国内外煤层气勘探开发态势与技术方法进展

1.国内外煤层气勘探开发态势与技术方法进展1.1、国外煤层气产业发展现状1.1.1.世界煤层气资源分布世界目前已经发现有74个国家拥有煤炭资源，也同时蕴藏着煤层气资源（刘洪林等，2009）。世界煤层气资源储量为91×1012m3~260×1012m3，约占常规天然气资源的50%（张新民等，2010），主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚，这五个国家合计占90%（姚国欣，2010）。据不完全统计，世界煤层气资源北美地区占35%，俄罗斯及中亚占32%，亚太占21%，欧洲占10%，非洲2%（贾承造等，2007）。表1主要产煤国煤层气原地资源量统计表序号国家资源量/（万亿m3)序号国家资源量/（万亿m3)1俄罗斯17~1137波兰32加拿大6~768英国23中国27.39乌克兰24美国11~21.1910哈萨克斯坦15澳大利亚8~1411印度16德国312南非1合计261数据来源:国际能源机构(IEA)20101.1.2.国外煤层气勘探开发态势各国近些年煤层气产业均取得了不同程度的发展，煤层气资源商业开发的较好的有美国、加拿大和澳大利亚，其他有19个国家已钻探了煤层气探井开展研究（截止至2009年）。（1）美国美国是世界上煤层气产业化实现最早、产量最高的国家，已在圣胡安、黑勇士、北阿帕拉契亚、粉河等多个盆地进行大规模开发。美国1200m以上深度内煤层气地质储量达11.3×1012~24×1012m3，这些资源分布在14个含煤盆地中。美国健全的煤层气产业发展是由以下因素促成的：美国矿业局要求地下采煤前需要先脱气；石油危机后联邦政府颁布《原油意外利润税收法》第二十九款以鼓励开发非常规天然气资源；美国相关研究机构研究所取得技术方面的进展；相关公司（阿莫科Amoco）的研究。美国对煤层气资源研究开发从20世纪50年代开始，至70年代晚期，在圣胡安盆地和黑勇士盆地进行大量开采试验。80年代随着裸眼完井技术和空气钻井技术的成熟，开始进行大规模商业性开发，美国煤层气产业由此诞生。90年代后，随钻取心、层内水平井、定向羽状和复合完井等钻井完井技术的试验研究，美国煤层气产业得到迅速发展。图1美国煤层气年产量示意图(2)加拿大加拿大煤层气资源很丰富，总量约为17.9×1012m3~76×1012m3，其中艾伯塔省约为14×1012m3，是加拿大最主要的煤层气资源区。2000年后，在加拿大政府支持下针对加拿大低变质煤开展了一系列研究工作，多分支水平井、连续油管压裂等技术取得重大进展，降低开采成本。2003年EnCanahe公司和MGV公司合作试采气5.1×108m3，此后加拿大煤层气勘探开发快速发展。2004年煤层气产量为15.5×108m3，2005年为31×108m3，至2007年产量达到103×108m3。加拿大煤层气产业化开发利用迅速发展取决于以下原因：政府大力支持煤层气的发展，将其作为一种天然气进行管理，矿权管理采用矿权拍卖制度；加拿大主要是低变质煤，多分支水平羽状井、连续油管压裂等技术的成功应用降低了煤层气开采成本；北美常规天然气储量产量下降，天然气价格上涨，促使煤层气发展。(3)澳大利亚澳大利亚煤层气资源量为10×1012m3~14×1012m3，主要分布在东部悉尼、鲍恩和苏拉特3个含煤盆地。澳大利亚早在1976年就开始在鲍恩盆地开采煤层气，0100200300400500600198919911993199519971999200120032005200720092011年产量/108m3年份1987~1988年成功运用地面钻井法开采出煤层气，水平井高压水射流改造技术的成功开发和应用，使鲍恩盆地煤层气勘探开发取得重大突破。澳大利亚煤层气快速发展得益于政策上的鼓励和引导，其要求煤层瓦斯低于3m3/t以下煤炭采可以开采，保证了“先采煤后采气”的实施；昆士兰州要求天然气发电必须占本州总发电量的13%，促使了煤层气产业的发展。