張 懿,朱光輝,鄭求根,張新寶,胡 琴

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院,北京 100083；2. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100016;3. 西安石油大學(xué) 期刊中心,西安 710065)

0 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，與煤伴生、共生，是一種重要的非常規(guī)天然氣。煤層氣燃燒幾乎不產(chǎn)生任何廢氣,是潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料,用途十分廣泛,不但可直接供給城鄉(xiāng)居民生活用氣,也可用于天然氣發(fā)電及生產(chǎn)各種日常生活、生產(chǎn)用品。煤層氣的有序、有效開采,既可為煤炭安全采掘提供保障,減少甚至完全消除“瓦斯”爆炸,也是實(shí)現(xiàn)能源“清潔化、低碳化”的最現(xiàn)實(shí)選擇,更是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉目標(biāo)的有效途徑。我國制定了《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》,意在將煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為重要的新興能源產(chǎn)業(yè)。

中國于1983年開始以山西沁水盆地為靶區(qū)研究煤層氣資源,認(rèn)為該盆地具有良好的煤層氣勘探前景。20世紀(jì)80年代中后期,在沁水盆地選址并鉆探了陽-1井,獲得工業(yè)氣流。這是中國在煤層氣勘探開發(fā)上的歷史性突破,也是煤層氣發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑[1-3]。30年來,特別是近10年來,得益于國家政策扶持和石油公司的努力,煤層氣產(chǎn)業(yè)取得了一些進(jìn)步,目前少數(shù)盆地已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段[4-5]。由于我國煤層氣勘探開發(fā)起步晚,資金及人力資源投入相比常規(guī)油氣要少得多,有關(guān)煤層氣的一些科學(xué)問題如煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)問題、富集高產(chǎn)主控因素問題、資源潛力及分布規(guī)律與分布特征問題以及勘探開發(fā)方向問題等依然沒有很好地解決。該文在對(duì)全國煤層氣區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,從時(shí)-空-地三維角度較為系統(tǒng)地總結(jié)了中國煤層氣資源時(shí)域性、地域性等富集分布特點(diǎn),并對(duì)煤層氣勘探研究提出了建議,以期起到拋磚引玉的作用。

1 大地構(gòu)造演化控制煤層氣資源分布

聚煤盆地的形成演化受大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。任何一個(gè)盆地是否能夠進(jìn)入成煤期并成為聚煤盆地,均受控于“三古”即古植物、古氣候及古構(gòu)造條件。在古氣候、古植物條件適宜的情況下,大地構(gòu)造演化與沉積充填過程就成了聚煤作用的主控因素。成煤前、成煤中及成煤后的各個(gè)構(gòu)造演化階段對(duì)煤層氣的生成、聚集與保存均有極大影響,也控制了煤層氣生成和聚集的空間展布[6]。

中國發(fā)育有五大煤層氣氣區(qū)(華北、西北、南方、東北和滇藏氣區(qū))。煤及煤層氣的生成、發(fā)育、聚集、保存與破壞都受控于大地構(gòu)造背景及區(qū)域沉積環(huán)境等地質(zhì)因素。大型構(gòu)造帶的分布與煤和煤層氣區(qū)的分布具有很大的相關(guān)性,在一定程度上具有因果關(guān)系。賀蘭山—六盤山—龍門山構(gòu)造帶、昆侖山—秦嶺—大別山構(gòu)造帶、天山—陰山構(gòu)造帶和興安嶺—太行山構(gòu)造帶基本控制了五大氣區(qū)的發(fā)育與分布。包括晉、魯、豫、冀、皖、遼、寧及蒙在內(nèi)的華北氣區(qū)發(fā)育于賀蘭山構(gòu)造帶東側(cè)、秦嶺構(gòu)造帶北側(cè)及陰山構(gòu)造帶以南；西北氣區(qū)(包括新、甘、青、寧及蒙西地區(qū))則分布于賀蘭山—六盤山構(gòu)造帶以西、昆侖山—秦嶺構(gòu)造帶以北；松遼盆地、大興安嶺西側(cè)及陰山構(gòu)造帶北側(cè)為東北煤層氣主要分布區(qū),包括蒙東部及遼、吉、黑三??；包括云、黔、川、湘、鄂、贛、粵、閩、浙及皖南在內(nèi)的南方煤層氣區(qū)主要分布于秦嶺—大別山以南及龍門山—大雪山—哀牢山以東。三疊紀(jì)—早侏羅世期間的印支運(yùn)動(dòng)、侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)期間的燕山運(yùn)動(dòng)及新生代以來的喜山運(yùn)動(dòng)對(duì)聚煤盆地煤層氣氣藏的形成與改造作用強(qiáng)烈,不利于煤層氣資源的富集與保存[6]。

