū)和南方區(qū),尤以華北區(qū)為多,而西北區(qū)較少,滇藏區(qū)尚無煤層氣探井。由于在引進(jìn)美國開發(fā)煤層氣經(jīng)驗(yàn)的初始階段未能認(rèn)真比較中國和美國煤層氣地質(zhì)條件的差異,對煤層氣成藏的控制因素、儲(chǔ)層分布和預(yù)測、選區(qū)及目標(biāo)評價(jià)研究還不夠深入,加之勘探工藝技術(shù)跟不上,致使煤層氣探井的成功率低,未能形成規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)開發(fā)。歸根結(jié)底,煤層氣是聚集在煤儲(chǔ)層之中的非常規(guī)天然氣,故加強(qiáng)煤層氣儲(chǔ)層研究,對這種自生、自儲(chǔ)型的非常規(guī)天然氣展開攻關(guān)已勢在必行。筆者試圖在整理大量文獻(xiàn)、資料的基礎(chǔ)上,綜述我國煤層氣儲(chǔ)層的研究現(xiàn)狀,并對其在21世紀(jì)初葉的發(fā)展趨勢做一初步展望。1成熟、先進(jìn)的煤礦地質(zhì)理論、方法和技術(shù)的引進(jìn)和借鑒對于煤層氣儲(chǔ)層研究,國外以美國為代表已形成一套較為成熟的、先進(jìn)的煤層氣地質(zhì)理論、方法和技術(shù)。在預(yù)測評價(jià)階段,這些理論、方法和技術(shù)的引進(jìn)和借鑒曾很好地推動(dòng)了我國煤層氣勘探工作的發(fā)展。具體表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面。1.1氣-水-井的地層儲(chǔ)層特性評價(jià)研究參照國外煤層氣儲(chǔ)層研究理論和方法,國內(nèi)強(qiáng)調(diào)煤層氣儲(chǔ)層宏觀、微觀特征相結(jié)合的研究,提出采用煤層氣地質(zhì)學(xué)與儲(chǔ)層工程相結(jié)合、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)研究相結(jié)合的方法,根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)和研究內(nèi)容,分基礎(chǔ)地質(zhì)、煤巖學(xué)、吸附儲(chǔ)集、儲(chǔ)層物性及流體(水)等5個(gè)特征描述煤層氣儲(chǔ)層的基本特征,其中吸附儲(chǔ)集和儲(chǔ)層物性特征是模型的核心。其最終目的是提供定量化的儲(chǔ)層地質(zhì)模型,并計(jì)算煤層氣的地質(zhì)儲(chǔ)量。蘇伏義提出了進(jìn)行煤層氣儲(chǔ)層評價(jià)所需的參數(shù)及其組合,主要包括:①煤層氣儲(chǔ)層賦存狀態(tài)及煤巖參數(shù);②煤層氣儲(chǔ)集特征參數(shù);③煤層氣儲(chǔ)層物性參數(shù);④流體特征參數(shù);⑤生產(chǎn)排采參數(shù)。將其進(jìn)一步組合為煤層展布特征參數(shù)、煤巖煤質(zhì)特征參數(shù)、儲(chǔ)層物性參數(shù)、儲(chǔ)層吸附儲(chǔ)集特征參數(shù)、儲(chǔ)層流體特征參數(shù)、儲(chǔ)層物理特征參數(shù)、儲(chǔ)層排采生產(chǎn)參數(shù)共7大類49項(xiàng)參數(shù),并依據(jù)煤巖參數(shù)、儲(chǔ)層條件及儲(chǔ)集特性參數(shù)、物性參數(shù)等3大類12項(xiàng)參數(shù)的特征提出了煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。上述參數(shù)通常由地質(zhì)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室測試、試井、測井和排采實(shí)驗(yàn)等方法確定。我國現(xiàn)已研制開發(fā)了進(jìn)行煤儲(chǔ)層標(biāo)定和評價(jià)的測井技術(shù)系列和相應(yīng)的計(jì)算處理程序。目前,測井被認(rèn)為是最具前途的一種手段,一旦用煤芯數(shù)據(jù)標(biāo)定了測井記錄數(shù)據(jù),技術(shù)人員就可以單獨(dú)使用測井記錄數(shù)據(jù)精確估計(jì)補(bǔ)充井的儲(chǔ)層特性。現(xiàn)在,測井資料已用來精確確定煤層厚度和煤的工業(yè)分析值,估算煤層氣含量和滲透率,幫助確定吸附等溫曲線的精度。