鄒才能，楊智，黃士鵬，馬鋒，孫欽平，李富恒，潘松圻，田文廣

（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

煤系天然氣的研究和發(fā)展，對(duì)推動(dòng)天然氣工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了積極而深遠(yuǎn)的影響。20世紀(jì)40年代，德國(guó)學(xué)者認(rèn)識(shí)到含煤地層中能生成大量天然氣，并能形成工業(yè)氣田[1]。前蘇聯(lián)從20世紀(jì)50年代起開(kāi)展煤系氣研究并指導(dǎo)天然氣勘探，先后在西西伯利亞盆地和卡拉庫(kù)姆盆地發(fā)現(xiàn)了一批大型和特大型氣田，使得前蘇聯(lián)從貧氣國(guó)躍居為世界產(chǎn)氣大國(guó)，并長(zhǎng)期保持世界第一[2]，西西伯利亞盆地在當(dāng)今也是世界上最大的煤系氣產(chǎn)儲(chǔ)盆地[3]。中國(guó)煤系氣的研究、勘探始于20世紀(jì)70年代，“成煤作用中形成的天然氣與石油”一文[4]，一般作為天然氣地質(zhì)學(xué)的開(kāi)端，是中國(guó)煤成氣理論研究的里程碑[5-6]。煤成氣理論打破了煤系是天然氣勘探禁區(qū)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為開(kāi)辟天然氣勘探新領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)中國(guó)天然氣工業(yè)跨越發(fā)展提供了重要科學(xué)指導(dǎo)。2017年中國(guó)天然氣儲(chǔ)量、產(chǎn)量分別為157 748.13×108m3（煤系氣占比58.7%）和1 467×108m3（煤系氣占比61.5%），與煤成氣理論出現(xiàn)之前的1978年相比，分別提高了96倍和10.7倍，中國(guó)從貧氣國(guó)變?yōu)槭澜绲?大產(chǎn)氣國(guó)[7]。本文通過(guò)梳理全球煤系天然氣的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展、聚煤期形成分布特征，厘清煤系天然氣資源類型、形成條件和分布規(guī)律，評(píng)價(jià)展望煤系天然氣發(fā)展前景，以期為從事煤系天然氣發(fā)展研究的科研工作者提供參考。

1 煤系天然氣的內(nèi)涵與資源類型

煤系天然氣，是指煤系中煤、炭質(zhì)泥頁(yè)巖和暗色泥頁(yè)巖生成的天然氣[7]，包括在煤、炭質(zhì)泥頁(yè)巖和暗色泥頁(yè)巖等煤系源巖中滯留的煤層氣、頁(yè)巖氣，和從煤系源巖中運(yùn)移出來(lái)在煤系中或其外聚集形成的煤系氣藏。煤系天然氣包括非常規(guī)“連續(xù)型”和常規(guī)“圈閉型”2種主要類型，可細(xì)分為非常規(guī)“煤層氣”、“頁(yè)巖氣”、“致密氣”、常規(guī)“圈閉氣”等資源類型，在聚集形態(tài)、聚集機(jī)理、分布特征、勘探開(kāi)發(fā)方式等方面均有明顯的不同（見(jiàn)圖1）。本文主要闡述的煤系氣資源為源內(nèi)煤層氣、源外致密氣及常規(guī)“圈閉氣”。

圖1 煤系天然氣資源類型、形成分布與勘探開(kāi)發(fā)方式

2 全球煤系氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展

2.1 源外煤系氣

煤系氣的勘探可以追溯到20世紀(jì)40年代，德國(guó)西北盆地埃姆斯河流域至威悉河以西地區(qū)發(fā)現(xiàn)煤系氣田[1]。1959年在西荷蘭盆地東北部，發(fā)現(xiàn)世界第一個(gè)儲(chǔ)量超萬(wàn)億立方米的煤系氣田格羅寧根氣田（可采儲(chǔ)量為2.7×1012m3）[8]。（見(jiàn)圖2）。德國(guó)西北盆地發(fā)現(xiàn)40個(gè)氣田、西荷蘭盆地發(fā)現(xiàn)約40個(gè)氣田，在英吉利盆地海上部分上石炭統(tǒng)、赤底統(tǒng)分別發(fā)現(xiàn)10個(gè)和52個(gè)氣田，上述氣田氣源均為上石炭統(tǒng)煤系（見(jiàn)圖2）[8]。俄羅斯西西伯利亞盆地天然氣大部分為煤系氣（見(jiàn)圖2），白堊系波庫(kù)爾組煤系為主要?dú)庠磶r，發(fā)現(xiàn)了10個(gè)萬(wàn)億立方米級(jí)以上的大氣田，包括當(dāng)時(shí)世界第1大氣田烏連戈伊氣田（可采儲(chǔ)量為10.75×1012m3）和第2大氣田亞姆堡氣田（可采儲(chǔ)量為5.24×1012m3），2011年該盆地天然氣產(chǎn)量和可采儲(chǔ)量分別為5 392.8×108m3和32.1×1012m3，分別占到俄羅斯的84%和72%[3]，至2015年已采出6.3×1012m3天然氣。美國(guó)發(fā)現(xiàn)致密砂巖氣藏的盆地23個(gè)，主要分布在落基山地區(qū)，白堊系煤層和煤系泥巖是主要?dú)庠磶r（見(jiàn)圖2）。