2 煤層氣資源分布特征

中國已開展多次煤層氣資源評(píng)價(jià)工作[7]。據(jù)最新一輪(2016年)“中國石油第4次全國油氣資源評(píng)價(jià)”結(jié)果,埋深在2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為30.05×1012m3,可采資源量為12.51×1012m3[8]。中國大地構(gòu)造演化的規(guī)律性使得其煤層氣的發(fā)育與分布也有明顯的時(shí)空規(guī)律性和特點(diǎn)。

2.1 地理分布特征

2.1.1 華北氣區(qū)地質(zhì)資源量及產(chǎn)量位居全國首位

華北、西北、南方、東北和滇藏地區(qū)是中國五大煤層氣氣區(qū),各氣區(qū)地質(zhì)資源量及全國占比如圖1所示。煤層氣資源最為豐富、煤層氣勘探開發(fā)最活躍、產(chǎn)量最多的是華北氣區(qū),其地質(zhì)資源量達(dá)13.90×1012m3,占全國的46.25%。煤層氣勘探開發(fā)前景好的區(qū)塊多位于華北氣區(qū),且已形成了2個(gè)1 000×108m3儲(chǔ)量的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地。

圖1 中國五大氣區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量及占比圖Fig.1 Map of coalbed methane geological resources and their proportionof five gas area in China

西北氣區(qū)排名第二,其煤層氣地質(zhì)資源量為7.76×1012m3,占全國的25.82%。該區(qū)含氣層厚度較大,孔滲條件好,豐度高,已建成了白楊河—阜康煤層氣示范區(qū)。

南方氣區(qū)地質(zhì)資源量為5.46×1012m3,占全國的18.17%。該氣區(qū)晚二疊世含氣層總厚度大,含氣量高,層數(shù)多,有望成為煤層氣產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的重要接替區(qū)。

東北氣區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量為2.90×1012m3,占全國的9.65%。該區(qū)煤與煤層氣勘探研究基礎(chǔ)較好,也是煤層氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略地區(qū)。

2.1.2 北有山西,南有貴州

山西省煤層氣資源分布特點(diǎn)：1)分布廣泛且呈帶狀分布；2)含煤層氣面積大(5.7×104km2),占全省國土面積的36.3%；3)煤層氣資源量占比靠前的地區(qū)有大同、陽泉、太原、呂梁、長(zhǎng)治和晉城等；4)煤層氣主要分布在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣及寧武等盆地。山西省煤層氣探明儲(chǔ)量不斷增加,2021年2月,在呂梁臨興區(qū)塊探明超1 000×108m3大氣田。截止2020年,全省已探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量1.06×1012m3,約占全國的90%。

近10年來,中國煤層氣年產(chǎn)量穩(wěn)步上升。2020年,煤層氣產(chǎn)量102.30×108m3,同比增長(zhǎng)15.20%。煤層氣產(chǎn)量居前三甲的分別為山西、北京和貴州[5,10]。山西省不但地質(zhì)資源量最豐富,產(chǎn)量也最多,已經(jīng)成為全國煤層氣開采領(lǐng)頭羊。2020年,山西省煤層氣產(chǎn)量達(dá)77.00×108m3,較上年同比增長(zhǎng)20.12%,占全國總產(chǎn)量的75.27%。另外,山西省高煤階煤層氣率先實(shí)現(xiàn)突破,已經(jīng)規(guī)模開發(fā)；鄂東地區(qū)中煤階、中深層煤層氣開采也獲得重大突破。更可喜的是，近2年中海油在沁水盆地潘莊煤層氣田1.5～2.2 m多層薄煤層和厚-薄煤互層勘探開發(fā)方面也獲得突破，取得了顯著效益。歷經(jīng)2年的沁水盆地1.0×108m3煤層氣產(chǎn)能項(xiàng)目已經(jīng)建成,現(xiàn)有的兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化示范基地為未來產(chǎn)量提升提供了保障[11-12]。北京煤層氣產(chǎn)量為11.90×108m3,占全國總產(chǎn)量的11.63%；貴州煤層氣產(chǎn)量為4.80×108m3,占全國總產(chǎn)量的4.69%。

