中国煤层气和页岩气富集特征及开采技术的异同
作者简介:冼，男，博士，教授，博士生导师。北京玉泉路19号中国科学院研究生院，10049，010-88256466，13810002826，Juyw03 @ 163.com。
(中国科学院研究生院地球科学学院，北京100049)
摘要:煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前，我国煤层气产业已实现商业化生产，但页岩气仍处于实验阶段。在一些能源盆地中，煤层气和页岩气源岩将同时存在，它们可能相邻或在近或远的层位中。煤层气和页岩气虽然气源和赋存层位不同，但在富集特征、运移过程和开发技术上有一定的特点。煤层气的富集主要以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集以吸附或游离状态存在于高碳页岩中。煤层气和页岩气都储存在低孔隙度、低渗透率的储层中，其开采技术包括评价技术、测试技术、钻井技术和储层改造技术。如果一个盆地同时存在煤层气和页岩气，可以考虑使用同一口井同时开采煤层气和页岩气，提高其开采效率，促进非常规天然气产业的快速发展。
关键词:煤层气和页岩气富集特征开发技术，储层改造
中国煤层气和页岩气富集特征及开采技术的异同
居颜晁锋芳文静
(中国科学院研究生院地球科学学院，北京，100049)
摘要:煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前，中国煤层气产业已实现商业化生产；然而，页岩气生产仍处于实验阶段。煤层气和页岩气的烃源岩会一起出现在某个能源盆地中，它们可能相邻，也可能在近层或远层。虽然煤层气和页岩气在来源、赋存层位等方面有所不同。有一些共同的情况，如富集特征、迁移程序和开发技术。煤层气主要富集在以吸附态存在的煤层中，页岩气富集在以吸附态或游离态存在的高碳泥岩或页岩中。因为煤层气和页岩气都储藏在低孔隙度和低渗透率的储层中，它们的开采技术包括评价、测试、钻井和储层增产等。如果煤层气和页岩气都在同一个盆地中，那么它们可以在同一口井中开采，从而提高它们的开采效率，非常规天然气工业将得到迅速发展。
关键词:煤层气；页岩气；富集特征；开发技术；油藏增产
1前言
中国经济持续快速发展，对能源的需求不断增加，对天然气的需求快速增长。预测2005年201560亿m3需求为1560亿m3，缺口约560亿m3，2020年需求为2930亿m3，缺口100亿m3(王一兵等，2010)。煤层气、页岩气等非常规天然气是世界油气勘探的重要目标(Ross et al .，2008)。中国增加常规油气产量难度很大，开发煤层气、页岩气等非常规资源成为中国能源可持续发展的现实选择。
煤层气和页岩气的勘探、开发和利用首先在美国获得成功。自2006年以来，美国煤层气年产量一直稳定在540亿m3以上(李武忠等，2008)，2009年美国煤层气产量达到542亿m3。2009年，美国有近98590口页岩气生产井，页岩气年产量接近100亿m3(崔青，2010)。2010年，美国页岩气探明储量超过60万亿m3，产量达到100亿m3，占其天然气总产量的1/。煤层气和页岩气产业已经成为美国重要的能源产业。除了美国，加拿大、澳大利亚和中国也在煤层气方面取得了突破。截至2009年底，中国已建成煤层气产能25亿m3，年地面煤层气产量超过6543.8+0亿m3(新华网，2065.438+065.438+0)。2010年，地面煤层气抽采量为15.8亿m3。除了美国，加拿大页岩气也开始大规模生产，中国、澳大利亚等国也开始了实验研究。
在一些能源盆地中，煤层气和页岩气源岩将同时存在，它们可能相邻或在近或远的层位中。在地质过程中，生物化学或物理化学作用产生的气体将分别储存在煤层气或页岩气藏中。如果不同的储层通过断层或裂缝相连，可能会形成混合储层或非常接近的储层。煤层气和页岩气虽然气源和赋存层位不同，但在富集特征、运移过程和开发技术上有一定的特点。在开采煤层气或页岩气的过程中，如何从两个相距较近的储层中提取气体？如果两个储层相距较远，是否可以同时开采煤层气和页岩气？
