山西沁水盆地煤层气勘探方向和开发建议

山西沁水盆地煤层气勘探方向和开发建议

叶建平1,2　彭小妹1　张小朋3

(1.中联煤层气有限责任公司　2.中国煤炭学会煤层气专业委员会　3.中原油田井下特种作业处)

摘　要:通过研究近几年沁水盆地煤层气的资源、地质、储层成果,剖析山西组3号煤层和太原组15号煤层性质差异及其根源,分析煤层气勘探开发生产状况,进一步论述了当前沁水盆地煤层气勘探开发所存在的问题,认为沁水盆地是我国煤层气勘探开发投入工程量最多、研究程度最高、产量最大的盆地。提出沁水盆地已经具备作为整装特大型天然气田开发的条件,应该集中力量加快3号煤层煤层气勘探力度,积极研发15号煤层煤层气开发技术,争取到“十二五”末,煤层气探明储量达到8000亿m3,建成年产量50亿m3煤层气生产基地。关键词:沁水盆地煤层气田煤层气勘探开发

ExplorationOrientationandDevelopmentProposalofCoalbedMethane

inQinshuiBasinofShanxiProvince

YeJianping1,2,PengXiaomei1,ZhangXiaopeng3

(1.ChinaUnitedCoalbedMethaneCorporationLtd.2.CoalbedMethaneSpecializedCommittee,ChinaCoalSociety3.DownholeServiceCompanyofZhongyuanPetroleumExplorationBureau)Abstract:TheauthorsthinkthatQinshuiBasinisthecradleofChina’sCBMexplorationanddevelopmentandisalsothelargestCBMproductionbasininChina,whereweconductedmoreresearchandmademoreen2gineeringworkofexplorationanddevelopment,afterstudyingCBMresources,geologicalconditions,reservoirachievementsinQinshuiBasinintherecentyearsandanalyzingthedifferencesandsourcebetweencoalseam3ofShanxiformationandcoalseam15ofTaiyuanformationandtheconditionofCBMexploration,develop2mentandproduction.Weshouldfocusonacceleratingandintensifyingtheexplorationofcoalseam3,improv2ingtheproportionofCBMprovenreservesandactivelymakingresearchanddevelopmentonCBMdevelopmenttechnology,andfinallyrealizethedevelopmentoftwomaincoalseamsinthesamepace.ItisestimatedthatCBMprovedreservesshallreach800billioncubicmetersandconstructtheCBMproductionbasewiththean2nualproductionvolumeof5billioncubicmetersbytheendof“thetwelfth2fiveYearPlan”.Keywords:Qinshuibasin;CBMfield;CBM;explorationanddevelopment

1　问题的提出

山西沁水盆地拥有全国十分之一的煤层气资

源,拥有四分之一煤层气矿权登记面积,拥有

90%探明地质储量,现有产气量占全国煤层气产量的93%。到目前为止,沁水盆地是我国煤层气勘探

　　作者简介　叶建平,男,工学博士,教授级高级工程师,长期从事煤层气勘探开发科学研究和生产技术工作。

8中国煤层气　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第3期

开发投入工程量最多、研究程度最高、产量最大的

盆地,是我国煤层气勘探开发最有潜力的盆地。沁水盆地南部煤层气率先进入规模化商业性开发。

尽管如此,商业开发项目规模较小,主要集中在南部不到500km2范围,主要开发对象只有3号煤层。全盆地大部地区煤层气勘探程度低。15号煤层煤层气开发技术不成熟。

针对沁水盆地良好的开发形势、优越的地质条件和高级别的煤层气资源条件,为了加快推进全盆地煤层气勘探开发,促进我国煤层气产业快速发展,将沁水盆地煤层气田作为特大型天然气田加以全面规划,集中投入,重点开发,为我国天然气开发利用提供有效的补充资源,已势所必然。本文试图论述沁水盆地作为特大型天然气田加以开发所具备的条件,以及对山西组3号煤层和太原组15号煤层煤层气勘探开发的设想和建议。