貴州將成為中國煤層氣勘探生產(chǎn)重要接替區(qū)。貴州煤炭資源總量高達(dá)2 400×108t,位居全國第5位,被稱為“江南煤?！被颉拔髂厦汉！?。同樣,貴州煤層氣資源量也較大,為3.15×1012m3,占全國的10.48%；探明儲(chǔ)量近300.00×108m3。

貴州煤層氣資源分布及地質(zhì)特點(diǎn)：1)分布較集中,煤層氣資源主要集中發(fā)育于西部富煤帶15個(gè)構(gòu)造單元,煤層氣資源量達(dá)2.10×1012m3,占全省的66.67%；2)豐度高,平均約為2.6×108m3/km2,品位高,富甲烷；3)不但煤層氣層數(shù)比較多,而且每層含氣量也較高；4)因地理位置特殊,位于多個(gè)復(fù)雜構(gòu)造帶的復(fù)合部位,地層褶皺、斷層與裂縫均較發(fā)育,煤層氣構(gòu)造復(fù)雜,薄氣層多[10,13]；5)構(gòu)造及地形地貌復(fù)雜導(dǎo)致開采難度較大,成本較高。

2.2 地形地貌分布特征

地形地貌對(duì)地震勘探及開采成本有較大影響。山地、黃土塬和沙漠等地貌地震數(shù)據(jù)采集處理與開采難度相對(duì)大,費(fèi)用高。黃土塬、丘陵和山地是中國煤層氣集中分布地,三者的煤層氣地質(zhì)資源量分別為5.05×1012m3,7.81×1012m3,8.51×1012m3,可采資源量分別為2.16×1012m3,3.38×1012m3,3.37×1012m3。沙漠、戈壁、高原和平原等地貌環(huán)境煤層氣資源相比黃土塬、丘陵和山地地貌要少得多。東北氣區(qū)煤層氣資源主要分布在高原地區(qū)；丘陵和戈壁是西北氣區(qū)煤層氣最為集中之地；南方氣區(qū)煤層氣資源主要分布在山地地區(qū)。

第二大且煤層氣最富集的盆地是鄂爾多斯盆地,歷史上習(xí)慣稱其為黃土高原。煤層氣資源排名第二、海拔700 m以上的沁水盆地主要屬于黃土塬地貌[14]。地震勘探是中深層煤層氣勘探最重要的技術(shù),鄂爾多斯與沁水盆地黃土厚度一般為幾十米至上百米,經(jīng)過長(zhǎng)期的各種動(dòng)力地質(zhì)作用,形成了千奇百態(tài)的塬、梁、峁、坡、溝、川等地貌。地震勘探難度主要表現(xiàn)在：1)巨厚、松散干燥的黃土層地震波激發(fā)與接收條件差；2)黃土對(duì)地震波能量有強(qiáng)烈吸收作用,能量衰減較快；3)發(fā)育多種線性規(guī)則干擾和次生干擾(如面波等),給數(shù)據(jù)處理帶來難度；4)靜校正值變化大,校正難度大；5)施工時(shí)效低,勘探成本高。

2.3 盆地分布特征

2.3.1 煤層氣資源集中分布于少數(shù)盆地

全國共有42個(gè)主要聚煤盆地,其中煤層氣地質(zhì)資源量1×1012m3以上的有10個(gè),按資源量大小排名分別是鄂爾多斯、沁水、滇東黔西、準(zhǔn)噶爾、天山、川南黔北、塔里木、海拉爾、二連以及吐哈[8]。從全國范圍而言,這10個(gè)盆地煤層氣地質(zhì)及可采資源總量占比均超過80%,地質(zhì)資源總量近26×1012m3,可采資源總量達(dá)11×1012m3[8]。地質(zhì)資源量及可采資源量排名全國前三的依次為鄂爾多斯盆地、沁水盆地和滇東黔西盆地；資源豐度排名全國前三的分別為塔里木盆地、滇東黔西盆地和準(zhǔn)噶爾盆地。

