0 引言
煤层气，是与煤炭伴生、高热值、清洁的非常规能源，是国内外非常规天然气资源勘探开发的重点领域之一。由于非常规天然气以源储一体、储层致密化为基本特点，其开发难易程度与储层物性好坏密切相关，因此，煤层气勘探重点是寻找高渗“甜点”区。煤炭从泥炭、褐煤、长焰煤、气煤直至贫煤、无烟煤的煤化作用过程中，其物理、化学性质产生显著变化，孔隙度降低、孔径变小、渗透性变差[1]，因此褐煤储层物性好，且在“次生生物气”理论建立后，高渗、中低含气的低阶煤作为煤层气领域的“甜点”，引领了国外煤层气产业大发展。
目前，全球已有35个国家开展了煤层气勘探开发，以美国、澳大利亚、加拿大及中国最为成功，形成了完整的煤层气产业体系。2018年，全球煤层气产量为839×108 m3，按镜质体反射率（R O,max）小于0.70%、0.70%~1.90%、大于1.90%来划分，低煤阶、中煤阶、高煤阶煤层气产量分别为628×108 m3、170×108 m3、41×108 m3，占比分别为75%、20%、5%[2-3]。低煤阶煤层气在全球煤层气总产量中占比极高，但主要产自国外澳大利亚苏拉特、美国粉河、加拿大阿尔伯塔等盆地的侏罗系—白垩系—古近系煤层；高煤阶煤层气产量占比最小，却集中产自我国沁水盆地石炭系—二叠系煤层。我国高煤阶煤层气产业突破与国外低煤阶煤层气产业的巨大成功形成鲜明对比，这与高煤阶、中煤阶、低煤阶煤层气资源富集程度以及聚煤时代、区域构造演化、古今气候与水文特征等条件差异有关。
1 低煤阶煤层气资源及勘探开发进展
1.1 重点国家低煤阶煤层气资源及分布
俄罗斯煤层气资源量为113×1012 m3，主要分布于面积达250×104 km2的西西伯利亚盆地三叠系、侏罗系及白垩系煤层，煤系天然气极为丰富，迄今为止，已发现10个可采储量超过1×1012 m3的超大型气田[7]，但由于煤层埋深达5~12 km，因此未进行煤层气开发。
加拿大煤层气资源量为76×1012 m3，主要分布在面积达98×104 km2的阿尔伯塔盆地白垩系—古近系煤层，以低煤阶为主。
美国煤层气资源量为19×1012 m3，低煤阶煤层气资源约占50%，重点分布于美国西部落基山地区的粉河、风河、圣胡安、拉顿等中新生代含煤盆地（图1）。
澳大利亚煤层气资源量为14×1012 m3，低煤阶煤层气资源约占70%，主要分布在苏拉特、鲍温、悉尼等盆地侏罗系煤层（图1）。
1.2 低煤阶煤层气勘探开发进展
从发展历程看，全球煤层气产业总体经历了“中煤阶起步、低煤阶崛起”的过程。2018年，国外煤层气产量约为785×108 m3，其中低煤阶占比80%；我国煤层气产量为53.5×108 m3，低煤阶仅占1.8%，主要产自辽宁阜新、陕西彬长等地。
与国外不同，我国低煤阶煤层气产业仍处于技术积累与试验性开发阶段，先后经历2个时期：2003—2014年，辽宁阜新、铁法等区块低煤阶煤层气实现小规模民用，成为我国煤层气产业起点，陕西彬长低煤阶煤层气与瓦斯联合抽采获得成功，但毗邻采煤区、规模偏小；2015年至今，新疆准噶尔盆地南缘乌鲁木齐河东区块及内蒙古二连盆地吉尔嘎朗图、霍林河等凹陷进入勘探、小规模试采阶段，我国低煤阶煤层气产业正式起步（图4）。
2 国内外低煤阶煤层气地质差异性与产气效果
国内外煤层气产业的巨大差异，根本上是受到地质条件的约束，重点体现在聚煤时代、区域构造演化、古今气候特征与水文地质条件等差异性。与国外相比，我国低煤阶煤层气资源具有“煤层厚度大、多期生气、含气量高”等特点，但储层物性普遍呈“低渗、低饱和度、欠压”的特征，开发难度更大、单井产气量偏低（表1）。
表1 国内外低煤阶煤层气地质特征及产出情况数据Table 1 Data table of geological characteristics and output of low-rank coalbed methane at home and abroad |
