能源地质学—中国煤层气与页岩气勘探开发的综合研究

页 岩 气
页岩气储存在低孔低渗的源岩 内，源岩本身是良好的盖层， 不需要其他岩性的介质作为盖 层 页岩气藏形成于烃源岩层内， 气藏范围可近似等于生气源岩 面积，不需要常规意义上的圈 闭 通常位于或接近于盆地的沉 降—沉积中心处，具有广布性。
煤层及其中的碎屑岩夹层内，储 泥/页岩及其间砂质岩夹层内， 储层具有低孔低渗的特征 层具有低孔低渗的特征
图8 煤层气吸附、解吸及运移示意图
4. 煤层气与页岩气的富集机理
煤的储气能力与煤的煤岩组分、变质程度、温度和压力有
关。因此，煤层气存在聚集方式、动力类型以及成藏特征
与常规天然气藏有较大差别。
3. 煤层气与页岩气的富集机理
由于煤层气主要以吸附 作用为主，吸附气含量 通常大于80%，游离气和 溶解气比例很小，因此 ，可以不需要通常的圈 闭存在。只要有较好的
盖层条件，能够维持相
当的地层压力，无论在 储层的构造高部位还是
低部位，都可以形成气
藏。
图9 煤层气成藏阶段保存条件示意图
3. 煤层气与页岩气的富集机理
6. 结论
3. 煤层气和页岩气的富集特征
煤层气和页岩气均为自生自储，吸附成藏的非常规天然气。
页岩气富集区页岩厚度往往较大，裂隙发育，热演化程度
合适，如美国的Barnett页岩（Bowker，2007；Zhao 等,2007；Pollastro,2007）。
它们在富集特征上有许多相似之处，也存在着明显的不同。
有机组分的含量和成分决 含量多少决定了生气量的 定了生气量的多少，有机 多少，是页岩气富集的主 组分越高生气量越高 要影响因素 来自于生物气或热成因气 来自于生物气或热成熟气
影响煤的变质程度，决定 了煤的产气和储气能力， 是煤层气富集的主要影响 因素 主要成分为CH4、含少量 的CO2、N2、H2、SO2、 C2H6 影响有机碳的成熟度，进 而决定了产气能力，是页 岩气富集的主要影响因素 主要成分为CH4、含少量的 CO2、N2、H2、SO2、C2H6
图1 中国天然气生产量、消费量、出口量对比图
预测2015年需求量1560亿，缺口约560亿m3， 2020年需求量2930亿m3，缺口将达1000亿m3
1. 煤层气与页岩气现状研究
图2 世界常规油气资源和非常规油气资源可开采量对比
1. 煤层气与页岩气现状研究
图3 中国常规油气资源和非常规油气资源可开采量对比
盖层条件
储集与 分布特 征
圈闭条件
分布特点 分布在具有生气能力的煤岩 水文地质 条件
页岩气藏形成和存在于低孔低 渗的泥页岩内，其富集不需要 特定的水文地质条件。
3. 煤层气和页岩气的富集特征
表6 煤层气和页岩气在富集特征（渗流与运移特征）上的异同
富集条件
煤 层 气
页 岩 气
孔隙与微 孔隙和裂隙发育较好的煤层有 裂 隙 发 育 利于煤层气的储存和渗流，是 程度 煤层气富集和高产的主要影响
以吸附气为主，含少量游离气和 吸附气和游离气同时赋存 溶解气
存在于煤岩的微孔隙和微裂隙中 存在于页/泥岩的微孔隙和微裂隙 中
2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法
煤层气和页岩气的富集有许多特征，如气体来源、储集介
质等。
评价这些特征需要许多方法，有些方法仅适合煤层气储层， 有些数据仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。
岩心描述 煤 层 气 和 页 岩 气
含气量 源岩密度 常规测井 特殊测井 不稳定试井
用来确定气藏压力、渗透率、表皮系数、裂缝性储层性能 等参数 用来确定气藏的空间位置和故障的空间位置，以及煤层／ 三维地震勘探 页岩的性质
目
录
1. 煤层气与页岩气现状研究 2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法 3. 煤层气和页岩气的富集特征 4. 煤层气与页岩气的富集机理 5. 煤层气与页岩气的开发技术
60~88
0.5~5.5 <0.1 0.46~0.58 4.97
1. 煤层气与页岩气现状研究
煤层气方面除美国外、加拿大、澳大利亚、和中国等国家也已获得突破。 截至2009年底，我国已建煤层气产能25 x108m3/a，全年煤层气产量超过 10 x108m3(新华网 2011)。2010年地面煤层气抽采量为15.8 x108m3。
我国页岩气研究存在的问题