華北氣區(qū)主要包括橫跨多省的鄂爾多斯盆地、大同—寧武盆地、沁水盆地和渤海灣盆地；西北氣區(qū)煤層氣主要分布在準(zhǔn)噶爾、三塘湖、焉耆、吐哈、塔里木及柴達(dá)木盆地等,準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地的煤層氣資源最為豐富；位于川南—黔西—滇東地區(qū)的四川盆地、楚雄盆地、十萬大山盆地和山水盆地等是南方煤層氣發(fā)育的主要盆地；東北氣區(qū)含煤層氣盆地主要有海拉爾盆地(群)、二連盆地(群)和松遼盆地(群)。

2.3.2 重點(diǎn)盆地煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)

1)鄂爾多斯盆地

2)沁水盆地

煤層氣商業(yè)開采較早、產(chǎn)量最高的盆地當(dāng)屬山西省東南部的沁水盆地,它也是世界上高煤階煤層氣的典型代表。沁水盆地煤層氣有8個(gè)地質(zhì)特征：①發(fā)育2組含氣地層(上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組),地層厚度較大且分布較穩(wěn)定。太原組厚達(dá)50～150 m,發(fā)育砂巖、泥巖、石灰?guī)r和煤層；山西組厚為40～110 m,發(fā)育砂巖、泥巖夾煤層及石灰?guī)r。②太原組含氣層較山西組多,厚度相對(duì)較厚。前者3～5層可采,可采氣層厚度4～10 m；后者2～4層可采,可采厚度2～7 m。③熱演化程度高,含氣量高,生氣量大。④山西組和太原組煤層的含氣量呈一定規(guī)律變化,由盆地邊緣的6 m3/t逐增到盆地中心26～30 m3/t,上覆地層厚度越大,含氣量越高；煤變質(zhì)程度及煤級(jí)越高,含氣量越高。⑤煤儲(chǔ)層割理及裂隙發(fā)育,煤層氣產(chǎn)出條件好,采收率相對(duì)較高。⑥上覆地層厚度較大,蓋層優(yōu)良,有利于煤層氣保存。⑦平均豐度為1.46×108m3/km2,地質(zhì)資源量及可采資源量分別為3.95×1012m3和1.12×1012m3。太原組和山西組煤層氣地質(zhì)資源量分別為2.34×1012m3和1.61×1012m3。⑧煤層氣資源分布具有區(qū)帶性,資源量與儲(chǔ)量集中于沁水、霍西和西山含氣區(qū)帶,三者地質(zhì)資源量分別為3.620×1012m3,0.250×1012m3和0.079×1012m3；可采資源量分別為0.97×1012m3,0.10×1012m3和0.05×1012m3。

3)滇東黔西盆地群

晚二疊世上揚(yáng)子沉積盆地內(nèi)發(fā)育了滇東黔西盆地群。煤層氣較為豐富的六盤水市就位于該盆地群,總面積約3×104km2。

滇東黔西盆地群煤層氣的主要地質(zhì)特征有：①發(fā)育2組含氣層,即上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組(下部)和龍?zhí)督M。②呈北西向展布的上二疊統(tǒng)氣層較厚(20～40 m),最厚達(dá)50 m。③含氣層埋深由盆緣向盆心加深,盆心位置深達(dá)2 000 m。④以中高煤階煤為主,生氣率及豐度高(2.16×108m3/km2),分布廣,厚度大(煤層氣集中段總厚度可達(dá)40 m),總生氣量大；盤縣、格木底、六枝、郎岱、青山及補(bǔ)郎的煤層氣發(fā)育面積均大于200 km2。⑤鏡質(zhì)組含量高,熱演化程度適中,煤層氣吸附量高(>15 m3/t),可解吸率也高(>70%)。⑥不同形狀的割理及裂隙較發(fā)育,提高了孔隙連通性。⑦上覆蓋層條件佳,保存條件較好。⑧煤層平均含氣量為11.3 m3/t,相對(duì)較高。⑨煤層氣地質(zhì)資源量為3.47×1012m3,可采資源量為1.29×1012m3。