至2016年底，中國(guó)共發(fā)現(xiàn)煤系大氣田39個(gè)（見(jiàn)圖3），包括中國(guó)探明地質(zhì)儲(chǔ)量和產(chǎn)量最大的氣田——蘇里格氣田，煤系大氣田占全國(guó)大氣田總數(shù)（59個(gè)）的66%，主要分布在陸上鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地和柴達(dá)木盆地，以及海域鶯歌?！倴|南盆地、東海盆地。2017年底中國(guó)煤系氣儲(chǔ)量、年產(chǎn)量分別為92 538.51×108m3、902.14×108m3，近12年來(lái)共產(chǎn)煤系氣6 620.53×108m3[7]。

2.2 源內(nèi)煤層氣

全球煤層氣資源豐富，美國(guó)、澳大利亞、加拿大、俄羅斯等是主要產(chǎn)氣國(guó)（見(jiàn)圖2、表1）。美國(guó)是最早和最成功勘探開(kāi)發(fā)煤層氣的國(guó)家，煤層氣可采資源量為21.19×1012m3，圣胡安、黑勇士、粉河、尤因塔、拉頓、阿巴拉契亞、阿克瑪、皮申斯是煤層氣商業(yè)化生產(chǎn)的8個(gè)主要盆地。美國(guó)煤層氣起步于上世紀(jì)70年代，2008年產(chǎn)量峰值為556.7×108m3，近年來(lái)發(fā)展放緩，2018年產(chǎn)量為289×108m3，占天然氣總產(chǎn)量的3%，其中一半來(lái)源于圣胡安盆地。澳大利亞是另一個(gè)煤層氣大國(guó)，估算煤層氣資源量為（8～14）×1012m3，主要分布在蘇拉特、鮑溫等盆地。近年來(lái)澳大利亞煤層氣產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，2017年總產(chǎn)量為397.7×108m3，其中蘇拉特盆地產(chǎn)量為307.4×108m3，鮑溫盆地產(chǎn)量為90.3×108m3。加拿大煤層氣地質(zhì)資源量為76×1012m3，主要分布在阿爾伯達(dá)等加拿大西部沉積盆地。加拿大煤層氣產(chǎn)業(yè)起步與美國(guó)同步，2000年大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)，近年來(lái)產(chǎn)量開(kāi)始下降，2018年產(chǎn)量約51×108m3。

圖2 全球煤系天然氣有利區(qū)分布

圖3 中國(guó)煤系天然氣有利區(qū)分布

表1 重點(diǎn)盆地/地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件對(duì)比

中國(guó)煤層氣近年來(lái)取得長(zhǎng)足進(jìn)展。早在20世紀(jì)70年代，中國(guó)就開(kāi)始開(kāi)展井下瓦斯抽放及利用，近年來(lái)中央油氣企業(yè)、煤炭企業(yè)、地方企業(yè)均積極介入煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)。截至2017年底，全國(guó)累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量為6 911.77×108m3，探明了沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣兩個(gè)煤層大氣田，開(kāi)辟了阜新、沈陽(yáng)、焦作、豐城、六盤(pán)水、阜康等48個(gè)勘探區(qū)，累計(jì)建成煤層氣產(chǎn)能110×108m3/a，2018年全國(guó)煤層氣產(chǎn)量為53.5×108m3，建成沁水、鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)基地。

3 全球主要聚煤期和聚煤區(qū)

3.1 主要聚煤期

聚煤期與地質(zhì)歷史時(shí)期古構(gòu)造、古氣候、古地理、古植物等密切相關(guān)[9-10]。全球范圍看，晚泥盆世，具有工業(yè)價(jià)值的煤炭資源開(kāi)始形成，自此聚煤作用從未中斷過(guò)，但各個(gè)時(shí)期的聚煤作用強(qiáng)弱不同，形成具有一定的時(shí)限性。晚石炭世—二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和晚白堊世末期—新近紀(jì)，是聚煤作用最強(qiáng)的3個(gè)時(shí)期[9]，99%以上的煤炭資源分布在此3個(gè)聚煤期沉積地層[11]。世界煤炭資源約40%分布在上石炭統(tǒng)—二疊系，約50%分布在上白堊統(tǒng)—新近系，約10%來(lái)自于上三疊統(tǒng)—侏羅系[9-10]。