页岩的研究观念有待转变：前期研究都是将泥页岩作 为烃源岩、盖层进行研究，极少把页岩作为储层进行研 究； 页岩气富集机理研究没有系统展开：国内前期主要侧 重对泥页岩裂缝油气藏研究，页岩气研究基础薄弱，缺 乏针对性的页岩气研究，对富集机理、富集条件（主控 因素）、富集模式及富集单元（体系）划分原则没有展 开系统研究； 缺乏应用研究：页岩气偏重理论研究，缺乏实践应用 。
目
录
1. 煤层气与页岩气现状研究 2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法 3. 煤层气和页岩气的富集特征 4. 煤层气与页岩气的富集机理 5. 煤层气与页岩气的开发技术 6. 结论
3. 煤层气与页岩气的富集机理
煤层气主要成份为甲烷，含
量组成为80％～99％，
其次含有少量的CO2、N2、
H2、SO2、C2H6等气体。
目
录
1. 煤层气与页岩气现状研究 2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法 3. 煤层气和页岩气的富集特征 4. 煤层气与页岩气的富集机理 5. 煤层气与页岩气的开发技术 6. 结论
1
2 2
煤层特征
3
4
5
6
7
8
9
10
页岩
页岩孔裂隙结构
16
页岩孔裂隙结构
17
2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法
2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法
表2 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法 适用 范围 煤 层 气 评价 方法 显微组分分析 镜质组反射率 发热量 等温吸附 有机碳总量 页 岩 气 矿物分析 有效页岩厚度 岩石热解作用 获取参数 分析不同显微组分类型、含量和空间关系。用来分 析煤储层对气体的吸附能力和渗透率 是确定中高煤级煤的成熟度简单和有效的方法 用来确定低煤级煤的成熟度 用来描述煤岩储层的吸附和解吸能力。 有经济开采价值的页岩气源岩必须富含有机质。有 机碳总量是指页岩气源岩中有机碳的总含量 用来确定矿物成分和黏土矿物成分，源岩成分是影 响页岩气含量的重要因素 页岩（页岩气源岩）厚度需要达到一定的界限，以 保证有足够的有机质及充足的储存空间，这样才能 形成商业性页岩气 估算样品中有机物的热成熟度和生油潜力，确定有 机物转换成烃类的馏分，及通过热转换可能形成的 烃类总量
因素
孔隙和裂隙发育较好的页岩有 利于页岩气的储存，是页岩气 富集的主要影响因素
渗流与 煤层裂隙被充填后降低了渗透 裂 隙 填 充 运移特 率，减少了储存空间，不利于 裂隙被充填后降低甚至阻止了 状况 煤层气的储存和开采 页岩气的扩散，有利于页岩气 征
的保存
地应力 渗流条件
高地应力区有利于煤层气的保 高地应力区有利于页岩气的保 存和富集。 存和富集 页岩属于低孔低渗的储层，渗 煤储层属于低孔低渗的储层， 流和运移性能差 渗流和运移性能差
在我国增加常规油气产量非常困难的情况下，开发煤层气和页岩气 等非常规资源，就成为我国能源可持续发展的现实选择。
1. 煤层气与页岩气现状研究
煤层气和页岩气的勘探开发和利用首先由美国获得成功，并已成
为美国举足轻重的能源工业。
图4 美国非常规天然气产量及前景规划
威利斯顿盆地
密执安盆地
丹佛盆地 尤因塔盆地
3. 煤层气和页岩气的富集特征
表4 煤层气和页岩气在富集特征（源岩、生成与演化特征）上的异同
富集条件
源岩及储层厚 度
煤 层 气
页 岩 气
厚度大的煤层有利于煤层 页岩气的富集需要源岩超 过一定厚度，是富集的主 气的富集 要影响因素
煤岩组分与有 机碳含量
源岩、生 成与演化 特征 气体成因 古地热场特征
干酪根类型
有机碳含量/% 镜质体反射率/% 含气量/（m3· t-1）
Ⅱ
0.5~23 0.4~4 1.7~2.83
Ⅰ
0.3~24 0.4~0.6 1.13~2. 83
Ⅱ
1~25 0.4~0.8 1.13~2.64
Ⅱ
1~13 1.0~2.1 8.49~9.91
Ⅲ为主，少量Ⅱ
0.45~3 1.6~1.88 0.37~1.27
皮申斯盆地
阿纳达科盆地 圣胡安盆地
福特沃斯盆地
产页岩气盆地 其它含页岩气盆地 产气区域
产油区域
美国页岩气盆地分布图（据GTI,USA，2003）
美国含气页岩主要特征