21113　煤层发育,分布稳定,厚度大

3号、15号煤层全区发育,分布稳定,厚度

2　沁水盆地作为特大型天然气田加以开发

的条件已具备

211　资源和地质条件

按照天然气储量规范规定,探明储量大于300

亿m3,就为大气田。我国几个特大型天然气田的资源量分别为:塔里木天然气资源量为719599万亿m3[1];苏里格天然气总资源量318万亿m3[2];普光气田天然气资源量8916亿m3[3]。因此沁水盆地将近4万亿m3的资源量,建议作为规模开发的整装特大型气田纳入国家天然气开发规划之中。

沁水盆地最大的特点是煤层气地质条件得天独厚。表现为地质构造简单,煤层发育且全区稳定分布,储层参数有利,煤层含气性良好,煤层气资源丰富。21111　煤层气资源丰富

沁水盆地在27137km2煤层气资源评价面积内,总资源量39500亿m,煤层气资源丰富,资源可靠性强,全区可以整体开发。21112　地质构造简单

沁水盆地为一个大型的复式向斜构造。南北翘起端呈箕状斜坡,东西两翼基本对称,边侧下古生界出露区为倾角较大的单斜,向内变平缓处,古生界和中生界背向斜褶曲较发育。内部断裂稀少。局部发育陷落柱。因此非常有利于煤层气富集和开发。

3

大,煤层结构简单,产状平缓。3号煤层南部厚,5～6m,中北部变薄。15号煤层相反,北部厚度大,南部变薄。如表1。21114　煤层含气性良好

煤层气含气量高。沁水盆地在石炭-二迭系沉积后快速埋藏,煤化作用使煤级演化达到中变质烟煤阶段,生成大量热解煤层气。在燕山运动期,在盆地南北两端由于受岩浆热力变质作用,煤变质程度进一步增高,形成二次生气作用。因此。在南北两端目前含气量最高,中东部较低,西部沁源地区最低。如表1。15号煤层含气量高于山西组3号煤层。气体品质优良。煤层气成分单一,组份以甲烷为主,变化于71163%～100100%,一般在95%以上。少量N2、CO2;在中部烟煤煤层中含少量重烃,其含量一般小于1%。

含气饱和度较高。在晋城、寿阳地区煤层的含气饱和度较高,在中部潞安、沁源主要煤层大多为不饱和状态。山西组3煤层含气饱和度比太原组15煤层高。含气饱和度是影响气产量和采收率最重要的因素。含气饱和度较高,将有利于煤层气高产。

沁水盆地煤层有比较强的储气能力,太原组15煤层的吸附能力要高于山西组3煤层。

表1　沁水盆地煤层气含量和煤层厚度分布地　区寿阳阳泉

含气量

(m3/t)3121～24156～25

山西组3号煤层太原组15号煤层平均厚度(m)

115001991135510051795163210118(2煤)

平均厚度(m)

31505118331502156217711802173(9、10煤)

和顺-左权9146～16122

屯留

8～21

晋城樊庄1160～13156晋城潘庄马必沁源

8～2912～151159～8168

212　山西组3号煤层煤层气开发技术基本成熟

沁水盆地在1995年开始进行煤层气勘探开发试验,经过十几年摸索,目前在南部山西组3号煤层,已开始进入商业性开发。也就是说南部山西组

第3期　　　　　　　　　　　　　山西沁水盆地煤层气勘探方向和开发建议9

3号煤层煤层气的开发技术基本形成,包括空气钻

井、套管完井、射孔、水力携砂压裂、排采、地面集输等技术系列。多分支水平井技术也在该地区3号煤层进行了成功的试验和应用,获得较高的单井产气量。213　基础设施正在建设