经过多年的探索、实验和研究，我国煤层气地质研究在煤层气赋存的地质过程和动力机制研究、煤层气储集系统和聚散机制研究、煤层气储层经济高效开发的场效应研究等方面取得了显著进展(Telly，2003；唐大珍等，2003)；同时，选评价技术、钻井技术、压裂技术、排水技术等开发技术取得重要突破(李家川等，2011)。近年来，页岩气勘探理论和技术取得了一些成果(程克明等，2009；聂海宽等，2010；张金川等人，2008年)。
我国煤层气的问题是地质条件复杂——低渗、低压、低饱和度，开发理论和技术上的许多问题没有解决，储运困难，利用率低。中国的页岩气还在研究阶段，还没有开始试生产。页岩气的渗流机理研究很少(刘德华等，2011)。因此，应加强煤层气基础理论研究，进一步提高对煤层气的认识，提高开采效率和资源利用率；应加强页岩气富集特征和渗流机理的研究，形成系统的开发技术体系，促进页岩气产业发展。
本文在前人研究的基础上，探讨了煤层气和页岩气的富集特征与开采技术的异同。研究的目的是探索煤层气和页岩气富集的内在联系、生成、演化和富集的机制，以及两者同步发展的可能性。因此，对煤层气和页岩气富集特征和开采技术的对比研究，有利于发展适合我国地质条件的非常规天然气地质理论，促进我国非常规天然气产业的尽快形成。
2煤层气和页岩气的概念和评价方法
煤层气，俗称瓦斯，是一种与煤伴生的瓦斯资源，其主要成分是含量为80%~99%的甲烷，其次是少量的CO2、N2、H2、SO2、C2H6等气体。煤层气主要以吸附状态存在于煤层孔隙表面或填充煤层结构间隙，煤层裂隙和煤层水中有少量游离气和溶解气。煤层孔隙和裂隙中的煤层气与煤层水形成一个特殊的水动力系统，只有当储层压力低于解吸压力时，煤层气才能解吸。
页岩气是从富含有机质的页岩地层系统中开采出来的天然气，位于暗色页岩或高碳质页岩中，主要以吸附和游离状态赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中。页岩气开发虽然产能低，但具有开采年限长、生产周期长的优势。由于含气页岩分布广、厚度大，页岩气资源量巨大。因此，页岩气井可以长期稳定产气，一般生产寿命为30-50年，老年人甚至可达80年(夏等，2009；李时珍等，2010)。
煤层气和页岩气都是具有自生、自储、吸附和聚集作用的非常规天然气，二者在概念特征上既有联系又有区别。表1给出了煤层气和页岩气的概念特征对比。
表1煤层气和页岩气概念对比
煤层气和页岩气的富集具有气源、储存介质等诸多特征。评价这些特征需要多种方法(冯等，2010)，有些方法只适用于煤层气藏，有些方法只适用于页岩气藏，有些方法两者都适用。表2列出了一些重要的评估方法。
表2评价煤层气和页岩气藏的重要方法
(据冯等著2010修订)
3煤层气和页岩气的富集特征
煤层气和页岩气都是自生自储，吸附到非常规天然气藏中。页岩气富集区页岩厚度往往较大，裂缝发育，热演化程度适宜，如美国巴奈特页岩(Bowker，2007；赵等，2007；波拉斯特罗，2007年).它们的富集特征有许多相似之处，也有明显的差异。从烃源岩、生成演化特征、储集与分布特征、渗流与运移特征等方面对比了煤层气藏和页岩气藏的富集特征。表3列出了两者在富集特征方面的一些相似之处和不同之处。
表3煤层气和页岩气富集特征的异同
4煤层气和页岩气的富集机理
煤层气是煤成煤过程中形成的烃源岩中天然气的残余部分，煤层既是气源岩又是储气层段。煤化作用过程中形成的天然气就地聚集或短距离运移，主要通过煤层的吸附作用(Scholl，1980；Tadashi等人，1995)聚集天然气，这是一种典型的吸附富集机制。煤的储气量与其岩相组成、变质程度、温度和压力有关。因此，煤层气在成藏模式、动力类型和成藏特征方面与常规天然气储存有很大不同(张金川等，2008)。由于煤层气以吸附为主，吸附气含量通常在80%以上，游离气与溶解气之比很小，不需要有通常的圈闭。只要有良好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，在储层构造的高部位和低部位都可以形成气藏(储慧丽等，2010)。
