美国煤层气和页岩气勘探开发现状及对我国的启示

李世臻，曲英杰

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083;2.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034)

全世界非常规天然气资源储量巨大，但由于成藏条件复杂，研究程度低，加之技术条件的限制，多数国家一直没有实现大规模的商业性开发，但其却是今后最有希望和最现实的重要能源资源。近二十年来，巨大的能源需求、不断增长的能源价格、持续进步的油气勘探开发理论和技术，以及环保的要求，推动并加快了非常规天然气工业在美国的发展。美国已走在了世界前列，非常规天然气产量也位居全世界第一位，在美国能源结构里发挥着重要的作用。2000年，非常规天然气产量占天然气总产量的27%，美国能源情报署(EIA)预计到2030年，此比例将达到56%[1]。

非常规天然气因研究的角度不同，不同的学者对其有不同的理解和定义。早期主要是从经济角度分析，将其认为是现有技术条件下不可经济开采的天然气聚集。但随着能源价格的增长和技术的进步(如压裂、水平井、多支井技术等)，这些天然气气藏逐渐能够商业性开采[2]。20世纪80年代，美国政府定义了致密气藏，认为气体流通的储层渗透率值应小于0.1×10-3μm2，政府或州用以来决定给某些产气井课税扣除，这个定义其实更大程度上是一个政治定义[3]；从地质角度，是指一般不受浮力驱动聚集的气藏，缺少底水，它们在区域上呈连续弥散的聚集，常常与构造和地层圈闭无关[2, 4]。为了更多的从地质上对常规油气和非常油气加以区别，美国地质调查局(USGS)曾在1995年美国油气资源评价中，提出“连续油气藏”(Continuous Accumulation)的概念[5]，认为“连续型”油气藏是低孔渗储集体系中，明显不受水力驱动、无边底水、大面积分布的单一油气聚集。显然，地质角度定义的非常规天然气藏，即是“连续型”气藏。目前，一般认为地质角度的非常规天然气应包括煤层气、页岩气。本文概述前两者在美国的研究进程和勘探开发现状，以期对中国的非常规天然气资源勘探和开发有所启示。

1 煤层气

1.1 概念和特征

煤层气俗称瓦斯，又名煤层甲烷，气体主要成份为甲烷，含量组成为80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2S、SO2。中高级煤层气主要以吸附态赋存于煤层孔隙表面，另外煤层裂隙与煤层水中存在少许游离气与溶解气。煤层割理及裂隙中的煤层气与煤层水形成特殊的水动力系统，只有当储层压力低于解吸压力时，煤层气才能解吸出来。

1.2 研究历程

美国早期对煤层气的研究，主要关注于瓦斯爆炸的控制或预测技术，直到20世纪70年代，开始认识到煤层气是一种可以经济利用的能源资源。宾夕法尼亚地区采煤之前，通过钻孔释放煤层气，收集获得的煤层气用于当地的煤矿运转。80年代，石油天然气公司开始注意到这一非常规天然气的商业价值，开始大规模的投入，研究内容开始转向煤层气的源岩、成因、分布、生产能力、采收率等方面[6, 7]，许多石油公司也由此开始将钻孔改为钻探产气井。20世纪80年代初，美国在与西部落基山造山带和东部阿巴拉契亚造山带相关的13个含煤盆地群中，启动了煤层气成藏条件研究，引发了对于“排水-降压-解吸-扩散-渗流”煤层气产出机制认识的突破，使得煤层气勘探开发在各个盆地成功开展。煤层气的早期勘探，主要强调热成因的重要性。至20世纪90年代中期，粉河盆地低煤阶Fort Union煤层生物成因气的商业性开发，修正了煤层气的成因理论，即煤层气不仅可以形成于煤化作用阶段(热成因)，同样也可以形成于煤化作用的早期阶段(生物成因)，甚至是晚期阶段(次生生物成因)。同时，美国煤层气地面开发取得成功，也得益于其含煤盆地具有稳定的区域构造背景，在整体稳定的构造背景之下，煤层气主要集中发育于构造相对活动的地区。