开发初期,生产规模较小,以压缩气、液化气形式外输,建成小型煤层气压缩站7座,压缩能力12916万m3/d;在建煤层气液化站3座,生产能力155万m3/d。

个项目进入煤层气开发阶段。生产显示,煤层气生产能力良好,生产潜力巨大。

31111　沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工

程

中联公司承担实施的国家级沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程,包括潘河先导型试验项目和端郑采气区项目,已钻井405口,建产能5亿m3。井口套压较高,单井产量普遍高,生产稳定,稳定单井日产量平均达到3500m3。随着生产时间增长,产量持续增高。建设完成地面集输系统、集气站、增压站和供气站,2005年11月开始商业生产销售。31112　潘庄煤层气开发项目中联公司对外合作项目,在潘庄区块实施了6口多分支水平井,日产量30万m3/d,单井最高产量达到10万m3/d。年产1亿m3。2008年2月开始售气。该项目已完成开发方案编制,即将进入规模开发阶段。

31113　柿庄南煤层气开发项目

随着开发规模加大,管道建设进度加快。已建

成潘庄-晋城4512km的输气管道一条,输送能力100万m3/d。在建管道2条,包括连接西气东输豫北支线的端氏-晋城-博爱输气管道、连接西气东输主管道的端氏-沁水输气管道,合计年输气能力25亿m3。

中石油在建中央处理厂1座,一期年处理能力9亿m3。最终达到15亿m3年处理能力。214　煤层气开发项目具有较好的经济性

根据沁南潘河示范工程、端郑采气区、柿庄南等开发方案编制中的经济评价结果,煤层气开发项目具有较好的经济效益。按照直井平均产量2100m3,井口气价1115元/m3,按建1亿m3产能约3亿元投资成本,计算结果,税后项目财务内部收益率12148%,资本金财务内部收益率为28141%,投资回收期6184年。项目具有较强的财务盈利能力,足够的偿债能力,项目在财务上具有很高的投资价值。项目的抗风险能力较强。对项目财务内部收益率影响较大的因素是产量、投资和气价。成本对财务内部收益率的影响较其他因素小。国内目前的气价呈现增长趋势。产量对项目的经济性是一个重要的因素。据潘河先导型试验井网四年多排采生产表明,产量比预期高,而且稳定生产。该井网生产井井口套压维持较高状态,稳定单井日产量平均达到3500m3,最高单井稳定产量达到9900m3/d。因此煤层气开发项目具有较好的经济性。

中联公司对外合作项目,是国内最早开始小规模商业试生产的项目。其中枣园井组连续排采近10年,一直保持稳定单井产量。已经完成煤层气开发方案编制,即将进入规模开发阶段。31114　樊庄-郑庄区块煤层气开发项目

中石油华北煤层气分公司已钻直井670口,多分支水平井42口井,正在建设地面集输系统和年处理能力15亿m3的中央处理厂。计划到2010年建成15亿m3产能并实现管道外输。31115　晋煤集团煤层气开发项目

晋煤集团在寺河煤矿等沁南地区已钻井1450口,年产量达到317亿m3。建立CNG站和输气管道,外输销售。

312　3号煤层煤层气资源探明率低,煤层气勘探力度亟待加大加快

沁水盆地现有煤层气登记区块15个,面积1376713km2,占全盆地煤层气资源评价面积的一半。目前已探明地质储量总计1361175亿m3,含气面积74118km2,仅占全盆地煤层气资源量的315%。已提交探明储量的区块如潘庄、成庄、郑

3　集中力量加快3号煤层煤层气勘探力度

311　3号煤层煤层气开发态势良好,开发项目限

于南部

在沁水盆地南部,已钻井2500多口,共有5

庄、樊庄、柿庄南等,累计探明储量含气面积647167km2,仅占这五个区块总面积(177713km2)的36%,相当于全盆地煤层气资源评价面积

10中国煤层气　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第3期

(27137km2)的214%。上述表明,煤层气探明率很

低,勘探范围很小。

因此,需要有关的煤层气矿权单位及其合作方在各自矿权内开展大规模的煤层气勘探工作,加大勘探投入,探明储量,提出可供开发的区块。首先继续在控制储量区如潘庄、郑庄、柿庄南、马必等区块进行储量升级勘探。其次在安泽-屯留、沁源、柿庄北、寿阳以及和顺、左权等区块部署先导性井网进行勘探。力争在“十二五”期间内,3号煤层探明储量达到5000亿m3。