而健全的煤层气特征数据库及良好的外资投资环境，使澳大利亚吸引了众多投资者，使煤层气进入工业化开采阶段。2004年煤层气产量为13.56×108m3，2010年达到了58x108m3。1.1.3.国外煤层气理论技术进展在1993年首次出版论文集探讨煤中烃化物的形成和煤层气的形成（Law，Rice，1993），随后的研究成果有煤层气形成的过程和有机质的煤化作用（Levine，1993）、煤层气的形成和起源（Rice，1993）、煤层气形成的沉积背景（Flores，1993）、煤层气吸附作用的原理（Yeeetal.，1993）、高煤阶煤矿化作用与储量的关系（Gayer，Harris，1996）、煤基质收缩与生气、渗透率变化之间的关系(Levine，1996）、有论文认为煤层气是一种资源但在矿井中会产生危害（Flores，1998），研究了瓦斯在地下矿井中的突出、排放，以及储层的吸附特征、渗透率和资源评价。从煤组分的角度研究了煤层气的组分（Clayton，1998），后来又有学者从不同角度研究煤层气的组分（Flores，2008）.由Mastalerz等（1999）编写的一部影响深远的书中包括了煤层气产业的管理体制、资源评估、煤层气藏的管理、储层评价、甲烷排放和数学建模。研究成果还包括微生物的对煤层气的催化作用（Scott，1999），煤层气性质的概率分析（Zuber，1999）等。90年代中期美国高煤阶煤煤层气产量大增，促使了对低煤阶煤如粉河盆地煤层气的勘探和开发，这些开发催化了对低煤阶煤的研究。第一部关于低煤阶煤的国际论文集论述了生物气的生成（Flores，2008），研究了煤中共生甲烷菌在实验室中的生物动力学，认为煤层气可以按阶段生成，而不是单纯的生物成因或是热成因。煤层中CO2封存和甲烷再生（Karacanetal.，2009）。国外近期其他研究成果包括煤层生成矿物金属元素催化作用（Medina，2000；Butalaetal.，2000；Ramaswamy，2002）、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不准确性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤层气渗透率随煤层气解吸的变化规律等（秦勇，2005）、本源菌条件下的褐煤生物气生成行为与机理（Donladetal.，2008；Lietal.，2008；Michaeletal.，；Steveetal.，2008）。国外建立的储层模型有气体吸附-扩散模型、组分模型、黑油模型，而气体-吸附扩散模型有包括三种：经验模型、平衡吸附模型、非平衡吸附模型。储层模型的发展方向是以三孔隙、双渗透率、全气田范围和多组分模拟的模型为基础，具有处理注入惰性气体进行甲烷强化开发和由水蒸发引起的脱水效应以及气体不纯影响的强大功能（张群，2004）。1.2中国煤层气基础研究以及勘探发技术现状和进展1.2.1.煤层气基础研究新进展（1）煤层气成因类型及其判识煤层气成因研究建立在地球化学方法对气体来源的判识基础之上（戴金星、1986，Rice，1993，Scott等，1994）。煤层气起源有微生物成因、热成因、运移热成因、混合成因，深部气成因以及无机质催化等（秦勇，2005），部分地区煤层气碳稳定同位素显示不同成因煤层气的叠合。通过煤层气组分、碳同位素及氢同位素研究，对不同地区煤层气成因进行厘定，建立了相应的化学指标（王彦龙、张小军，2004）。从本源菌微生物地区化学角度阐释了煤层气的形成机理（王爱宽，2010），发现褐煤样品中存在本源活性厌氧细菌，其作用所生成的甲烷的碳、氢同位素均处于次生生物气正常范围，褐煤生物气应是多种微生物共同作用的结果。肯定了无机质催化作用的重要性（刘文汇，2000；李术元等，2002；宁占武等，2004；鲁红选等，2007；肖芝华等，2008），但一些学者发现某些矿物对天然气生成起着抑制作用（赵桂瑜等，2005）。