1.3 勘探开发现状

美国的煤层气主要产出于宾夕法尼亚系、白垩系和三叠系，美国最早的实验区是在黑勇士盆地和圣胡安盆地开展。在1995年，90%以上的煤层气产自于阿拉巴马黑勇士盆地的宾夕法尼亚系地层和科罗拉多与新墨西哥圣胡安盆地的白垩系地层[8]。现代勘探开发技术的成功推广，现在美国的17个盆地都有煤层气产出，但主要产量来自圣胡安盆地、粉河盆地和黑勇士盆地(表1)。截至2006年，三者煤层气历史累计产量约占87%[14]。2000年，美国煤层气的产量是390.5×108m3，占美国天然气当年产量的9.2%；2008年，美国煤层气产量是556.7×108m3，占美国天然气当年产量的9.6%。

1.4 评价内容

煤层气藏的评价，一般应包括以下内容：煤层厚度、埋深、面积；割理和裂隙；煤层渗透率；气含量、吸附能力；煤阶 (镜质体反射率/成熟度)；构造条件；水动力环境；保存条件[9-11]。

表1 美国煤层气勘探概况

2 页岩气(Shale gas)

2.1 概念和特征

页岩气现在通常被认为是主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力泥岩及页岩等地层中的天然气聚集，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点。与致密砂岩气不同，页岩气开发虽然产能低，但具有开采寿命长和生产周期长的优点。大部分产气页岩，由于分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气资源量巨大。因而，页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，一般开采寿命为30～50年，长者甚至能达80年。

2.1 研究历程

美国页岩气开采已接近有200年的历史，第一口页岩气井可追溯到1821年[12]，钻遇层位为泥盆系Dunkirk页岩，井深8.2m。19世纪80年代，美国东部地区的泥盆系页岩，因临近天然气市场，在当时已经有相当大的产能规模，但此后产业一直不甚活跃[18]。直到20世纪70年代末，因为国际市场的高油价以及非常规油气概念的兴起，页岩气受到很高的研究重视。当时主要是针对于Fort Worth盆地的Barnett页岩的深入研究，Mitchell能源公司1981年在该地区完钻了第一口取心评价井[19]，大胆地对Barnett页岩段进行了氮气泡沫压裂改造，从而发现了Barnett页岩气田。

2.3 勘探开发现状

2000年以来，页岩气勘探开发技术不断提高，并得到了广泛应用，同时加密的井网部署，使页岩气的采收率提高了20%，钻井数连年迅速增长，年生产量迅速攀升(图1)[20, 21]。美国的页岩主要发育在20个州21个大小不等的盆地里。最近的估算，美国页岩气资源量为42×1012～52.6×1012m3，但目前商业性开采的页岩气主要产自5个盆地(表2)。

图1 美国非常规天然气历年产量变化曲线图

表2 美国含气页岩主要特征(Bustin R. M.，2005，有修改)

Barnett页岩是当前美国页岩气的主力层位[22, 23]，也是目前各国页岩气勘探开发学习的样本。据USGS最新的统计，其资源量约0.74×1012m3，产量在2005年已经超过美国页岩气产量的一半，现在所占比例更高。Barnett页岩是下石炭统的一套黑色富含有机质页岩，有些含钙质、磷质或白云石，沉积于富营养、较深水的内陆湖盆边岸环境[24]，有机碳含量高，厚度大，且具有较高的镜质体反射率[25]，生气类型主要属于热成因[26]。Barnett页岩主要分布在德克萨斯州中北部的Fort Worth盆地，厚度在盆地的不同位置不等，最厚可达305m，整套页岩发育面积约有5000km2，主要被上覆灰岩所覆盖[27]。Barnett页岩现在的生产井已超过8000口，既有直井，也有水平井，日产量超过1.05×108m3，预计到2014年日产量将达到1.84×108～2.75 ×108m3。