晚石炭世—二疊紀(jì)是全球范圍第1個(gè)聚煤期，地勢(shì)比較平坦，植物繁盛，聚煤作用強(qiáng)，形成了分布廣泛的聚煤盆地和含煤地層；晚三疊世—侏羅紀(jì)是全球范圍第2個(gè)聚煤期，裸子植物最為繁盛，侏羅紀(jì)是中國(guó)最為重要的聚煤期。晚白堊世—第三紀(jì)是第3個(gè)重要聚煤期，進(jìn)入高等植物發(fā)展階段，構(gòu)造活動(dòng)更加強(qiáng)烈，氣候分帶也更加明顯。總之，從晚泥盆世開(kāi)始到二疊紀(jì)，聚煤作用不斷增強(qiáng)；早、中三疊世是聚煤作用低潮期；從晚三疊世開(kāi)始，經(jīng)侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)至新近紀(jì)，聚煤作用強(qiáng)度又不斷增大。此外，從全球廣泛分布的泥炭礦床推斷，第四紀(jì)“聚煤作用”的強(qiáng)度也是很大的。

3.2 主要聚煤區(qū)

聚煤區(qū)是區(qū)域背景、沉積環(huán)境、氣候條件等各種成煤控制因素綜合作用的結(jié)果[9,12]。世界煤炭資源的地理分布廣泛，遍及各大洲的許多地區(qū)，但分布不均衡?？偟膩?lái)說(shuō)，北半球多于南半球，尤其集中在北半球的中溫帶和亞寒帶地區(qū)（見(jiàn)圖2）。北半球北緯30°～70°是世界上最主要的聚煤帶，占世界煤炭資源量的70%以上（見(jiàn)圖2）。各大洲間相比，北半球的3大洲煤炭資源均比較豐富，其中亞洲資源量約8.65×1012t，約占全球煤炭資源總量的56%以上；北美洲資源量約4.06×1012t，約占全球煤炭資源總量的26%以上；歐洲資源量有1.56×1012t，約占全球煤炭資源總量的10%以上。南半球各大洲的煤炭資源都比較少，其中大洋洲資源量約7 800×108t，約占全球煤炭資源總量的5.1%；非洲約2 100×108t，占全球煤炭資源總量的1.4%；南美洲最少，不到全球煤炭資源總量的0.4%。另外，南極洲的維多利亞地區(qū)及其他地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有煤炭資源，但是還難以估算出比較確切的資源量。各個(gè)國(guó)家相比，全世界約有80個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有煤炭資源。中亞—俄羅斯、美國(guó)和中國(guó)的煤炭資源最豐富，合計(jì)約占全球煤炭資源總量的83%以上。

世界煤炭資源的地理分布，以兩條巨大的聚煤帶最為突出，一條橫亙歐亞大陸，西起英國(guó)，向東經(jīng)德國(guó)、波蘭、中亞—俄羅斯，直到中國(guó)的華北地區(qū)；另一條呈南北向綿延于北美洲的中部，包括美國(guó)和加拿大的煤田。南半球的煤炭資源也主要分布在溫帶地區(qū)，比較豐富的有澳大利亞、南非、博茨瓦納和巴西等。

4 全球主要煤系氣形成與分布

4.1 全球典型盆地煤系氣形成與分布

4.1.1 美國(guó)圣胡安盆地

圣胡安盆地位于美國(guó)西部落基山地區(qū)的科羅拉多州西南部和新墨西哥州西北部、科羅拉多平原東部，面積為7×104km2，為一個(gè)近似圓碗狀的洼地，估算煤炭資源量為3 248×108t，煤層氣地質(zhì)資源量為2.38×1012m3，煤層氣可采資源量為0.29×1012m3。形成于中生代拉臘米造山運(yùn)動(dòng)，是落基山脈的一個(gè)前陸盆地。圣胡安盆地為一不對(duì)稱向斜，向斜軸位于中北部，呈北西—南東向。北部邊緣地層陡傾，向中部和南部地層趨于平緩。沉積于晚白堊世和古新世的含煤地層，其中上白堊統(tǒng)Fruitland組是最重要的含煤地層。Fruitland組煤層總厚度一般為21.3 m，煤級(jí)為高揮發(fā)分煙煤到低揮發(fā)分煙煤，埋深為84～1 050 m，煤層含氣量為0.11～16.98 m3/t，一般為13.44 m3/t。中北部煤層總厚度最大，大于12 m，煤層層數(shù)多，單層厚度也最大。地下水從北部煤層露頭接受補(bǔ)給，并順煤層向深部流動(dòng)，同時(shí)地下水?dāng)y帶煤層氣在構(gòu)造樞紐線（非流邊界）附近聚集，形成了中北部的超壓儲(chǔ)集層。在梅里迪恩400區(qū)，單井產(chǎn)氣量平均為8 500～85 000 m3/d，產(chǎn)水量約48 m3/d，是圣胡安盆地產(chǎn)能最高的地區(qū)。Blanco Mesaverde氣田位于圣胡安盆地的中心和最深的部位，面積為3 467 km2。天然氣主要產(chǎn)出于海進(jìn)的Point Lookout組和海退的Cliff House組砂巖，少量的天然氣分布于Menefee組中的河道砂巖中。氣源巖為Menefee組的河流和沼澤環(huán)境中形成的炭質(zhì)頁(yè)巖和煤[13]，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型腐殖型干酪根，天然氣是在成熟和過(guò)成熟期形成。生烴量最大值發(fā)生在漸新統(tǒng)埋深最大時(shí)期，天然氣被源自盆地邊緣的水動(dòng)力和非儲(chǔ)集巖中出現(xiàn)的膨脹黏土所阻礙，就近成藏。