通过对贵州水城气煤样品实验发现黄铁矿对甲烷生成具有显著的促进作用，钼的添入亦产生了诸多的影响；发现催化生烃过程碳同位素呈现规律性变化；建立由矿物/元素地球化学和油气地球化学指标构成的催化成因煤层气判识模型（吴艳艳等，2009，2011，2012）。以织纳煤田对煤层重烃气成因进行了研究（秦勇，2012），认为其可能为深部无机成因，提出“重烃异常有机质死孔保护效应”假说，机理在于两个方面：一是封闭孔隙中较高的微环境压力阻碍重烃发生裂解反应，使得重烃在较高地层温度条件下得以保存；二是煤中封闭空间阻隔了重烃与外界的物质交换，重烃气没有受到稀释，依然保持着较高的浓度及原生成因信息。（2）煤储层特征及储层评价煤储层特性包括裂隙-孔隙特性、吸附性、含气性以及煤储层压力。传统认识建立在干燥煤样为基准的基础上：Langmuir”三段式”演化模式；我国通过对煤在平衡水条件下的吸附特性及其演化规律的研究：“两段式”（叶建平等1999；张群等1999；傅雪海等2002）对于煤层气裂隙-孔隙系统，国内外一直将其看成裂隙-孔隙组成的“双重孔隙”结构系统（Close，1993），后来有研究者采用分形理论和方法对其进行描述（何学秋，1995；赵爱红等，1998），最后发展为三元孔隙裂隙系统，即宏观裂隙-显微裂隙-孔隙三元裂隙-孔隙介质，并建立分形数学模型和分类方案（傅雪海等，2001）。国家973计划在此方面进行了大量研究：对高级煤储层参数厘定并提出煤储层评价方法；提出易实施、对比的储层物性参数获取方法：压汞试验、低温氮吸附、单相渗透率；优化储层物性的描述参数：孔隙度、孔喉平均直径、比表面积、渗透率、储层压力梯度（刘大锰，2004）；以沁水盆地为例提出高煤阶煤储层孔隙系统的地质模型和相应的分形数学模型，分析了各模型的储层物性贡献；针对我国高煤阶煤储层的低渗透性特征开展煤储层大裂隙系统研究，提出不同煤阶的低渗透性煤储层大裂隙系统发育特征不同；提出热演化作用、沉积成岩作用和构造应力应变是造成煤储层非均质性的主要原因（王生维，2004）。其他的研究成果：计算分析有效应力、煤基质收缩、气体滑脱效应等因素对渗透率的影响及其叠加作用的表现（汪吉林等，2012）、煤层气分馏效应的研究（陈润，2009）、煤储层弹性能及其对煤层气成藏的控制作用（吴财芳，秦勇，2007）、我国煤层气储层异常压力的成因分析（李仲东等，2004）、岩体结构对含煤岩系变形的控制作用（王庆伟，2008）。（3）煤层气成藏动力场研究煤层气成藏的前提是煤层气富集，宏观上受沉积埋藏史、构造演化史、煤化作用史、地下水活动史和有机质生气史“五史”配置关系的控制，实质上是构造应力场、热力场、流体化学场、流体动力场“四场”互动的过程。构造应力特征和内部应力分布不均导致煤储层和封盖层各种条件差异性的资源原因，进而影响到煤储层的含气性和可采性。有研究从3个不同的层次剖析了构造活动对煤层气成藏的控制作用：就含煤盆地层次而言，区域构造背景及其演化是控制煤层气聚集区带形成和分布的根本要素；就含煤盆地内部次级构造层次而言，不同的构造样式及构造岩性圈闭是控制煤层气赋存、富集的主导因素；而从储层层次来看，构造通过对储层孔隙—裂隙系统的影响控制了煤层渗透率及其非均质特性。（方爱民，2005）。另外还有人提出向斜部位煤层气富集理论，向斜部位的煤层水具有向心流动机制，流速缓慢，溶解气不因水的流动而大量散失；另一方面，向斜部位煤层水矿化度高，减小了煤层气在水中的溶解度，从而对煤层气起到一定的封堵作用；向斜构造的两翼与轴部中和面以上表现为压应力，顶板与煤层断裂或裂隙不发育，阻止了煤层气向上逸散，有利于煤层气在此部位的富集（李贵中，2005）。在热动力学控制成气方面认识到东部晚生代古热场具有“多期热源叠加”特征（叶建平等，2001），在水文地质条件区域控气作用、控藏作用、数值模拟和评价理论等方面取得进展（骆祖江、杨锡禄，1997；骆祖江，叶建平，2001；叶建平2002），研究了水文地质对生物气运移产生的影响，生物气首先以水溶气方式发生远距离的横向运移以后再以游离相进行垂向运聚成藏，（李本亮等，2003）。在水化