李世臻，曲英杰

(1.中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京 100083;2.國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100034)

全世界非常規(guī)天然氣資源儲量巨大，但由于成藏條件復雜，研究程度低，加之技術(shù)條件的限制，多數(shù)國家一直沒有實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)性開發(fā)，但其卻是今后最有希望和最現(xiàn)實的重要能源資源。近二十年來，巨大的能源需求、不斷增長的能源價格、持續(xù)進步的油氣勘探開發(fā)理論和技術(shù)，以及環(huán)保的要求，推動并加快了非常規(guī)天然氣工業(yè)在美國的發(fā)展。美國已走在了世界前列，非常規(guī)天然氣產(chǎn)量也位居全世界第一位，在美國能源結(jié)構(gòu)里發(fā)揮著重要的作用。2000年，非常規(guī)天然氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的27%，美國能源情報署(EIA)預計到2030年，此比例將達到56%[1]。

非常規(guī)天然氣因研究的角度不同，不同的學者對其有不同的理解和定義。早期主要是從經(jīng)濟角度分析，將其認為是現(xiàn)有技術(shù)條件下不可經(jīng)濟開采的天然氣聚集。但隨著能源價格的增長和技術(shù)的進步(如壓裂、水平井、多支井技術(shù)等)，這些天然氣氣藏逐漸能夠商業(yè)性開采[2]。20世紀80年代，美國政府定義了致密氣藏，認為氣體流通的儲層滲透率值應小于0.1×10-3μm2，政府或州用以來決定給某些產(chǎn)氣井課稅扣除，這個定義其實更大程度上是一個政治定義[3]；從地質(zhì)角度，是指一般不受浮力驅(qū)動聚集的氣藏，缺少底水，它們在區(qū)域上呈連續(xù)彌散的聚集，常常與構(gòu)造和地層圈閉無關(guān)[2, 4]。為了更多的從地質(zhì)上對常規(guī)油氣和非常油氣加以區(qū)別，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)曾在1995年美國油氣資源評價中，提出“連續(xù)油氣藏”(Continuous Accumulation)的概念[5]，認為“連續(xù)型”油氣藏是低孔滲儲集體系中，明顯不受水力驅(qū)動、無邊底水、大面積分布的單一油氣聚集。顯然，地質(zhì)角度定義的非常規(guī)天然氣藏，即是“連續(xù)型”氣藏。目前，一般認為地質(zhì)角度的非常規(guī)天然氣應包括煤層氣、頁巖氣。本文概述前兩者在美國的研究進程和勘探開發(fā)現(xiàn)狀，以期對中國的非常規(guī)天然氣資源勘探和開發(fā)有所啟示。

1 煤層氣

1.1 概念和特征

煤層氣俗稱瓦斯，又名煤層甲烷，氣體主要成份為甲烷，含量組成為80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2S、SO2。中高級煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤層孔隙表面，另外煤層裂隙與煤層水中存在少許游離氣與溶解氣。煤層割理及裂隙中的煤層氣與煤層水形成特殊的水動力系統(tǒng)，只有當儲層壓力低于解吸壓力時，煤層氣才能解吸出來。