4.1.2 澳大利亞蘇拉特盆地

蘇拉特盆地是澳大利亞早侏羅世—白堊紀(jì)的克拉通盆地，北起昆士蘭州中部，向南一直延伸到新南威爾士州北部，最大沉積厚度約2 500 m，面積約30×104km2[14]。中侏羅統(tǒng)Walloon亞群為能量較低的曲流河及曲流河三角洲-湖泊沉積體系，煤巖主要發(fā)育在曲流河的河漫灘及曲流河三角洲平原的沼澤環(huán)境，發(fā)育了10個(gè)煤層組，煤層單層厚度較薄，大部分為0.1～0.5 m，并與薄的炭質(zhì)泥巖互層發(fā)育，煤層累計(jì)厚度為20～40 m。盆地東北邊緣地層平緩，大斷層不發(fā)育，構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶上局部發(fā)育鼻狀隆起和小型調(diào)節(jié)斷層，改善了煤儲(chǔ)集層的滲透性。區(qū)域水文地質(zhì)條件與煤巖演化程度決定了煤層氣成因類型以次生生物成因氣為主，熱成因氣為輔。經(jīng)過(guò)近10年的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，已識(shí)別出北部Mimosa向斜區(qū)、東北部Undulla 鼻隆區(qū)和東部Chinchilla—Geoondiwindi斜坡區(qū)3個(gè)煤層氣富集高產(chǎn)的甜點(diǎn)區(qū)，面積接近5 000 km2[14]。3個(gè)構(gòu)造分區(qū)不同煤組成藏類型存在差異，北部Mimosa向斜區(qū)為斷層-水動(dòng)力封堵型，東北部Undulla 鼻隆區(qū)及東部斜坡區(qū)局部為背斜-水動(dòng)力封堵氣藏。蘇拉特盆地煤系氣的開(kāi)發(fā)成功與薄煤層、碎屑巖頻繁互層及其衍生的有利開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件密切相關(guān)。

4.1.3 俄羅斯西西伯利亞盆地

西西伯利亞盆地面積約250×104km2，基底為海西期褶皺，在盆地北部天然氣發(fā)育區(qū)，一般埋深8 km，最深為12 km。盆地經(jīng)歷了裂谷期（上古生界—早三疊世）和拗陷期（晚三疊世—第四紀(jì)）兩個(gè)發(fā)育階段，其中拗陷期是煤系主要發(fā)育期，自下而上發(fā)育有中上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)切利亞賓組、中下侏羅統(tǒng)秋明組、白堊系波庫(kù)爾組3套主要含煤地層，是世界特大的含煤盆地之一[15-16]。多旋回的含煤沉積、豐富的煤炭資源為大量煤系氣的形成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中波庫(kù)爾組是盆地白堊系天然氣的主要?dú)庠磶r，為一套含煤和亞含煤地層，泥巖TOC平均值為1.31%，高者可達(dá)6%，平面上高TOC值泥巖層主要分布在盆地中、北部，TOC值達(dá)1.5%～2.0%，對(duì)主力氣層上白堊統(tǒng)賽諾曼階天然氣的平面分布有重要的控制作用。賽諾曼階氣層探明可采儲(chǔ)量占全盆地的70%，絕大部分集中在甲烷豐度大于30×108m3/km2的地區(qū)，烏連戈伊氣田是位于甲烷豐度最大、含腐殖型有機(jī)物地層最厚的地帶。此外，基底隆起長(zhǎng)垣圈閉、儲(chǔ)集層厚度及物性、厚層的泥質(zhì)巖蓋層等均對(duì)煤系氣富集創(chuàng)造了有利條件。西西伯利亞盆地煤系氣是俄羅斯天然氣工業(yè)的主體，擁有世界上產(chǎn)量最多和最高產(chǎn)的超大型氣田，已發(fā)現(xiàn)10個(gè)原始可采儲(chǔ)量在1×1012m3以上的超特大型氣田，2011年盆地天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量分別占到俄羅斯全部的72%和84%。