盆地 页岩名称 时代 气体成因 埋藏深度/m 厚度/m 阿巴拉契亚 Ohio 泥盆纪 热解气 610~152 4 91~610 密执安 Antrim 泥盆纪 生物气 183~73 0 49 伊利诺斯 New Albany 泥盆纪 热解气、生物气 183~1494 31~140 福特沃斯 Barnett 早石炭世 热解气 1981~2591 61~152 圣胡安 Lewis 早白垩世 热解气 914~1829 152~579
吸附气含量/% 甲烷含量/%
总孔隙度/％ 渗透率/ （10-3μm2） 地层压力系数 压力梯度/(KPa.m-1)
50 80~95
2~11 <0.1 0.35~0.9 2
70
2~10 <0.1 0.81
40~60 72~76
5~15 <0.1 0.99 4.84
40~60 77~93
1~6 0.01 0.99~1.02 12.21
2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法
表3 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法
适用 范围 评价 方法 气体组成 获取参数 指产出气体中甲烷、二氧化碳、氮，以及乙烷的百分比含 量，用于确定气的纯度 观察和描述源岩的颜色、亮度、层理、割理间隔、矿物成 分、源岩层厚度及其他因素。提供有关源岩组成、渗透率 及非均质性的见解 指单位重量的源岩中含有天然气的体积，包括吸附气、游 离气、溶解气。 通过密度测井曲线分析密度与其他参数 (例如煤灰分含量与 煤层气含量)之间的关系，用来确定煤和页岩的厚度等参数 用来确定煤层和页岩的厚度，以及确定页岩中的孔隙度和 饱和度值 用图像测井判定裂缝，电缆光谱测井确定源岩层气体含量
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中国煤层气与页岩气勘探开发的 综合研究
琚宜文 中国科学院大学
目
录
1. 煤层气与页岩气研究现状
2. 煤层气与页岩气概念及其评价方法 3. 煤层气和页岩气的富集特征 4. 煤层气与页岩气的富集机理
5. 煤层气与页岩气的开发技术 6. 结论
1. 煤层气与页岩气现状研究
我国经济持续快速发展，能源需求不断增加，天然气需求迅速增长。
气体组成
3. 煤层气和页岩气的富集特征
表5 煤层气和页岩气在富集特征（储集与分布特征）上的异同
富集条件
储集介质
煤 层 气
煤层气藏的形成需要良好的 盖层条件，使吸附在煤层中 的烃类气体以吸附状态较长 时间地保存在煤层中 煤层气以吸附作用为主，游 离气和溶解气比例很小，因 此可以不需要通常的圈闭存 在 内部，具有广布性 煤层气富集及形成超压的主 要因素之一，滞缓类中的封 闭亚类及停滞类中的封闭亚 类为最佳水文条件
煤层气主要以吸附态赋存于
煤层孔隙表面或填隙于煤层
结构内部，
图7 煤层气吸附、解吸示意图
另外煤层裂隙与煤层水中存
在少许游离气与溶解气。
4. 煤层气与页岩气的富集机理
煤化作用过程中形成的天 然气通过吸附、解吸、运 移（最主要是吸附），使 煤层气原地聚集或短距离 运移，（Scholl，1980； Tadashi et al., 1995）将 天然气聚集起来，为典型 的吸附富集机理。
图5 中国主要盆地煤层气资源分布图
1. 煤层气与页岩气现状研究
页岩气方面除美国外，加拿大也开始了规模化生产，中国和澳大利亚等 国也已开始了实验性研究。
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图6 中国主要盆地页岩分布图
我国煤层气气研究存在的问题
煤层气赋存状态有待进一步深入
复杂地质条件下煤层气富集机理研究没有系统展开
煤层气储层改造技术有待加强
煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规 天然气，它们在概念特征上既有联系，又有区别。
表1 煤层气与页岩气概念的比较 气 页 岩 气
煤 层 气体来源 气体组成 气体成因 赋存状态 赋存方式
煤的形成和变质作用过程中产生 源岩中成熟有机质的分解或裂解 的 主要成分为CH4、含少量的CO2、 主要成分为 CH4 、含少量的 CO2 、 N2、H2、SO2、C2H6 N2、H2、SO2、C2H6 热成因气，生物成因气，或混合 热成因气，生物成因气，或混合 气 气