結(jié)合評價(jià)選區(qū)(或盆地)對我國煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)集特征進(jìn)行了初步研究。孫斌等從煤的吸附性、物性、含氣性、煤層埋深與煤儲(chǔ)層物性4方面討論了我國煤對煤層氣儲(chǔ)集性能的影響。葉建平等利用90年代以來全國煤層氣鉆井的大部分試井滲透率資料,客觀地評價(jià)了我國主要煤層氣聚集區(qū)(帶)煤儲(chǔ)層滲透性的狀況,研究了中國煤層滲透率的主要影響因素。楊起等通過對華北和美國煤層氣地質(zhì)條件的對比,基于華北煤變質(zhì)特點(diǎn),指出區(qū)域巖漿熱變質(zhì)有利于提高煤層氣含量和滲透率,并對其作用機(jī)理進(jìn)行了初步探討。此外,在運(yùn)用構(gòu)造應(yīng)力分析預(yù)測煤層裂隙、煤儲(chǔ)層孔隙—裂隙特征等方面也取得了一些成果。煤層氣儲(chǔ)層模擬技術(shù)正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。煤層氣儲(chǔ)層模擬技術(shù)主要可用于預(yù)測煤層氣井的產(chǎn)量,提供煤層氣開發(fā)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),通過歷史擬合重新描述煤儲(chǔ)層,確定最終的經(jīng)濟(jì)采收率,發(fā)現(xiàn)和診斷煤層氣井在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題。目前美國已擁有比較成熟的具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的煤層氣儲(chǔ)層模擬軟件。我國煤炭科學(xué)研究院西安分院、原新星石油公司華北石油局、北京石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院、中國煤田地質(zhì)總局第一勘探局煤層氣研究所等單位先后從美國引進(jìn)了COMETPC-3D、COALGAS、COMET2三種儲(chǔ)層模擬軟件,并應(yīng)用于煤層氣勘探開發(fā)的生產(chǎn)和科研之中,取得了良好的效果?？傮w來看,原新星石油公司華北石油局和北京石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院由于介入早,地域優(yōu)和對外合作多,相對具有整體領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。中聯(lián)煤層氣公司、中國煤田地質(zhì)局、中國地質(zhì)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究院西安分院及中國礦業(yè)大學(xué)等有關(guān)科研院所、高校和生產(chǎn)單位也進(jìn)行了許多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。1.2采空氣氣資源分區(qū)我國現(xiàn)已初步查明了國內(nèi)煤層氣資源及其分布狀況。張新民等根據(jù)煤層甲烷的生成及賦存條件,結(jié)合瓦斯突出程度對我國主要含煤區(qū)作了系統(tǒng)評價(jià)。以構(gòu)造區(qū)劃分為基礎(chǔ),參考經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素,可將我國煤層氣資源分為5個(gè)區(qū):華北區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)、南方區(qū)和滇藏區(qū)。以前兩者為最主要,其中華北區(qū)煤層氣資源量占全國煤層氣資源總量的57%,西北區(qū)占33%,華南區(qū)占8%,東北區(qū)占2%。按資源區(qū)劃分以華北區(qū)為最好,按成煤期劃分以石炭紀(jì)—二疊紀(jì)(C—P)和早—中侏羅世(J1-2)為最好。大于1萬億m3的煤層氣區(qū)有7個(gè),即鄂爾多斯盆地、沁水盆地、豫西—豫東含煤區(qū)、吐哈盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、三塘湖盆地及滇黔桂(含川南)地區(qū)(六盤水含煤區(qū))。