2.4 深度分布特征

深層煤層氣資源量最多,淺層與中層資源量共占60%。將煤層氣賦存深度劃分為300～1 000 m(淺層)、1 000～1 500 m(中層)和1 500～2 000 m(深層)3個(gè)區(qū)間。中國淺層煤層氣資源量及占比最小(9.14×1012m3,29.05%)；中層的煤層氣資源量及占比居中(9.94×1012m3,31.60%)；深層煤層氣資源量及占比最大(12.38×1012m3,39.35%)。雖然深層資源量占比最大,但分布于淺、中層煤層氣資源量占全國的60%。淺、中層煤層氣資源勘探與開發(fā)難度小于深層,而開發(fā)開采效益優(yōu)于深層。

沁水盆地淺層資源量最大。淺、中、深層煤層氣地質(zhì)資源量分別為2.08×1012m3,0.99×1012m3和0.87×1012m3,占地質(zhì)資源總量的52.68%,25.19%和22.13%；淺、中層煤層氣可采資源量分別為0.62× 1012m3和0.50×1012m3,占可采資源總量的55.45%和44.55%。

滇東黔西盆地群煤層氣資源主要分布于淺層。淺、中、深層煤層氣地質(zhì)資源量分別為2.25×1012m3,0.73×1012m3和0.50×1012m3,占地質(zhì)資源總量的64.79%,20.91%和14.31%；淺、中層煤層氣可采資源量分別為0.98×1012m3和0.31×108m3,占可采資源總量的76.13%和23.87%。

2.5 時(shí)域分布特征

不同氣區(qū)煤層氣的時(shí)域分布特征不同。中、古生界是中國煤層氣最為富集的地層,可采資源量分別達(dá)6.72×1012m3和5.76×1012m3,分別占全國的53.8%和46.1%。南方氣區(qū)煤層氣發(fā)育層系相對(duì)較多,主要有下石炭、上二疊、上三疊及下—中侏羅統(tǒng)；石炭—二疊系則為華北煤層氣富集地層；東北煤層氣則主要發(fā)育于下白堊統(tǒng)、上第三系等含煤地層中。

中生界煤層氣主要分布于中、下侏羅統(tǒng)。中、下侏羅統(tǒng)煤層氣資源量達(dá)14.51×1012m3,占全國總資源量的48.29%。古生界煤層氣主要分布于石炭—二疊系,資源量達(dá)13.69×1012m3,占全國總資源量的45.56%；其次是上二疊統(tǒng),資源量為2.87×1012m3,占總資源量的9.55%。

2.6 煤階分布特征

煤類多樣性決定了煤層氣類型的多樣性,中國高、中、低煤階煤層氣均廣泛發(fā)育。高煤階煤層氣主要分布在華北和南方氣區(qū),因巖漿熱作用或動(dòng)力變質(zhì)作用較強(qiáng),導(dǎo)致西北和東北部分地區(qū)也有少量高煤階煤層氣分布。中煤階煤層氣主要分布在華北、南方和滇藏氣區(qū),包括華北氣區(qū)的鄂爾多斯盆地東緣、南方氣區(qū)的四川盆地以及青藏的扎曲盆地。目前,中煤階煤層氣開采主要集中在山西鄂爾多斯盆地東緣。發(fā)育鄂爾多斯、二連、吐哈、塔里木、準(zhǔn)噶爾、三塘湖、柴達(dá)木、阜新和海拉爾等沉積盆地的西北和東北氣區(qū)主要賦存低煤階煤層氣,賦存層位以中生界為主。我國已經(jīng)在開發(fā)低煤階煤層氣10多年的遼寧阜新盆地取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；另外,在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾及二連盆地的低煤階煤層氣開發(fā)開采上也取得了突破。

低煤階煤層氣可采資源量最大(4.59×1012m3),高煤階則最小(3.56×1012m3),高、中、低煤階可采資源量占總可采資源量的28.5%～36.7%。不同煤階煤層氣可采資源量及占比柱狀圖如圖2所示。

圖2 不同煤階可采資源量及占比柱狀圖Fig.2 Histogram of recoverable resources for different coal-grade and the ratio