| 国家 | 美国 | 澳大利亚 | 加拿大 | 中国 | 中国 | 中国 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 低煤阶煤层气重点区 | 落基山脉 地区 | 澳洲东南部 | 落基山脉以东地区 | 新疆地区 | 内蒙古东部 | 东北地区 | ||
| 现今气候 类型 | 山地—温带大陆性气候 | 亚热带湿润气候 | 温带大陆性 气候 | 大陆性干旱气候 | 温带半湿润季风气候 | 温带湿润、半湿润季风气候 | ||
| 代表性盆地 | 粉河、尤因塔、绿河、风河等 | 苏拉特 | 阿尔伯塔 | 准噶尔、吐哈、三塘湖、塔里木 | 二连、海拉尔 | 阜新、铁法、依兰、珲春、鸡西等 | ||
| 盆地类型 | 前陆盆地 | 克拉通盆地 | 前陆盆地 | 前陆盆地 | 断陷盆地 | 断陷盆地 | ||
| 主要煤系 地层 | 上白垩统—古近系 | 中侏罗统 | 上白垩统 | 侏罗系 | 白垩系 | 古近系 | ||
| 镜质体 反射率/% | 0.3~0.5 | 0.4~0.6 | 0.3~0.5 | 0.4~0.65 | 0.32~0.6 | 0.42~0.67 | ||
| 煤类 | 褐煤 | 褐煤-长焰煤 | 褐煤 | 褐煤—长焰煤 | 褐煤 | 褐煤—长焰煤，岩墙周围为气肥煤 | ||
| 煤层总厚度/m | 13~70 | 10~50 | 5~30 | 30~310 | 20~220 | 5~40 | ||
| 煤层含气量/（m3/t） | 0.5~4 | 1~8 | 3~14 | 1~15 | 1~6.53 | 4~11 | ||
| 煤层气成因 | 次生生物气 | 次生生物气 热成因气 | 次生生物气 热成因气 | 次生生物气 原生生物气 热成因气 | 次生生物气 | 次生生物-热解混合成因气 | ||
| 煤层渗透率/ （10-3 μm2） | 10~1 500 | 500~1 600 | 20~500 | 0.01~15 | 0.01~1 | 0.1~1，岩墙裂隙带500~1 500 | ||
| 煤层水矿化度/（mg/L） | 270~2 720 | 100~500 | 淡水 | 山前*：2 000~17 000 盆缘*：9 000~36 000 | 5 300~6 400 | 5 000~12 100 | ||
| 风化带深度 /m | 30~100 | 50~150 | 100~200 | 山前*：350~600 盆缘*：700~1 100 | 250~300 | 200~300 | ||
| 有利聚气 部位 | 斜坡带微幅构造圈闭 | 鼻状隆起型、微背斜—水动力封堵型等圈闭 | 斜坡带微幅构造圈闭 | 背斜、逆断层圈闭，向斜/单斜地层水滞留区 | 向斜核部地层水滞留区，斜坡带微构造圈闭 | 岩浆侵入带两侧裂隙带与地层水滞留区 | ||
| 重点开发 深度/m | 70~600 | 200~800 | 200~800 | 500~1 500 | 350~900 | 300~900 | ||
| 地层倾角 /（°） | 0~15 | 0~2 | 0~5 | 山前*：5~30 盆缘*：30~90 | 5~15 | 2~15 | ||
| 典型开发 工程技术 | U型井、洞穴完井技术 | 直井+煤系地层段裸眼（预射孔套管）完井+多层合采 | 直井+氮气无支撑剂压裂 技术 | 定向井+水力加砂 压裂 | 直井+低浓度胍胶加砂压裂技术（试采*） | 直井+水力加砂 压裂 | ||
| 直井产水量/ (m3/d) | 32~159 | 75~300 | 0~0.5 | 5~15 | 3~20（试采） | 5~60 | ||
| 一般区直井产气量/ (m3/d） | 1 100~6 000 | 1 000~3 500 | 1 000（平均） | 500~1 800 | 1 000~2 356（试采*） | / | ||