4.1.4 中國(guó)鄂爾多斯盆地

中國(guó)鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系為一套海陸過(guò)渡相的含煤碎屑巖沉積地層，天然氣資源豐富，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)蘇里格、榆林、大牛地、烏審旗、子洲、延安等6個(gè)探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)1 000×108m3的煤系致密砂巖大氣田。蘇里格地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西北部，勘探面積為4×104km2，石炭系—二疊系發(fā)育多套含氣層系，主力含氣層為二疊系下石盒子組盒8段和山西組山1段，具有勘探面積大、含氣層系多、致密低壓低豐度等典型特征，勘探開(kāi)發(fā)潛力大[17-22]，2017年探明地質(zhì)儲(chǔ)量為1.65×1012m3，為中國(guó)目前最大氣田。本溪組、太原組到山西組煤層累計(jì)厚為6～15 m，TOC值一般高于70%，暗色泥巖廣泛分布，厚度達(dá)30～50 m，TOC值為2%～3%。致密砂巖儲(chǔ)集層平面上連片分布，展布范圍廣，縱向上多層位砂體疊置，累計(jì)厚度為30～100 m，南北向延伸距離長(zhǎng)，達(dá)150～200 km。地層展布平緩，圈閉界限模糊，氣水關(guān)系復(fù)雜，具有持續(xù)充注、動(dòng)態(tài)成藏特征。

4.2 全球煤系氣主要地質(zhì)特點(diǎn)與聚集模式

4.2.1 煤系氣成因機(jī)制

煤系成烴以氣為主以油為輔（Ro=0.5%～1.5%），有3個(gè)方面的證據(jù)：①煤以腐殖煤為主，其原始物質(zhì)組分中H/C值低的木質(zhì)素和纖維素含量超過(guò)60%；②腐殖型有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成中以甲基和縮合芳環(huán)為主，利于生氣；③煤以及煤系泥巖成烴模擬實(shí)驗(yàn)中，以生氣為主[7]。天然氣乙烷碳同位素組成具有較強(qiáng)的母質(zhì)繼承性，是區(qū)別煤系氣和油型氣最常用的有效指標(biāo)[23]。不同學(xué)者經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，煤系氣乙烷碳同位素組成一般重于-28‰[15,24-29]。中國(guó)鄂爾多斯盆地蘇里格、四川盆地合川以及塔里木盆地克拉2氣田的天然氣乙烷碳同位素組成明顯重于-28‰，為典型的煤系氣。德國(guó)西北盆地、澳大利亞?wèn)|南庫(kù)珀盆地、吉普斯蘭盆地天然氣乙烷碳同位素組成也重于-28‰，表明這些天然氣也為煤系烴源巖所生成。俄羅斯烏連戈伊超大氣田的天然氣為波庫(kù)爾組煤系在低演化階段的產(chǎn)物[30-32]，依據(jù)天然氣母質(zhì)類型來(lái)劃分，該氣田的天然氣也是煤系氣。δ13C1-δ13C2-δ13C3圖版[3]（見(jiàn)圖4）通常被用來(lái)鑒別天然氣的成因類型。從圖中可以看出，蘇里格、合川以及克拉2等中國(guó)大氣田均為煤系氣田，德國(guó)西北盆地、澳大利亞庫(kù)珀盆地、吉普斯蘭盆地天然氣分布在煤系氣區(qū)域以內(nèi)，表明其均為煤系氣，Galimov等[31]發(fā)表了俄羅斯烏連戈伊氣田部分乙烷碳同位素值（見(jiàn)圖4），根據(jù)這些氣樣的乙烷碳同位素組成可以判斷這些氣為典型的煤系氣。

4.2.2 源外煤系氣成藏與聚集模式

圖4 世界及中國(guó)代表性大氣田天然氣成因鑒別（圖版據(jù)

根據(jù)天然氣成藏機(jī)制的差異，將煤系氣藏劃分為兩類，即中低豐度的大面積近源“連續(xù)型”致密氣和高豐度的局部遠(yuǎn)源“圈閉型”氣藏（見(jiàn)圖1）。①“連續(xù)型”致密氣通常位于構(gòu)造較為穩(wěn)定的低部位，沉積分異較弱，生氣強(qiáng)度相對(duì)較低，致密儲(chǔ)集層大面積連續(xù)分布，通常近源聚集，圈閉界限模糊不清，往往無(wú)統(tǒng)一氣水界面或氣水倒置，儲(chǔ)量規(guī)模大，儲(chǔ)量豐度低，單井產(chǎn)量低。深入研究鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系、四川盆地三疊系等致密砂巖氣田群，發(fā)現(xiàn)煤系烴源巖與致密砂巖呈“三明治”結(jié)構(gòu)，煤系源巖呈層狀蒸發(fā)式排烴、多物源三角洲砂體廣覆式分布、源儲(chǔ)緊密接觸規(guī)模成藏，具有大面積連續(xù)分布的標(biāo)志性特征；評(píng)價(jià)鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)上古生界和四川盆地中部三疊系須家河組含氣面積分別為4×104km2和6 800 km2，廣泛分布的納米級(jí)孔喉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是其主控因素，孔喉半徑主要為20～500 nm，起著溝通作用；率先在中國(guó)系統(tǒng)揭示并論證了陸相含煤地層致密砂巖氣“連續(xù)型”聚集規(guī)律，并針對(duì)性研發(fā)了致密砂巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法。②“圈閉型”氣藏往往聚集在構(gòu)造活躍區(qū)高部位的有利圈閉，生氣強(qiáng)度較大，氣水關(guān)系正常，上氣下水，儲(chǔ)量豐度高，單井產(chǎn)量高，如庫(kù)車(chē)坳陷、川西坳陷、鶯歌海盆地等地區(qū)的煤系氣田。以中國(guó)塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶為例，“圈閉型”氣藏一般具備4項(xiàng)成藏條件：①白堊系砂巖儲(chǔ)集層位于三疊系—侏羅系煤系氣源巖生氣中心區(qū)，生氣強(qiáng)度超過(guò)100×108m3/km2；②鹽下深部白堊系巴什基奇克組辮狀三角洲砂巖儲(chǔ)集層大面積連片分布；③穩(wěn)定分布的膏鹽巖蓋層有利于油氣的聚集和保存；④喜馬拉雅晚期天然氣高效充注成藏。