3 勘探研究建議

3.1 深化重點(diǎn)盆地基礎(chǔ)地質(zhì)和煤層氣地質(zhì)研究

中國地處太平洋板塊、歐亞板塊和印度板塊交匯位置,經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造演化過程,是全球大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造最為復(fù)雜的地區(qū)。從大的尺度來說,復(fù)雜的大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及多變的區(qū)域沉積環(huán)境必然影響煤層氣區(qū)的分布與富集；從小的方面來說,必然影響甚至控制煤層氣的生成及氣藏的形成、聚集成藏與保存。

不同煤層氣區(qū)構(gòu)造及沉積復(fù)雜性不同。西北氣區(qū)與含煤層氣盆地為斷坳—前陸復(fù)合型盆地,構(gòu)造及沉積非常復(fù)雜；南方氣區(qū)為殘留型盆地,構(gòu)造與沉積也非常復(fù)雜；華北氣區(qū)雖然為大型穩(wěn)定克拉通型盆地,但盆地南部構(gòu)造也比較復(fù)雜；東北為小型斷陷型盆地,二連盆地構(gòu)造簡(jiǎn)單,但三江盆地群構(gòu)造比較復(fù)雜。

目前,對(duì)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的聚煤盆地認(rèn)識(shí)程度較深,但對(duì)復(fù)雜盆地的認(rèn)識(shí)程度還稍顯粗淺[15]。建議借“雙碳”之東風(fēng),加大復(fù)雜含煤層氣盆地基礎(chǔ)地質(zhì)及煤層氣地質(zhì)研究?；A(chǔ)地質(zhì)方面主要包括大地(或區(qū)域)構(gòu)造演化與沉積充填特征及構(gòu)造演化過程對(duì)煤層氣成藏的控制作用。

上已述及,聚煤盆地成煤過程、煤質(zhì)、煤層厚度及其穩(wěn)定性、生氣潛力及成藏受沉積環(huán)境與含煤巖系的層序地層格架控制,因此,需深入開展重點(diǎn)盆地煤層氣地質(zhì)研究,主要包括煤層氣儲(chǔ)層沉積環(huán)境、層序地層、煤儲(chǔ)層(含物性)及構(gòu)造(包括層面構(gòu)造、斷層及裂縫)以及保存條件等成藏要素與主控因素的深入研究[16]。

3.2 加強(qiáng)含煤層氣層的各向異性和非均質(zhì)性研究

煤層氣層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性及地震波速度各向異性,這給煤層氣勘探(如儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、含氣性及“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)等)與開發(fā)生產(chǎn)增加了難度。速度各向異性的存在說明煤層氣層不同方向其煤層、煤層氣和其他巖石夾層的物理性質(zhì)不同,進(jìn)而導(dǎo)致其存在非均質(zhì)性。具體表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是同一煤層氣層沿橫向不同方向,具有橫向各向異性和非均質(zhì)性；二是不同煤層氣層,具有縱向各向異性和強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。目前,對(duì)復(fù)雜盆地煤層氣層各向異性及非均質(zhì)性的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

3.3 加強(qiáng)地震技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

反射地震技術(shù)是常規(guī)油氣勘探開發(fā)中的必不可少的技術(shù)；同樣,它也是煤層氣勘探開發(fā)中的必需技術(shù)。煤層氣與常規(guī)天然氣的最大差異是其以吸附狀態(tài)賦存于煤層孔隙內(nèi)表面,具有獨(dú)特的成藏分布特征和主控因素[17]。因此,相對(duì)于常規(guī)天然氣而言,對(duì)煤層氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法提出了更高要求。有的煤田為了搞清楚煤炭?jī)?chǔ)量及部署礦井,開展過煤田地震勘探數(shù)據(jù)采集處理及解釋工作。雖然對(duì)煤層氣的勘探與開發(fā)要求比煤田高,但已有煤田地震數(shù)據(jù)經(jīng)過再處理或許可以繼續(xù)用于煤層氣勘探與開發(fā)。

大多數(shù)煤礦的煤層氣是薄互層。以沁水盆地為例,無論是太原組還是山西組,其煤層氣氣層均屬于薄互層,薄至3～5 m。這種薄層對(duì)地震資料的分辨率提出了極高要求。同時(shí),為了利用地震數(shù)據(jù)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(包括反射振幅、頻率及AVO等屬性)預(yù)測(cè)煤層的含氣性及甜點(diǎn),要求地震資料高保幅、高信噪比與高分辨率,以提高地震預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