| 甜点区直井产气量/ （m3/d） | 4 000~9 000 | 40 000~80 000 | 12 000~ 15 000 | 2 500~28 000 | / | 3 000~15 000 | ||
|
根据国内外勘探开发经验，低煤阶煤层因原生生物气逸散严重且深成热变质作用程度低、热成因气生成量少，因此次生生物气形成环境对煤层生气量至关重要，同时构造演化简单、低地应力条件下保持煤层良好渗透性是规模性开发、高产的关键。
2.1 聚煤时代、构造演化对煤层物性的影响
与国外相比，我国新疆、内蒙古东部及东北的低煤阶区，其盆地类型为前陆盆地与断陷盆地，成煤时代相似，但煤层厚度更大，尤其吐哈盆地沙尔湖凹陷、二连盆地吉尔嘎朗图凹陷的煤层总厚度最大分别达到310 m、220 m。因区域构造受太平洋板块、印度洋板块的双重挤压影响，我国盆地普遍经历以碰撞、挤压为主的印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造演化，煤层受到不同程度改造，煤体结构及渗透性显著变差[(0.01~15)×10-3 μm2][15]。
此外，复杂的构造活动对低阶煤生气产生显著影响，尤其是新生代以来的喜马拉雅运动，形成了东西部地区不同的低阶煤产气机理，使煤层含气量升高。在新疆地区，天山山脉快速隆起，使天山两侧逆冲推覆构造带的煤层倾角变陡，煤层受区域动力变质作用进行“动力生烃”；而在东北地区裂陷盆地收缩期，以岩床、岩墙方式侵入的辉绿岩体周围煤层变质程度明显提高、生烃量大幅增加[16]，且岩墙周围的收缩缝发育、渗透性变好[(500~1 500)×10-3 μm2]。
2.2 气候特征与水文地质条件对煤层含气性影响
根据低煤阶煤层气资源分布与气候分区图（图1），北美地区落基山脉及以东地区的山地—温带大陆性气候条件下，大气降水充沛、地表河流较多，位于该区域的粉河、风河、阿尔伯塔等盆地次生生物煤层气主要产自埋深300 m以浅的煤层，并且MICHAEL等[20]从粉河盆地煤层水样中富集培养获得了本源产甲烷菌。澳大利亚苏拉特盆地则因亚热带湿润气候条件下，大气降水充足，煤层次生生物气发育。总体来看，北美地区、澳大利亚的次生生物气发育均以煤层水矿化度低（100~800 mg/L）为基本特征，以次生生物气为主的粉河等盆地煤层含气量介于0.5~4 m3/t之间，叠加了深成热变质或岩浆热事件的苏拉特及阿尔伯塔盆地煤层含气量可提高至3~14 m3/t[21]。
气候特征、水化学类型与生物气成因之间具有更深层次联系。自新生代以来，新疆、内蒙古中西部地区气候干旱、蒸发强烈（图2），地层水矿化度的不断升高严重抑制了产甲烷菌活性及次生生物气的产生，形成原生生物气藏与特殊的次生生物气藏。以新疆地区为例，大陆性干旱气候条件下的吐哈盆地沙尔湖、艾丁湖、哈密等凹陷实测煤层含气量仅为0.03~3 m3/t，甲烷碳同位素值介于－61‰~ －58.4‰之间，凹陷中心煤层水矿化度高达15 000~30 000 mg/L，水型为CaCl2型，判定为原生生物气藏[19,24]；受天山北坡丰富地表水系补给的准噶尔盆地南缘、三塘湖盆地东缘地区，其煤层含气量可达2~15 m3/t，煤层水矿化度为2 500~17 000 mg/L，水型为HCO3 -·SO4 2--Na+型，判定为与国外相异的大陆性干旱气候区域次生生物气藏。
2.3 煤层气风化带与聚气模式差异性
2.3.1 风化带特征