生氣強(qiáng)度是評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)煤系大氣田的核心指標(biāo)。通過(guò)解剖全國(guó)含煤盆地重點(diǎn)層系，研究確定煤系大氣田聚集的7個(gè)主控因素，包括生氣強(qiáng)度、晚期成藏、孔隙型儲(chǔ)集體、生氣區(qū)的古隆起圈閉、煤系中或其上下圈閉、低氣勢(shì)區(qū)、異常壓力封存[3]。其中生氣強(qiáng)度是烴源巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型及成熟度的綜合體現(xiàn)，生氣強(qiáng)度高值區(qū)既可以獲得高豐度氣源，又可避免長(zhǎng)距離運(yùn)移散失，生氣強(qiáng)度大于10×108m3/km2是形成煤系大氣田的基本條件，生氣強(qiáng)度大于20×108m3/km2的區(qū)域是發(fā)現(xiàn)中國(guó)煤系大氣田的“甜點(diǎn)區(qū)”。運(yùn)用該認(rèn)識(shí)評(píng)價(jià)和勘探中國(guó)煤系大氣田，取得了良好效果：①在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)蘇里格、靖邊、大牛地等12個(gè)煤系氣田，成為全國(guó)天然氣儲(chǔ)量、年產(chǎn)量第1位的大氣區(qū)，其中蘇里格氣田也是全國(guó)儲(chǔ)量最大、年產(chǎn)量最大的氣田，截至2017年底累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量為1.65×1012m3，2017年產(chǎn)量為212.5×108m3，為陜京4條輸氣管線提供了天然氣資源保證；②在庫(kù)車(chē)坳陷發(fā)現(xiàn)克拉2、克深、大北等14個(gè)煤系氣田，其中克拉2是全國(guó)儲(chǔ)量豐度最高（59.05×108m3/km2）、單井產(chǎn)量最高（克拉2-7累計(jì)產(chǎn)量超過(guò)125×108m3）的煤系氣田，克深氣田是全國(guó)第1個(gè)目的層埋深大于6 000 m的超深層煤系氣田，這些大氣田提供了塔里木氣區(qū)90%以上的氣源，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.3 源內(nèi)煤層氣成藏與聚集模式

中高階含煤盆地具有向斜富集煤層氣的特征，如美國(guó)圣胡安、中國(guó)沁水盆地，煤層含氣量從盆地邊緣向盆地中心增加。煤層氣向斜富氣是構(gòu)造演化、水動(dòng)力條件以及封閉條件綜合作用的結(jié)果。一個(gè)區(qū)域在向斜構(gòu)造背景下，往向斜軸部方向，由于大氣滲入水沿著邊緣露頭向軸部低水勢(shì)方向匯聚，形成向斜匯水區(qū)，礦化度增高，可形成側(cè)向水力封堵，形成良好的保存環(huán)境，有利于煤層氣富集。

多氣源補(bǔ)給配合良好的封蓋條件，是低煤階煤層氣富集成藏的關(guān)鍵。低煤階煤層熱演化程度低，熱成因生氣量不足，需要多種氣源的補(bǔ)充，特別是生物氣的補(bǔ)充。國(guó)外典型低煤階煤層氣盆地如粉河盆地、蘇拉特盆地煤層氣成因均以生物成因氣為主，中國(guó)二連盆地煤層氣甲烷碳同位素值一般為-60.3‰～-65.3‰，表現(xiàn)為生物氣，晚期地表水大量滲入煤層使得煤層水化學(xué)條件具備生物氣生成條件，一般煤層水體現(xiàn)為較低礦化度、低硫酸鹽、pH值中性或弱堿性，同時(shí)地表水的滲入也帶來(lái)了煤巖降解菌群，利于生物氣的生成，配合良好的封蓋條件，形成低煤階煤層氣富集區(qū)[36-37]。另外，在美國(guó)尤因塔盆地存在原生熱成因氣、次生熱成因氣和生物氣等多種氣源的補(bǔ)充，中國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地南緣、準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海地區(qū)斷層附近圈閉中煤層氣同位素組成特征顯示存在成熟腐泥型氣的補(bǔ)充，表明附近和深部熱成因氣沿?cái)鄬舆\(yùn)移到煤層富集成藏。