1.2 研究歷程

美國早期對煤層氣的研究，主要關(guān)注于瓦斯爆炸的控制或預測技術(shù)，直到20世紀70年代，開始認識到煤層氣是一種可以經(jīng)濟利用的能源資源。賓夕法尼亞地區(qū)采煤之前，通過鉆孔釋放煤層氣，收集獲得的煤層氣用于當?shù)氐拿旱V運轉(zhuǎn)。80年代，石油天然氣公司開始注意到這一非常規(guī)天然氣的商業(yè)價值，開始大規(guī)模的投入，研究內(nèi)容開始轉(zhuǎn)向煤層氣的源巖、成因、分布、生產(chǎn)能力、采收率等方面[6, 7]，許多石油公司也由此開始將鉆孔改為鉆探產(chǎn)氣井。20世紀80年代初，美國在與西部落基山造山帶和東部阿巴拉契亞造山帶相關(guān)的13個含煤盆地群中，啟動了煤層氣成藏條件研究，引發(fā)了對于“排水-降壓-解吸-擴散-滲流”煤層氣產(chǎn)出機制認識的突破，使得煤層氣勘探開發(fā)在各個盆地成功開展。煤層氣的早期勘探，主要強調(diào)熱成因的重要性。至20世紀90年代中期，粉河盆地低煤階Fort Union煤層生物成因氣的商業(yè)性開發(fā)，修正了煤層氣的成因理論，即煤層氣不僅可以形成于煤化作用階段(熱成因)，同樣也可以形成于煤化作用的早期階段(生物成因)，甚至是晚期階段(次生生物成因)。同時，美國煤層氣地面開發(fā)取得成功，也得益于其含煤盆地具有穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造背景，在整體穩(wěn)定的構(gòu)造背景之下，煤層氣主要集中發(fā)育于構(gòu)造相對活動的地區(qū)。

1.3 勘探開發(fā)現(xiàn)狀

美國的煤層氣主要產(chǎn)出于賓夕法尼亞系、白堊系和三疊系，美國最早的實驗區(qū)是在黑勇士盆地和圣胡安盆地開展。在1995年，90%以上的煤層氣產(chǎn)自于阿拉巴馬黑勇士盆地的賓夕法尼亞系地層和科羅拉多與新墨西哥圣胡安盆地的白堊系地層[8]。現(xiàn)代勘探開發(fā)技術(shù)的成功推廣，現(xiàn)在美國的17個盆地都有煤層氣產(chǎn)出，但主要產(chǎn)量來自圣胡安盆地、粉河盆地和黑勇士盆地(表1)。截至2006年，三者煤層氣歷史累計產(chǎn)量約占87%[14]。2000年，美國煤層氣的產(chǎn)量是390.5×108m3，占美國天然氣當年產(chǎn)量的9.2%；2008年，美國煤層氣產(chǎn)量是556.7×108m3，占美國天然氣當年產(chǎn)量的9.6%。

1.4 評價內(nèi)容

煤層氣藏的評價，一般應包括以下內(nèi)容：煤層厚度、埋深、面積；割理和裂隙；煤層滲透率；氣含量、吸附能力；煤階 (鏡質(zhì)體反射率/成熟度)；構(gòu)造條件；水動力環(huán)境；保存條件[9-11]。

表1 美國煤層氣勘探概況

2 頁巖氣(Shale gas)

2.1 概念和特征

頁巖氣現(xiàn)在通常被認為是主體上以吸附和游離狀態(tài)同時賦存于具有生烴能力泥巖及頁巖等地層中的天然氣聚集，具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點。與致密砂巖氣不同，頁巖氣開發(fā)雖然產(chǎn)能低，但具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點。大部分產(chǎn)氣頁巖，由于分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使得頁巖氣資源量巨大。因而，頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣，一般開采壽命為30～50年，長者甚至能達80年。

2.1 研究歷程

美國頁巖氣開采已接近有200年的歷史，第一口頁巖氣井可追溯到1821年[12]，鉆遇層位為泥盆系Dunkirk頁巖，井深8.2m。19世紀80年代，美國東部地區(qū)的泥盆系頁巖，因臨近天然氣市場，在當時已經(jīng)有相當大的產(chǎn)能規(guī)模，但此后產(chǎn)業(yè)一直不甚活躍[18]。直到20世紀70年代末，因為國際市場的高油價以及非常規(guī)油氣概念的興起，頁巖氣受到很高的研究重視。當時主要是針對于Fort Worth盆地的Barnett頁巖的深入研究，Mitchell能源公司1981年在該地區(qū)完鉆了第一口取心評價井[19]，大膽地對Barnett頁巖段進行了氮氣泡沫壓裂改造，從而發(fā)現(xiàn)了Barnett頁巖氣田。