通過借鑒國外經(jīng)驗(yàn),不少的學(xué)者和專家提出了對選區(qū)評價(jià)的認(rèn)識和看法,提出了大區(qū)評價(jià)和目標(biāo)評價(jià)的主要參考原則,但尚無一個(gè)普遍認(rèn)可的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。他們對煤層氣賦存和產(chǎn)出的主要地質(zhì)控制因素進(jìn)行了較深入的研究,總結(jié)提出了我國煤層氣評價(jià)選區(qū)的思路、程序和方法?；镜乃悸肥峭ㄟ^對含煤區(qū)的地質(zhì)背景、煤層特征、煤資源量、煤層含氣性、煤層氣資源量、煤層氣飽和度、煤儲(chǔ)層滲透率等的研究,尋找煤層氣的高富集區(qū)和高滲區(qū)。目前,已在河?xùn)|煤田的柳林地區(qū)、沁水盆地的晉城和潘莊地區(qū)、陜西吳堡、河北大城、安徽淮南、淮北等試驗(yàn)區(qū)獲得了突破,并發(fā)現(xiàn)了我國第一個(gè)大型煤層氣田——沁水煤層氣大氣田。1.3氣-水-氣-環(huán)的地層實(shí)驗(yàn)研究煤儲(chǔ)層孔隙—裂隙系統(tǒng)是煤儲(chǔ)層研究的主要內(nèi)容之一,適用于煤儲(chǔ)層滲透性評估。國外在這方面已取得突破性進(jìn)展,我國煤儲(chǔ)層孔隙—裂隙系統(tǒng)的研究正在展開,采用的幾種方法各有所長。目前實(shí)際可用的方法均基于煤巖學(xué)分析,依據(jù)實(shí)際觀測研究,獲取早期預(yù)測信息。許多學(xué)者強(qiáng)調(diào)在露頭、煤芯及礦井中煤儲(chǔ)層孔隙—裂隙系統(tǒng)的宏觀研究和室內(nèi)的微觀有機(jī)巖石學(xué)研究、孔隙—裂隙微區(qū)研究相結(jié)合的重要性,這有助于查明孔隙—裂隙系統(tǒng)的類型、分布、展布方向、幾何形態(tài)、組合關(guān)系、連通性、開放性及其對煤儲(chǔ)層吸、脫附特性和滲透率的影響。煤層氣儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)技術(shù)是煤層氣勘探開發(fā)試驗(yàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。原新星石油公司華北石油局和北京石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院等單位通過引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù),結(jié)合自行改造和研制,建立了煤層氣實(shí)驗(yàn)室,初步掌握了煤層氣實(shí)驗(yàn)技術(shù),其中包括煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)(煤層含氣量、煤巖吸附等溫線、煤巖滲透率及氣水相對滲透率、煤巖孔隙度及孔隙結(jié)構(gòu))的實(shí)驗(yàn)測試、測井和試井分析技術(shù)等,并引進(jìn)了IS-100型等溫吸附儀、CTDCA-1000型恒溫野外含氣量測試儀、巖芯流動(dòng)測試系統(tǒng)、HP5890氣相色譜儀等煤層氣儲(chǔ)層研究儀器,目前可以全面開展煤儲(chǔ)層含氣量、等溫吸附曲線、物性參數(shù)的測定,煤的工業(yè)分析及平衡水分測試、煤層特征(煤層顯微組分、煤鏡質(zhì)組反射率等)的測試,可對煤芯樣品進(jìn)行含氣量、突破壓力、相滲透率、物性參數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、δ(13C1)等幾十項(xiàng)參數(shù)的測定。綜上所述,目前我國已基本掌握了煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征研究和地質(zhì)評價(jià)選區(qū)技術(shù)、煤層氣儲(chǔ)層工程技術(shù)和儲(chǔ)層模擬軟件系統(tǒng),煤層氣儲(chǔ)層研究和煤層氣勘探有所突破,這將為今后開拓煤層氣能源新領(lǐng)域,建立我國煤層氣工業(yè)打下基礎(chǔ)。但適合于我國煤層氣地質(zhì)特征的地質(zhì)理論尚屬探索階段,勘探開發(fā)技術(shù)的掌握尚不全面、完整,所取得的勘探成果是局部的、試驗(yàn)性的,還有大量深層次的科學(xué)技術(shù)問題急待解決。