5 全球煤系氣發(fā)展前景展望

5.1 全球煤系氣資源潛力

5.1.1 源外煤系氣資源

美國(guó)、俄羅斯和加拿大等國(guó)家沒(méi)有單獨(dú)就“煤系氣”進(jìn)行資源評(píng)價(jià)，但是落基山前陸盆地群中致密砂巖氣以及西西伯利亞盆地中的大部分天然氣均為煤系氣[3,38-39]。據(jù)第4次資源評(píng)價(jià)，中國(guó)煤系氣資源量為29.82×1012m3[7,39]，中國(guó)陸上致密砂巖大氣田天然氣主要為煤系氣[3]。預(yù)測(cè)致密砂巖氣地質(zhì)資源量（17.0～23.9）×1012m3，可采資源量為（8.1～11.4）×1012m3，主要分布在鄂爾多斯、四川和塔里木等盆地，占總可采資源量的81%。

5.1.2 源內(nèi)煤層氣資源

全球煤層氣資源量超過(guò)270×1012m3，主要分布在下列12個(gè)國(guó)家中（俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、波蘭、英國(guó)、烏克蘭、哈薩克斯坦、印度、南非）（見(jiàn)表2）。煤炭資源大國(guó)同時(shí)也是煤層氣資源大國(guó)。俄羅斯煤炭資源量為6.5×1012t，煤層氣資源量為（17～113）×1012m3，居世界第1位。根據(jù)最新預(yù)測(cè)結(jié)果，中國(guó)煤層氣資源量為30.05×1012m3，超過(guò)美國(guó)，居世界第3位，其中技術(shù)可采資源量為12.5×1012m3[7,39]。俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)這前4個(gè)國(guó)家的煤層氣資源量共計(jì)為240×1012m3，約占全世界煤層氣資源總量的89%。

5.2 全球煤系氣發(fā)展前景展望

全球煤炭資源豐富，煤系氣資源量巨大。隨著認(rèn)識(shí)程度和勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，煤系常規(guī)氣、煤系致密砂巖氣和煤層氣資源潛力仍有很大提升空間，開(kāi)發(fā)利用的前景十分廣闊，在未來(lái)油氣工業(yè)發(fā)展中將會(huì)占據(jù)重要地位。大力勘探開(kāi)發(fā)煤系氣資源，對(duì)于保障世界能源供應(yīng)，減輕大氣污染，提升生活質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前北美地區(qū)非常規(guī)油氣大突破，產(chǎn)量快速上升，特別是頁(yè)巖氣革命改變?nèi)蛱烊粴馍a(chǎn)格局，自2009年以來(lái)美國(guó)天然氣產(chǎn)量大幅度超越俄羅斯，頁(yè)巖氣產(chǎn)量的大幅提升起到?jīng)Q定性作用。而隨著投資目標(biāo)轉(zhuǎn)移和頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)大突破，北美地區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)投資及工作量銳減，煤層氣產(chǎn)量達(dá)到1997年以來(lái)新低。北美（美國(guó)、加拿大）前期投產(chǎn)的煤層氣井逐漸進(jìn)入遞減期，預(yù)計(jì)至2030年，煤層氣業(yè)務(wù)將進(jìn)一步萎縮，產(chǎn)量逐年降低；而澳大利亞大規(guī)模發(fā)展LNG，主要來(lái)源于煤層氣，預(yù)計(jì)至2030年煤層氣產(chǎn)量穩(wěn)中有升。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新階段，建設(shè)“美麗中國(guó)”，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要不斷加大清潔能源供應(yīng)，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中占比將大幅提升，將由2018年的7.6%增至2030年的15%，有力保障國(guó)家碳排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)油氣工業(yè)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變，社會(huì)向低碳轉(zhuǎn)型[39-41]。2018年中國(guó)天然氣產(chǎn)量為1 580×108m3，天然氣消費(fèi)量為2 766×108m3，在現(xiàn)有理論與技術(shù)慣性發(fā)展趨勢(shì)下，預(yù)測(cè)到2030年，中國(guó)天然氣產(chǎn)量約為2 000×108m3，而天然氣需求量將大于6 000×108m3，中國(guó)天然氣產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足消費(fèi)需求，缺口不斷擴(kuò)大，加大煤系天然氣的開(kāi)發(fā)力度，提高天然氣保供能力，常規(guī)煤系氣、煤系致密氣和煤層氣將是天然氣儲(chǔ)產(chǎn)量增長(zhǎng)的主體，仍將發(fā)揮不可替代的作用。①常規(guī)煤系氣是煤系天然氣儲(chǔ)產(chǎn)量增長(zhǎng)的主體，預(yù)計(jì)2030年產(chǎn)量為（500～550）×108m3，庫(kù)車(chē)坳陷白堊系、準(zhǔn)噶爾盆地南緣中生界—古近系、松遼盆地上侏羅統(tǒng)—上白堊統(tǒng)、鶯—瓊盆地新生界、珠江口盆地新生界、東海盆地新生界等是增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。②與美國(guó)相比，中國(guó)煤系致密氣具有儲(chǔ)集層致密、非均質(zhì)性強(qiáng)、氣水分異難度大、甜點(diǎn)識(shí)別難度大等特點(diǎn)，而且部分致密氣為低壓系統(tǒng)（壓力系數(shù)為0.7～0.9，美國(guó)一般為1.1～1.4），相同地質(zhì)與技術(shù)條件下采收率比美國(guó)低20%以上，提高采收率難度更大，致密氣有效動(dòng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。致密氣是極具發(fā)