2.4 评价内容

页岩气的评价,一般应包括以下内容：页岩的深度、厚度和边界；有机质类型和含量、有机质的热成熟度和吸附能力；成因类型(生物成因、热成因、混合成因)、数量、天然气成分(CH4、CO2、N2)；孔隙结构和分布；岩石矿物成分[28]。

3 对我国的相关启示

3.1 充分认识煤层气和页岩气等非常规天然气资源的战略地位和重大研究意义

中国煤层气和页岩气资源量巨大，与美国相比不相上下(表3)。我国是世界第二大煤炭资源国，煤炭资源量巨大。据新一轮全国油气资源评价显示，煤层气地质资源量是36.8×1012m3，略高于常规天然气的地质资源量(35×1012m3)[29]。虽然目前没有对我国页岩气资源量进行评价，但页岩地层在各地质历史时期广泛发育，既有有机质丰度达很好-极好标准的南方海相页岩地层，也有得天独厚的北方湖相页岩地层[30]。据国外有关专家预测，我国页岩气资源量为99.9×1012m3，远高于常规天然气资源量。

煤层气和页岩气资源作为重要补充资源，大规模的开发一旦实现，将在保障能源安全、降低对外依存度、缓解天然气需求紧张局面等方面起到积极作用；作为新类型资源，在我国当前的研究程度还很低，通过研究可摸清各地区特有的地质条件和规律、提高地质理论认识水平、推动关键技术进步、培养该领域创新性人才；作为商业性资源，其勘探开发必将拉动整个行业及相关产业的发展、增加就业机会、促进经济快速发展。可以预言，开展煤层气和页岩气研究，必将为我国社会带来重要的经济效益和社会效益。

表3 中国与美国煤层气和页岩气资源量对比(据EIA，新一轮油气资源评价结果等)

3.2 着力解决当前阶段煤层气和页岩气的关键地质和技术问题

煤层气、页岩气在美国都已实现商业性的开发，但在我国其勘探开发和研究程度都很低，同时也各不相同。应有针对性的找准关键性问题，借鉴美国先进的经验，根据我国实际，创新地质理论，攻克技术难题，以此指导和推进各类非常规天然气快速有效的勘探开发。

煤层气处于开发试验阶段，个别盆地有小规模的商业性开采。与美国相比，我国的含煤盆地成煤年代早、后期构造运动改造大、储层非均质性强，煤层气成藏和富集规律更为复杂。总结煤层气形成机理和分布规律，深入分析煤-水-气的耦合关系，发展高、低煤阶的煤层气开采技术和低渗透性煤层的改造技术，是有效促进煤层气大规模商业性开采的关键所在。

页岩气目前还处于探索研究阶段。至今尚无一家机构对我国的页岩气资源进行整体系统的调查评价，对我国的页岩气资源的认识程度还远远不够，有利勘探开发区域和层系尚不明晰。通过开展页岩气资源的战略调查和资源评价工作，查清我国的页岩气资源状况，建立我国页岩气调查与选区的技术标准，在此基础上评价优选勘探开发有利目标区和富集区，使我国的页岩气尽快实现商业性开发。

3.3 深入研究现实国情下的煤层气和页岩气勘探开发和管理政策

对于煤层气，国家规划方面、管理方面和财税价格方面，近几年出台了一系列的相关决定、通知和意见[31]，对加快煤层气的勘探开发到起了积极作用。但同时，在煤层气产业的发展过程中，仍存在着一些问题，诸如煤炭和煤层气的矿业权叠置，导致相关部门和企业的管理权限分歧和利益冲突。而对于刚刚起步的页岩气，包括矿业权、页岩气价格、税收、专项研究基金、市场准入资格、环境等方面的各项政策都尚未建立[32]，这需要我国政策制定者根据我国的现实国情，及时开展调研，借助煤层气的成功经验和失败教训，未雨绸缪，建立健全法律法规，引导和推动页岩气产业化健康化发展。同时，统筹非常规能源管理，能有效的规避矿区内勘探开发中的各种问题和矛盾，而统筹加强天然气管网建设，亦能加快非常规天然气的勘探开发步伐，促进我国经济发展。

致谢：在论文的完成过程中，中石化勘探开发研究院的博士后聂海宽同志提供了许多建设性的意见和建议，在此表示衷心感谢。

[1] EIA, US. Annual Energy Outlook 2008[R]. http://www.eia.doe.gov/oiaf/aeo/gas.html, 2008.