2國內(nèi)平臺(tái)推行煤儲(chǔ)層觀測的必要性我國煤層的地質(zhì)條件從沉積到構(gòu)造以及煤的演化與美國相比均存在很大差異,特別是我國煤層氣儲(chǔ)層的構(gòu)造復(fù)雜,煤層多強(qiáng)烈變形,煤層結(jié)構(gòu)常呈碎粒狀及糜棱狀等,煤儲(chǔ)層多為貧煤和無煙煤,儲(chǔ)層物性呈“三低一高”(煤層壓力較低、煤層滲透率低、在水壓裂等強(qiáng)化措施下形成的常規(guī)破裂裂縫所占比例低,煤層普遍具有較高的吸附力)的特點(diǎn),且變質(zhì)程度偏高,高煤級煤(貧煤—無煙煤)占49%,更具特殊性和“中國特色”。由于上述特點(diǎn)造成煤層氣勘探開發(fā)的難度較大,加上起步較晚,基礎(chǔ)理論研究滯后,導(dǎo)致當(dāng)前我國煤層氣儲(chǔ)層研究尚存在如下一些急待解決的科技問題和難點(diǎn)。(1)國內(nèi)外尚無公認(rèn)的煤層氣儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)沒有一個(gè)國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(僅由原地礦部參照天然氣儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)擬定了一個(gè)暫行規(guī)定,已遠(yuǎn)不能適應(yīng)勘探生產(chǎn)的實(shí)際和形勢發(fā)展的要求)。國家尚未出臺(tái)有關(guān)煤層氣儲(chǔ)量和資源量評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),但據(jù)悉在2000年上半年國土資源部儲(chǔ)量司已委托中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司起草《煤層氣儲(chǔ)量規(guī)范(征求意見稿)》。(2)煤儲(chǔ)層有機(jī)巖石學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)研究及利用其對富氣、高滲優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布進(jìn)行預(yù)測,有效、經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的地應(yīng)力測定技術(shù)的研究,將層序地層學(xué)、測井沉積學(xué)理論和方法用于煤儲(chǔ)層特征研究及煤儲(chǔ)層評價(jià)、分布和預(yù)測才剛剛開始,僅見個(gè)別報(bào)道。(3)煤層氣儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)技術(shù)是煤層氣勘探開發(fā)試驗(yàn)的難點(diǎn)。目前的測試方法和測試儀器大多是從美國的不同公司引進(jìn)的,因此煤儲(chǔ)層中各項(xiàng)物性參數(shù),特別是噸煤的煤層氣含量和煤層滲透率等測定的儀器和方法不盡統(tǒng)一,缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)一規(guī)程和對比標(biāo)準(zhǔn),影響了煤層氣開發(fā)評價(jià)和資料共享。煤儲(chǔ)層參數(shù)的各種獲取手段和方法各有局限性,當(dāng)前還處于探索之中。(4)孔隙—裂隙系統(tǒng)的特征及其開放性、連通性研究是煤儲(chǔ)層特性研究的重要內(nèi)容,但目前大多只是從某個(gè)側(cè)面或角度進(jìn)行研究,缺乏將其宏觀、微觀特征及盆地構(gòu)造應(yīng)力場相結(jié)合的綜合研究,對孔隙—裂隙系統(tǒng)開放性描述的難題尚未解決,對孔隙—裂隙充填歷史的重建及充填期的地質(zhì)背景(溫度、壓力等)的研究不夠深入。(5)尚無針對煤儲(chǔ)層特性的微區(qū)研究成果,對煤儲(chǔ)層特征的區(qū)域(盆內(nèi)及盆間)對比、煤儲(chǔ)層孔滲特性及其影響因素的研究還有待深入。(6)我國煤層氣儲(chǔ)層模擬技術(shù)僅處在對國外軟件的初步應(yīng)用階段,煤儲(chǔ)層建模技術(shù)和煤層氣儲(chǔ)層數(shù)據(jù)庫及知識庫的深入研究尚未展開,尚無符合中國煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)的儲(chǔ)層模擬應(yīng)用軟件。