展?jié)摿Φ默F(xiàn)實(shí)資源，當(dāng)前中國(guó)致密氣的發(fā)展，要在蘇里格等局部地區(qū)成功開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，集中解決復(fù)雜類型致密氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)、井網(wǎng)部署及水平井軌跡優(yōu)化、滲流規(guī)律及產(chǎn)能評(píng)價(jià)研發(fā)、儲(chǔ)集層有效改造、采收率綜合提高等瓶頸問(wèn)題，勘探向新領(lǐng)域新盆地拓展，開(kāi)發(fā)向難動(dòng)用儲(chǔ)量和提高采收率發(fā)力，工程向多層采氣、多井提產(chǎn)傾斜，整體推動(dòng)中國(guó)致密氣規(guī)?；l(fā)展。預(yù)計(jì)未來(lái)10年中國(guó)煤系致密氣儲(chǔ)產(chǎn)量將穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2030年探明儲(chǔ)量有望達(dá)5.0×1012m3，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量為（400～450）×108m3，其中鄂爾多斯盆地伊陜斜坡上古生界、四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組等將是儲(chǔ)產(chǎn)量增長(zhǎng)的重點(diǎn)領(lǐng)域。③與美國(guó)比較，中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體時(shí)間落后20多年，在煤層氣田勘探開(kāi)發(fā)、作業(yè)管理等方面仍然處于起步階段，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)潛力仍然巨大，需要轉(zhuǎn)變常規(guī)理念、利用非常規(guī)思維實(shí)現(xiàn)煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)革命。當(dāng)前中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍將是穩(wěn)定沁水盆地、鄂爾多斯盆地東部老區(qū)中高煤階煤層氣開(kāi)發(fā)，同時(shí)積極向中低煤階、深層、煤系氣（煤層氣、煤系砂巖氣、煤系泥頁(yè)巖氣合采）綜合開(kāi)發(fā)拓展和延伸[42]。而伴隨著煤層氣向新區(qū)、新層系、新領(lǐng)域逐漸發(fā)展，也對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備創(chuàng)新提出新需求，特別是低煤階復(fù)雜構(gòu)造區(qū)甜點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)、深層多氣共采技術(shù)、自動(dòng)化壓裂改造技術(shù)及智能化排采技術(shù)的突破，將為中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展提供重要保障。預(yù)計(jì)未來(lái)10年全國(guó)煤層氣將快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2030年探明儲(chǔ)量有望達(dá)1.2×1012m3，產(chǎn)量有望達(dá)（150～200）×108m3。此外，煤炭地下氣化可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[43]。

表2 全球主要盆地煤層氣資源潛力

6 結(jié)語(yǔ)

煤系天然氣是煤系中煤、炭質(zhì)泥頁(yè)巖和暗色泥頁(yè)巖生成的天然氣，包括源內(nèi)連續(xù)型煤層氣、頁(yè)巖氣和源外連續(xù)型致密氣、圈閉型煤系氣等資源類型，是天然氣工業(yè)中極其重要的組成部分。

“連續(xù)型”和“圈閉型”是煤系氣的兩種主要成藏模式，提出生氣強(qiáng)度大于10×108m3/km2的區(qū)域是煤系大氣田形成的基本條件，揭示中高階煤層氣向斜富集、低階煤層氣源蓋配置的成藏規(guī)律。

預(yù)測(cè)全球煤系氣剩余資源潛力巨大。源外煤系氣主要分布在中亞—俄羅斯、美國(guó)、加拿大等國(guó)家或地區(qū)，源內(nèi)煤層氣集中分布在12個(gè)主要國(guó)家。預(yù)測(cè)中國(guó)2030年煤系天然氣產(chǎn)量有望超過(guò)1 000×108m3，技術(shù)進(jìn)步、政策變化、市場(chǎng)需求等不同情景將影響產(chǎn)量變化。