我國在應(yīng)用地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)煤層氣方面取得了一定的成果[18]。以沁東南地區(qū)埋深為500～850 m的3號(hào)淺煤層為例,其厚度薄(4～7 m),煤質(zhì)好,變質(zhì)程度較高,屬于高煤階無煙煤,煤層氣豐度為12～23 m3/t,含氣飽和度為90%～98%,屬于高飽和、高含氣吸附型自生自儲(chǔ)式非常規(guī)氣藏。地震勘探技術(shù)在該煤層氣層上的應(yīng)用效果良好。煤層高含氣時(shí),地震反射特征表現(xiàn)為亮點(diǎn)型；煤層低含氣或不含氣時(shí),表現(xiàn)為暗點(diǎn)型?；诏B前保幅處理的AVO技術(shù)在沁水盆地煤層氣檢測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[18]。當(dāng)然,在應(yīng)用地震技術(shù)預(yù)測(cè)時(shí),應(yīng)該充分結(jié)合鉆測(cè)井資料、地質(zhì)資料及成果來綜合分析預(yù)測(cè),以降低地震預(yù)測(cè)的多解性。

與常規(guī)天然氣一樣,煤層氣巖石物理研究是開展地震預(yù)測(cè)的最重要的基礎(chǔ)工作。因此,建議重視各盆地不同煤階、煤巖和煤質(zhì)巖樣(巖心)的巖石物理研究,包括巖樣的實(shí)驗(yàn)室模擬地層狀態(tài)下的測(cè)試和測(cè)井巖石物理分析工作。

加強(qiáng)高、中、低煤階煤層氣地球物理綜合評(píng)價(jià)方法研究及推廣工作。地球物理綜合評(píng)價(jià)方法在沁水盆地長(zhǎng)治地區(qū)取得了良好效果[19]。在地質(zhì)認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)下,利用高精度三維地震資料和鉆測(cè)井資料開展了斷層及裂縫、陷落柱、構(gòu)造特征研究,并對(duì)煤儲(chǔ)層厚度及頂?shù)装?、煤?chǔ)層含氣性進(jìn)行了預(yù)測(cè),優(yōu)選儲(chǔ)層有利區(qū)。

3.4 深化煤層氣資源精細(xì)評(píng)價(jià)

將煤層氣資源梯隊(duì)分為2個(gè)層次,梯隊(duì)的劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。該文從煤層氣資源量、資源豐度、勘探開采程度及基礎(chǔ)設(shè)施等方面劃分梯隊(duì)。晉、陜、蒙、新、冀、豫、皖、黔、云、川、渝屬于第一梯隊(duì),全國約95%的煤層氣資源分布于第一梯隊(duì)。其中蒙、新、晉、黔和云5省市區(qū)因得天獨(dú)厚的煤層氣地質(zhì)資源條件,是我國最具規(guī)?；_采煤層氣、發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的地區(qū)。甘、遼、寧、贛、黑和蘇6省屬于第二梯隊(duì)。從盆地角度看,鄂爾多斯盆地東緣、沁水、準(zhǔn)噶爾、滇東黔西、二連、吐哈、塔里木、天山和海拉爾盆地屬于第一梯隊(duì),煤層氣資源總量28.00×1012m3[1,4-5,7-8,10-11],占全國資源總量的93.17%。這其中鄂爾多斯盆地和沁水盆地又是第一梯隊(duì)中的重點(diǎn)盆地。

深化第一梯隊(duì)省市區(qū)煤層氣地質(zhì)條件研究和資源與儲(chǔ)量的精細(xì)再評(píng)價(jià)。第一梯隊(duì)省份和盆地已經(jīng)開展過較多的煤層氣地質(zhì)研究和資源、儲(chǔ)量評(píng)價(jià),但依然需要針對(duì)地質(zhì)研究上的不足和煤層氣關(guān)鍵地質(zhì)問題開展專題研究,對(duì)地質(zhì)資源量、探明及可采儲(chǔ)量進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià),優(yōu)選有利區(qū)塊及層系。建議充分發(fā)揮地震勘探技術(shù)的作用,在第一梯隊(duì)盆地全面開展連片高精度三維地震勘探；同時(shí),要著手開展煤層氣開發(fā)地震技術(shù)儲(chǔ)備工作。煤層氣開采到一定程度,就面臨著提高采收率、尋找剩余氣的問題,開發(fā)地震技術(shù)必不可少。