页岩气富集机制具有典型的“混合”特征。根据富集条件的不同，页岩气富集可分为典型的吸附富集机制、活塞式富集机制或置换富集机制。第一阶段是天然气的生成和吸附，其成藏机制与煤层气相同(张金川等，2003)；第二阶段发生在愤怒的高峰期；随着页岩气生成过程的延续，当页岩有机质颗粒提供的最大吸附气不足以满足生成天然气聚集的需求时，游离天然气开始出现。随着生气过程的持续，天然气在地层中逐渐形成高压，导致沿页岩弱面形成小规模裂缝，天然气开始以游离状态在裂缝中运移聚集。由于页岩孔隙和微裂缝具有细孔喉的特点，游离天然气对地层水的驱替是活塞式整体驱替富集机制。如果天然气产量继续增加，天然气将通过大孔通道进行置换运移，天然气将在水中上下运动，这表明了裂缝系统中的置换富集机制(徐波，2009)。
煤层气和页岩气都产于能源盆地。煤层气源岩的煤岩形成于适合植物生长的沼泽环境，页岩气源岩形成于深湖相或湖中心相(Law，2002)。经过沉积和埋藏成岩作用，受构造变化影响的岩石中产生了断层和裂缝，导致不同层位之间孔隙和裂缝的连通。有机质埋藏变质后，有机碳开始产生气体。随着变质作用的发展，油气的成熟度越来越高，生气量也越来越大。生成的气体大部分吸附在煤层、页岩等不同的储层中，一部分会沿断层、裂缝运移。如果煤层气藏和页岩气藏相邻或非常近，煤层气和页岩气就可能形成两个相邻或相似的气藏，当两个气藏由于气体运移而相邻或相似时，甚至可能出现煤层气和页岩气的混合气藏。
5 .煤层气和页岩气开发技术
煤层气和页岩气开发的关键技术首先是评价技术。利用地质和测井方法评价烃源岩(储层)的性能、含气量、分布范围和丰度，确定储层性能和开发的有利区域。测试技术，测试储层参数，如含气量、吸附性能、微裂缝、渗透率等。压裂技术、水平钻井技术等储层改造技术是指从水平井筒钻多个水平井段，对低渗透储层的技术改造非常有利。
煤层气开发技术包括:(1)钻井技术，包括钻完井技术。如水平井钻井技术、空气欠平衡钻井技术和储层保护钻井技术，是经济、高效、快速形成煤层气孔的关键；(2)储层改造技术:煤层气储层属于低孔低渗储层，需要改造后才能进行商业生产。储层改造措施是提高煤层气产量的重要措施，压裂技术是储层改造的重要技术，如清洁压裂水力压裂技术、水力加砂压裂技术、氮气泡沫压裂技术等增产改造技术，地下微震压裂裂缝监测试验；(3)抽放技术，将煤层气从地下抽到地面的技术；(4)煤层气田低压集输技术，包括集中式压气站和分散撬装式液化装置。
页岩气的开发离不开储层改造技术。美国巴奈特页岩在水力压裂后才开始产气(赵等，2007)。技术进步推动页岩气水平井发展。Barnett页岩气藏90%的新井为水平井(冯等，2010)。储层压裂和重复压裂技术(邹能等，2011)大大提高了页岩气产量，对页岩气的商业化开采起到了决定性作用。
煤层气和页岩气都是非常规天然气，其开发技术有很多相似之处。如果一个盆地同时存在煤层气和页岩气，如果同一口井可以同时进行煤层气和页岩气开采，那么与单一采气相比，单井的产气量和开采寿命都要提高。因此，可以提高天然气生产企业的经济效益。
6结论和理解
煤层气和页岩气都是非常规天然气，它们在储层特征、富集机理、开采工艺等方面有许多相似之处，但它们之间也存在明显的差异。
(1)煤层气和页岩气都是非常规天然气，具有自生、自储、吸附和聚集作用。通过气源、气成分、气成因、赋存状态和赋存方式，比较了它们在概念特征上的联系和区别。评价煤层气和页岩气藏特征有不同的方法，有些方法只适用于煤层气藏，有些方法只适用于页岩气藏，有些方法两者都适用。
(2)煤层气和页岩气在富集特征、运移过程和开发技术上有一定的相似性，但在气源、赋存层位和保存条件上有所不同。煤层气的富集主要以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集以吸附或游离状态存在于高碳页岩中。煤层气的富集需要适当的盖层条件和水文地质条件，而页岩气的富集不需要额外的盖层条件和水文地质条件。
(3)煤层气富集主要是通过吸附聚集天然气，是典型的吸附富集机制；页岩气富集机制具有典型的“混合”特征。根据富集条件的不同，页岩气富集可分为典型的吸附富集机制、活塞式富集机制或置换富集机制。
(4)煤层气藏和页岩气藏均为低孔低渗储层，开采时需要采用储层改造和增渗技术，如水平井技术和储层压裂技术。如果一个盆地同时存在煤层气和页岩气，可以考虑用同一口井同时开采煤层气和页岩气，提高其开采效率。
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