2.3 勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2000年以來，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)不斷提高，并得到了廣泛應用，同時加密的井網(wǎng)部署，使頁巖氣的采收率提高了20%，鉆井數(shù)連年迅速增長，年生產(chǎn)量迅速攀升(圖1)[20, 21]。美國的頁巖主要發(fā)育在20個州21個大小不等的盆地里。最近的估算，美國頁巖氣資源量為42×1012～52.6×1012m3，但目前商業(yè)性開采的頁巖氣主要產(chǎn)自5個盆地(表2)。

圖1 美國非常規(guī)天然氣歷年產(chǎn)量變化曲線圖

表2 美國含氣頁巖主要特征(Bustin R. M.，2005，有修改)

Barnett頁巖是當前美國頁巖氣的主力層位[22, 23]，也是目前各國頁巖氣勘探開發(fā)學習的樣本。據(jù)USGS最新的統(tǒng)計，其資源量約0.74×1012m3，產(chǎn)量在2005年已經(jīng)超過美國頁巖氣產(chǎn)量的一半，現(xiàn)在所占比例更高。Barnett頁巖是下石炭統(tǒng)的一套黑色富含有機質(zhì)頁巖，有些含鈣質(zhì)、磷質(zhì)或白云石，沉積于富營養(yǎng)、較深水的內(nèi)陸湖盆邊岸環(huán)境[24]，有機碳含量高，厚度大，且具有較高的鏡質(zhì)體反射率[25]，生氣類型主要屬于熱成因[26]。Barnett頁巖主要分布在德克薩斯州中北部的Fort Worth盆地，厚度在盆地的不同位置不等，最厚可達305m，整套頁巖發(fā)育面積約有5000km2，主要被上覆灰?guī)r所覆蓋[27]。Barnett頁巖現(xiàn)在的生產(chǎn)井已超過8000口，既有直井，也有水平井，日產(chǎn)量超過1.05×108m3，預計到2014年日產(chǎn)量將達到1.84×108～2.75 ×108m3。

2.4 評價內(nèi)容

頁巖氣的評價,一般應包括以下內(nèi)容：頁巖的深度、厚度和邊界；有機質(zhì)類型和含量、有機質(zhì)的熱成熟度和吸附能力；成因類型(生物成因、熱成因、混合成因)、數(shù)量、天然氣成分(CH4、CO2、N2)；孔隙結(jié)構(gòu)和分布；巖石礦物成分[28]。

3 對我國的相關(guān)啟示

3.1 充分認識煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源的戰(zhàn)略地位和重大研究意義

中國煤層氣和頁巖氣資源量巨大，與美國相比不相上下(表3)。我國是世界第二大煤炭資源國，煤炭資源量巨大。據(jù)新一輪全國油氣資源評價顯示，煤層氣地質(zhì)資源量是36.8×1012m3，略高于常規(guī)天然氣的地質(zhì)資源量(35×1012m3)[29]。雖然目前沒有對我國頁巖氣資源量進行評價，但頁巖地層在各地質(zhì)歷史時期廣泛發(fā)育，既有有機質(zhì)豐度達很好-極好標準的南方海相頁巖地層，也有得天獨厚的北方湖相頁巖地層[30]。據(jù)國外有關(guān)專家預測，我國頁巖氣資源量為99.9×1012m3，遠高于常規(guī)天然氣資源量。

煤層氣和頁巖氣資源作為重要補充資源，大規(guī)模的開發(fā)一旦實現(xiàn)，將在保障能源安全、降低對外依存度、緩解天然氣需求緊張局面等方面起到積極作用；作為新類型資源，在我國當前的研究程度還很低，通過研究可摸清各地區(qū)特有的地質(zhì)條件和規(guī)律、提高地質(zhì)理論認識水平、推動關(guān)鍵技術(shù)進步、培養(yǎng)該領(lǐng)域創(chuàng)新性人才；作為商業(yè)性資源，其勘探開發(fā)必將拉動整個行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、增加就業(yè)機會、促進經(jīng)濟快速發(fā)展?？梢灶A言，開展煤層氣和頁巖氣研究，必將為我國社會帶來重要的經(jīng)濟效益和社會效益。