加強(qiáng)第二梯隊(duì)省份或盆地煤層氣地質(zhì)調(diào)查、成藏條件全面研究及資源量與儲(chǔ)量評(píng)價(jià)。爭(zhēng)取在一定年限內(nèi)完成第二梯隊(duì)含煤層氣盆地的煤層氣地質(zhì)條件系統(tǒng)、全面地研究,搞清楚煤層氣成藏的主控因素；在此基礎(chǔ)上,開展資源與儲(chǔ)量的較為精細(xì)的評(píng)價(jià),初步優(yōu)選有利區(qū)帶與區(qū)塊。建議對(duì)第二梯隊(duì)中潛力較大的地區(qū)或盆地開展高精度三維地震勘探工作。

繼續(xù)加強(qiáng)深層、超深層(埋深2 000 m以深)煤層氣勘探研究工作。由于煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、可改造性差、受埋深影響大,深層、超深層煤層氣地質(zhì)條件更復(fù)雜,富集機(jī)理、富集規(guī)律更難以掌握,因此勘探難度也比淺、中層大得多。雖然過往的煤層氣勘探研究主要集中在淺、中層，但近兩三年來，鄂爾多斯盆地東緣(如大寧—吉縣區(qū)塊)在1 500～2 500 m深層煤層氣勘探開發(fā)取得重大突破，未來可能擴(kuò)展至盆地整個(gè)環(huán)形圈。深層水平井單井產(chǎn)量可達(dá)10×104m3/d，這將改變鄂爾多斯盆地煤層氣資源的構(gòu)成比。超深層煤層氣的勘探研究還是空白，建議盡快啟動(dòng)超深層煤層氣勘探研究工作。四川已經(jīng)立項(xiàng)著手開展3 500 m深度的煤層氣地質(zhì)研究工作。

4 結(jié)論

1)煤層氣勘探開發(fā)還處在起步階段,勘探研究基礎(chǔ)還很薄弱。系統(tǒng)地、立體式、多維度分析全國煤層氣資源時(shí)-空-地三維分布特征,可以為全面掌握煤層氣資源狀況,尋找下一步勘探方向打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)五大煤層氣發(fā)育區(qū)主要受天山—陰山構(gòu)造帶、昆侖山—秦嶺山—大別山構(gòu)造帶、興安嶺—太行山構(gòu)造帶及賀蘭山—六盤山—龍門山構(gòu)造帶控制。晚古生代以來發(fā)生的三期主要的大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(印支、燕山和喜山)對(duì)含煤層氣盆地及煤儲(chǔ)層(尤其是儲(chǔ)層物性)有一定的改造作用,利于煤層氣開發(fā)開采,但同時(shí)也給煤層氣藏帶來了破壞作用,使得煤層氣層保存條件受到一定程度破壞。

4)黃土塬、丘陵和山地是中國煤層氣集中分布地,三者的煤層氣地質(zhì)資源總量達(dá)21.37×1012m3,可采資源總量為8.91×1012m3。

5)深層煤層氣資源量最多,淺層與中層煤層氣資源量共占60%。華北、西北及南方氣區(qū)的淺層煤層氣資源量相對(duì)大；沁水盆地、滇東黔西盆地群煤層氣資源主要分布于淺層。中、古生界為煤層氣最富集的層位,二者可采資源量合計(jì)達(dá)12.48×1012m3,占全國的99.0%。煤層氣類型豐富,高、中、低煤階煤層氣俱全。高煤階煤層氣主要分布在華北和南方氣區(qū),中煤階煤層氣主要分布在華北、南方和青藏氣區(qū),低煤階煤層氣主要分布在西北和東北氣區(qū)。

6)建議深化重點(diǎn)盆地基礎(chǔ)地質(zhì)及煤層氣地質(zhì)研究,加強(qiáng)含煤層氣層各向異性和非均質(zhì)性研究,加強(qiáng)地震技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用,繼續(xù)深化煤層氣資源精細(xì)評(píng)價(jià)。