(7)將煤層氣儲(chǔ)層物性研究與煤變質(zhì)作用類型、疊加變質(zhì)期次等地質(zhì)條件及沉積有機(jī)相研究相結(jié)合以探討煤的產(chǎn)氣能力、煤儲(chǔ)層分布規(guī)律及橫向預(yù)測問題還有待深入展開。(8)對煤儲(chǔ)層新型測試技術(shù)或研究手段的應(yīng)用還有待展開,如應(yīng)用GIS和GRS尋找煤層氣高滲區(qū)的技術(shù)研究,應(yīng)用有機(jī)地球化學(xué)勘探方法和地球物理方法尋找煤層氣高富集區(qū)和高滲區(qū)的研究等。3加強(qiáng)煤儲(chǔ)層有利油氣勘探方向研究隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,國家對天然氣的需求將逐年增加,2000年我國對天然氣的需求量已達(dá)到400億m3/a,而我國目前探明的天然氣儲(chǔ)量為1.4萬億m3(1.4×1012m3),年產(chǎn)天然氣170億m3。顯然,進(jìn)入21世紀(jì)后,我國必將面臨更為嚴(yán)峻的石油及常規(guī)天然氣緊缺的狀況,必須尋找非常規(guī)天然氣來補(bǔ)充和代替常規(guī)天然氣。展望未來,天然氣將在21世紀(jì)初期(2020年)達(dá)到能源構(gòu)成的頂峰,煤層氣將作為新的能源礦種展現(xiàn)于世界。煤儲(chǔ)層研究一直是近年煤層氣勘探開發(fā)科研和生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié),針對上述煤層氣儲(chǔ)層研究的難點(diǎn)和存在問題展開攻關(guān),可望在下述方面取得進(jìn)展。(1)適用于我國煤田地質(zhì)特點(diǎn)的煤層氣地質(zhì)理論得以完善、形成。與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層相比,煤層氣儲(chǔ)層的縱、橫向變化要大得多,其以陸相、泥炭沼澤相為主,非均質(zhì)性更強(qiáng)。應(yīng)更重視煤儲(chǔ)層“三史”(構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史、沉積史、生烴史)、水文條件及煤層壓力的研究,重視研究煤層氣高產(chǎn)富集的因素和保存條件、煤層氣圈閉類型、構(gòu)造應(yīng)力與煤層氣富集的關(guān)系,以及在變質(zhì)程度較高的含煤區(qū)如何尋找高產(chǎn)富集區(qū)等。(2)將更重視煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價(jià)研究,建立并完善一套煤層氣的選區(qū)、評價(jià)技術(shù)。要研究煤儲(chǔ)層參數(shù)測試方法、評價(jià)技術(shù)及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),不同條件下脫吸附規(guī)律,煤層氣富集成藏條件、成藏模式、成藏類型,煤層氣富集高產(chǎn)因素與綜合評價(jià),煤層氣統(tǒng)一資源量計(jì)算方法、資源量級別的建立等。(3)對煤層氣滲流、儲(chǔ)集和吸附特征這一煤儲(chǔ)層核心問題的研究、將“三場”(地溫場、地壓場、地應(yīng)力場)與油氣成藏的關(guān)系等理論應(yīng)用于煤儲(chǔ)層高滲透富氣機(jī)理的綜合研究將取得突破,從最新的沉積有機(jī)相、層序地層學(xué)及其它新技術(shù)方法等角度進(jìn)行有利煤儲(chǔ)層分布規(guī)律的預(yù)測研究。(4)對影響煤層滲透率的主要因素[孔隙—裂隙系統(tǒng)(包括割理、節(jié)理)的生成、發(fā)育及其在煤層演化過程中的變化規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響等]、煤層氣在煤儲(chǔ)層中吸附、聚集和解吸規(guī)律等基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究、探索。(5)利用煤樣光片、鑄體薄片、超薄切片技術(shù)及透射電鏡、激光共聚焦掃描電鏡等儀器對煤儲(chǔ)層特性進(jìn)行微區(qū)研究,以