灰岩5层,主要煤层15煤发育在太原组下部,顶

板或间接顶板为灰岩。煤层厚度北部厚,南部薄。如表1。

山西组沉积环境以河流三角洲相为主,岩性砂岩、粉砂岩、砂质泥岩夹海相泥岩和煤层,煤层顶板主要为泥岩,局部为砂岩。煤层厚度南部厚,北部薄。如表1。

煤岩和煤质特性存在显著差异。光亮煤成分太原组15煤比山西组3煤高,所以各类裂隙均较山西组3煤发育。镜质组含量太原组高于山西组,而惰质组含量低于山西组。煤中的矿物质含量太原组高于山西组。煤的挥发分山西组比太原组高。硫份太原组显著高于山西组。煤级太原组较山西组高出一个煤级。如表3。生产试验还表明,这两层煤层,煤层气压力系统不同,渗透性、饱和度等开采条件也不同。413　15号煤层和3号煤层性质的差异决定了开发技术的不同

针对15号煤层结构和储层性质特点,在完井方式、增产措施、排采技术等方面开展专题研究、工程示范尤为紧迫。开展针对性的开发技术的试验,如利于修井的束状水平井、水平井筛管完井、氮气等大规模压裂增产技术的试验。研究顶板灰岩对产出水和压降的影响、压裂过程中对顶板灰岩含水层的控制或回避等等问题。这些都是目前存在的技术难题。

表3　山西组3号煤层和太原组15号煤层的煤岩和

煤质特性比较

煤岩和煤质镜质组惰质组挥发份灰份硫份

山西组3煤

45%～70%20%～36%;7%～38192%216%～24115%0131%～0147%

4　积极研发15号煤层煤层气开发技术

411　太原组15号煤层煤层气资源丰富,亟待开发太原组15号煤层煤层气资源累计23814139亿m3,占全盆地的60%,比山西组3号煤层的煤层气资源还要多,如表2。如何将如此丰富的煤层气资源进行开发,已经提到了议事日程。

表2　沁水盆地山西组3号煤层和太原组15号

煤层的煤层气资源3

层系山西组太原组合计

地质资源量(×108m3)可采资源量(×108m3)

158541312381413939668170

4346121679915411145175

3数据来自:国土资源部、国家发改委、财政部,新一轮油气资源评价—新一轮煤层气资源评价报告,2006年(科研报告)

412　太原组煤层性质和煤层气开采条件与山西组

有本质差异

从目前的勘探开发试验结果来看,太原组15号煤层存在诸多问题,含气饱和度低,渗透率低,产水量较大,煤层结构疏松,容易垮塌,排采过程中煤粉不易控制。导致产气量较低,产量衰减速度较快,不稳定,目前还不能形成经济产能。太原组15号煤层和山西组3号煤层在性质上存在很大的

太原组15煤

65%～80%16%～30%8%～21%418%～25149%1188%～4128%

差异,沉积环境不同是导致这两组煤层性质差异的根源。

众所周知,沁水盆地和整个华北聚煤区一样沉积了石炭二叠系煤系地层,主要煤层分别赋存在石炭系太原组和二叠系山西组中。太原组沉积环境以滨海相三角洲泥炭沼泽环境为主,沉积旋回清楚,由灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成。一般含

5　沁水盆地煤层气勘探开发建议

根据目前煤层气开发进展、国家对天然气资源供需形势、煤矿区瓦斯综合治理的要求,到“十二五”末,通过沁水盆地全面的勘探和山西组、太原组两个主要煤层的共同开发,将实现煤层气探明储量达到8000亿m3,建成年产量50亿m3,真正实