表3 中國與美國煤層氣和頁巖氣資源量對比(據(jù)EIA，新一輪油氣資源評價結(jié)果等)

3.2 著力解決當前階段煤層氣和頁巖氣的關(guān)鍵地質(zhì)和技術(shù)問題

煤層氣、頁巖氣在美國都已實現(xiàn)商業(yè)性的開發(fā)，但在我國其勘探開發(fā)和研究程度都很低，同時也各不相同。應有針對性的找準關(guān)鍵性問題，借鑒美國先進的經(jīng)驗，根據(jù)我國實際，創(chuàng)新地質(zhì)理論，攻克技術(shù)難題，以此指導和推進各類非常規(guī)天然氣快速有效的勘探開發(fā)。

煤層氣處于開發(fā)試驗階段，個別盆地有小規(guī)模的商業(yè)性開采。與美國相比，我國的含煤盆地成煤年代早、后期構(gòu)造運動改造大、儲層非均質(zhì)性強，煤層氣成藏和富集規(guī)律更為復雜?？偨Y(jié)煤層氣形成機理和分布規(guī)律，深入分析煤-水-氣的耦合關(guān)系，發(fā)展高、低煤階的煤層氣開采技術(shù)和低滲透性煤層的改造技術(shù)，是有效促進煤層氣大規(guī)模商業(yè)性開采的關(guān)鍵所在。

頁巖氣目前還處于探索研究階段。至今尚無一家機構(gòu)對我國的頁巖氣資源進行整體系統(tǒng)的調(diào)查評價，對我國的頁巖氣資源的認識程度還遠遠不夠，有利勘探開發(fā)區(qū)域和層系尚不明晰。通過開展頁巖氣資源的戰(zhàn)略調(diào)查和資源評價工作，查清我國的頁巖氣資源狀況，建立我國頁巖氣調(diào)查與選區(qū)的技術(shù)標準，在此基礎(chǔ)上評價優(yōu)選勘探開發(fā)有利目標區(qū)和富集區(qū)，使我國的頁巖氣盡快實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)。

3.3 深入研究現(xiàn)實國情下的煤層氣和頁巖氣勘探開發(fā)和管理政策

對于煤層氣，國家規(guī)劃方面、管理方面和財稅價格方面，近幾年出臺了一系列的相關(guān)決定、通知和意見[31]，對加快煤層氣的勘探開發(fā)到起了積極作用。但同時，在煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，仍存在著一些問題，諸如煤炭和煤層氣的礦業(yè)權(quán)疊置，導致相關(guān)部門和企業(yè)的管理權(quán)限分歧和利益沖突。而對于剛剛起步的頁巖氣，包括礦業(yè)權(quán)、頁巖氣價格、稅收、專項研究基金、市場準入資格、環(huán)境等方面的各項政策都尚未建立[32]，這需要我國政策制定者根據(jù)我國的現(xiàn)實國情，及時開展調(diào)研，借助煤層氣的成功經(jīng)驗和失敗教訓，未雨綢繆，建立健全法律法規(guī)，引導和推動頁巖氣產(chǎn)業(yè)化健康化發(fā)展。同時，統(tǒng)籌非常規(guī)能源管理，能有效的規(guī)避礦區(qū)內(nèi)勘探開發(fā)中的各種問題和矛盾，而統(tǒng)籌加強天然氣管網(wǎng)建設(shè)，亦能加快非常規(guī)天然氣的勘探開發(fā)步伐，促進我國經(jīng)濟發(fā)展。

致謝：在論文的完成過程中，中石化勘探開發(fā)研究院的博士后聶海寬同志提供了許多建設(shè)性的意見和建議，在此表示衷心感謝。

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