[2] Law B E, J B Curtis. Introduction to unconventional petroleum systems[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11):1851-1852.

[3] Holditch S A ,K Perry, J Lee. Working Document of the NPC Global Oil and Gas Study: Unconventional Gas Reservoirs—Tight Gas, Coal Seams, and Shales [R]. 2007.

[4] 陈建渝,唐大卿,杨楚鹏. 非常规含气系统的研究和勘探进展[J]. 地质科技情报, 2003, 22(4):55-59.

[5] Schmoker J W. Resource-assessment perspectives for unconventional gas systems [J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11):1993-1999.

[6] Flores R M. Coalbed methane: From hazard to resource [J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 35:3-26.

[7] Markowski A K. Coalbed methane resource potential and current prospects in Pennsylvania [J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 38:137-159.

[8] Pashin J C. Stratigraphy and structure of coalbed methane reservoirs in the United States: An overview [J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 35:209-240.

[9] Ayers Jr W B. Coalbed gas systems, resources and production and a review of contrasting cases from the San Juan and Powder River basins [J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11):1853-1890.

[10] Montgomery S L, Tabet D E, Barker C E. Upper Cretaceous Ferron Sandstone: Major coalbed methane play in central Utah [J]. AAPG Bulletin, 2001, 85(2):199-219.

[11] Drobniak A , Mastalerz M, Rupp J, et al. Nathan Eaton.Evaluation of coalbed gas potential of the Seelyville Coal Member, Indiana, USA [J]. International Journal of Coal Geology, 2004, 54:265-282.

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

[13] Bustin R M. Gas Shale Tapped for Big Pay[J]. AAPG explorer, 2005, 26(2):28,30.

[14] Shirley K. Barnett Shale Living Up to Potential[J]. AAPG explorer, 2002, 23(7):19-19，27.

[15] Shirley K. Shale Gas Exciting Again[J]. AAPG explorer, 2001, 22(3):24-25.

[16] Pollastro R M. Total petroleum system assessment of undiscovered resources in the giant Barnett Shale continuous (unconventional) gas accumulation, Fort Worth Basin, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4):551-578.

[17] Bowker K A. Barnett Shale gas production,Fort Worth Basin:Issues and discussion[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4):523-533.

[18] Montgomery S L, Jarvie D M, Bowker K A, et al. Mississippian Barnett Shale,Fort Worth basin, north-central Texas: Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J]. AAPG Bulletin, 2005, 89(2):155-175.

[19] Loucks R G, Ruppel S C. Mississippian Barnett Shale:Lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth Basin, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4):579-601.

[20] Montgomery S L, Jarvie D M, Bowker K A, et al. Mississippian Barnett Shale, Fort Worth basin, north-central Texas: Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential: Reply[J]. AAPG Bulletin, 2006, 90(6):967-969.

[21] Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, et al. Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4):475-499.

[22] Broadhead F R. The Barnett Shale in southeastern New Mexico: Distribution, thickness, and source rock characterization[R]. 2007:1-56.

[23] Cardott J B. Gas shales tricky to understand[J]. AAPG explorer, 2006, 26(11):48.

[24] 国土资源部油气资源战略研究中心. 新一轮全国油气资源评价[M].北京：中国大地出版社, 2009:1-383.

[25] 李建忠,董大忠,陈更生,等.中国页岩气资源前景与战略地位[J]. 天然气工业, 2009, 29(5):11-16.

[26] 车长波,杨虎林,李富兵,等. 非常规油气资源勘探开发政策思考[J]. 天然气工业, 2008, 28(12):4-6.

[27] 李世臻，乔德武，冯志刚，等.世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示[J].地质通报，2010,29(6)：918-924.