第3期　　　　　　　　　　　　　山西沁水盆地煤层气勘探方向和开发建议11

现煤层气大规模商业性开发,成为名副其实的天然气的补充能源,使煤层气产量达到全国天然气产量的5%～8%的比率。为了达到这一目标,现提出如下四点建议。

首先,需要发挥国家科技重大专项的作用,加强地质研究和工程技术的研发,做好沁南煤层气直井开发、水平井开发和晋城煤矿区煤层气开发等三个示范工程,同时建立重大专项和其他研究计划的衔接,集中科研经费和科研力量,组织15号煤层煤层气勘探开发技术的攻关,研发盆地中部烟煤发育地区和深部地区煤层气开发技术。针对沁水盆地北部、东部、南部和西部四大不同构造区,针对性地研发不同地质和储层条件的煤层气开发技术。其次,国家重点投入进行煤层气风险勘探,拓宽投资和融资渠道,国家和企业共同进行煤层气开发和基地建设。可以采用油田会战模式,鼓励吸收企业、外资等资金投入勘探开发。建议国家设立专项基金,实行贴息贷款,支持沁水煤层气田建设。目前应该集中力量加快沁水盆地煤层气勘探,提高煤层气探明储量比例,先期将3号煤层作为目标层,以南部为基础,加大勘探力度,由南向北、由浅入深,全面扩展。同时,积极研发15号煤层煤层气开发技术,解放15号煤层煤层气资源,全(上接第23页)

面开发。

第三,建立晋城、潞安、阳泉不同模式的煤炭和煤层气协调开发技术,地面开发与井下抽采同步进行。

第四,建立煤层气资源和市场监管体系。统筹规划,分步实施,滚动开发,这是煤层气开发的基本原则。煤层气是一个开放的市场,它允许不同性质投资主体参与勘探开发。因此,更需要中央和山西地方政府统一协调,统一规划,统一市场监管,建立一个高效、开放的煤层气资源和市场监管体系。在项目立项审批、土地征用、管道建设、市场价格和资源管理利用等方面,实行服务性管理,为加快沁水盆地煤层气开发提供有力推动和保障。

参　考　文　献

[1]　周新源,王清华,杨文静,肖中尧1塔里木盆地天

然气资源及勘探方向[J]1天然气地球科学,2005,

(1)1

[2]　《新疆石油地质》编辑部1苏里格气田日产天然气量

突破1000×104m3[J]1新疆石油地质,2008,(1)1

[3]　达州网1达州市紧抓住天然气资源开发机遇[EB/

OL](2009-03-27)1http://www1dazhouw1com/news/200903/274841html12009-03-271

(责任编辑　桑逢云)

褐煤含气量预测[J]1天然气地球科学,2005,16

(2):153-1561

[2]　庞雄奇,金之均,姜振学,等1深盆气成藏门限及

入式(4),得到煤层不同埋深下的游离气含量(表

1)。

由以上可得出万全煤田褐煤在200～800m埋深下吸附气、水溶气与游离气总含气量(表1),由三者之和可得褐煤总含气量。

其物理模拟实验[J]1天然气地球科学,2003,14(3):207-2141

[3]　傅雪海,秦勇,杨永国,等1甲烷在煤层水中溶解

4　结论

本文在不同压力下平衡水等温吸附实验的基础

上,对本文在万全煤田褐煤(原煤)吸附气、水溶气与游离气进行了物理模拟与数值模拟,结果表明:在200～800m埋深下褐煤层中吸附气、水溶气与游离气随煤层埋深的增加而增大的趋势比较明显;平均吸附气占总含气量的8419%,水溶气占1213%,游离气占218%。

度的实验研究[J]1天然气地球科学,2004,15(4):345-3481

[4]　刘朝璐,夏斌1天然气中氮气成因与塔里木盆地油

气勘探风险分析[J]1天然气科学,2005,16(2):

221-2281

[5]　傅雪海,焦宗福,秦勇,等1低煤级煤平衡水条件

下吸附实验[J]1辽宁工程技术大学学报,2005,

24(2):161-1641

[6]　傅雪海,秦勇1多相介质煤层气储层渗透率预测理

论与方法[M]1徐州:中国矿业大学出版社,

2003:56-661

[7]　傅小康,霍永忠,叶建平1低阶煤煤层气富集模式

参　考　文　献

[1]　傅雪海,秦勇,王万贵,等1煤储层水溶气研究及

初探[J]1中国煤层气,2006,3(3):24-261

(责任编辑　赵国泉)