美国、澳大利亚、加拿大等国家的低煤阶煤层气藏因斜坡带浅部次生生物气聚集，煤层气风化带均较浅，主要介于30~150 m之间。与之相比，我国低煤阶煤层气风化带普遍较深，且干旱气候条件下的风化带深度更深。据统计，二连盆地吉尔嘎朗图、霍林河凹陷煤层气风化带在300~450 m之间，鄂尔多斯盆地西南缘黄陇煤田风化带在450~530 m之间[25]，准噶尔盆地南缘风化带在400~600 m之间，而干旱气候条件下的戈壁、沙漠地区，如准噶尔盆地东缘、三塘湖盆地中西部、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地北部乌审旗等区域，风化带深度一般在700~1 100 m之间，结合干旱区煤层含气量低、煤层水矿化度极高的情况，反映了干旱气候地区强烈蒸发使地层水位降低、矿化度急剧升高，使次生生物气生成不利且原生生物气保存不佳，风化带加深。
2.3.2 聚气模式差异性
煤层气藏的聚气模式受生烃、运移、圈闭构造控制。由于低阶煤的吸附能力弱、兰氏体积小，因此国外高产的低煤阶煤层气藏普遍呈过饱和状态，其游离气聚集特征是地质“甜点”区的评价重点。
粉河、苏拉特等盆地的低煤阶煤层含气量偏低、渗透性好，受地表淡水侧向补给以及向煤层深处运移的影响，盆地斜坡带的次生生物气发育且气体受浮力、水动力运移双重控制，极易在平缓斜坡带的微幅背斜等构造圈闭部位形成良好的游离气聚集[26]，总体表现为吸附气与游离气共存，煤系气发育。
2.4 煤层气井产气效果
3 低煤阶煤层气成藏共性特点与聚气模式
3.1 低煤阶煤层气成藏共性特点
根据“甜点”区地质特征，“淡水补给生气”“圈闭聚气”是国内外低煤阶煤层气成藏且气井高产的共性主控因素。
3.1.1 淡水补给生气
低煤阶煤的煤化作用程度低、尚未进入热解生气阶段，易被本源菌分解，其生气量主要受产甲烷菌活性及时长控制。因高矿化度地层水（≥5 000 mg/L）严重抑制产甲烷菌活性，因此新生代以来持续的淡水补给为低煤阶煤层中产甲烷菌活性及长期生气提供基础条件。亚热带湿润气候、温带湿润—半湿润季风气候、山地—温带大陆性气候（地表河流补给区）、大陆性干旱气候（冰川融水补给区）均能为低煤阶煤层生气提供条件。
3.1.2 圈闭聚气
低煤阶煤的吸附能力弱，游离气占重要比例，因此，圈闭聚气是国内外低煤阶煤层气“甜点”区的普遍特点。缓斜坡构造背景下的鼻状隆起、微背斜—水动力圈闭以及构造挤压背景下的背斜、断块圈闭均为低煤阶煤层气聚集的有利部位。此外，缓斜坡背景下的聚气圈闭多浅于600 m，煤层渗透性好、地表淡水补给范围大，煤层水矿化度较低（<2 720 mg/L），如粉河、苏拉特等盆地；而构造挤压背景下的聚气圈闭多深于500 m，圈闭构造变形强烈，煤层渗透性差且地表淡水补给深度有限，其煤层水呈滞留状态、矿化度高（≥9 000 mg/L），如准噶尔盆地南缘。
3.2 低煤阶煤层气聚集模式与特点
通过对国内外不同地区低煤阶煤层气地质差异性及成藏共性特点的综合分析，从成煤、生气、聚集3个阶段的差异可划分出4类典型的低煤阶煤层气聚集模式（图5），其煤层气藏具有以下特点：国外低煤阶煤层气资源多赋存较浅，煤层渗透性好导致淡水持续补给、煤层持续生气，煤层气多在斜坡带微构造圈闭部位聚集；而国内低煤阶煤层气资源多赋存较深，煤层渗透性较差、淡水补给深度有限、煤层水矿化度较高，煤层气多在单斜、向斜的承压汇水区以及背斜、断块等圈闭部位聚集，赋存模式更为多样。
4 结论
通过对国内外低煤阶煤层气资源与勘探开发进展、地质特征对比、成藏共性特点与聚集模式的分析研究认为：
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（1）国内外煤层气产业的巨大差异主要受地质及气候条件约束，我国低煤阶煤层气资源丰富，新疆侏罗系、内蒙古东部白垩系及东北地区古近系等低阶煤赋存区均有高产井突破，但由于地质条件复杂、非均质性强，仍处于小规模开发阶段。
（2）与国外低煤阶煤层气地质特征对比，我国大陆板块构造演化复杂，以挤压、碰撞为主的构造背景下，低煤阶煤层物性显著变差，但区域动力变质、岩浆接触热变质使新疆、东北地区煤层产生热成因气，叠加湿润气候区降雨或干旱气候区山前冰川融水补给而产生的次生生物气，煤层含气量较国外普遍偏高。
（3）地质差异性最终表现为我国低煤阶煤层气风化带深、聚气模式多样、产气量偏低。干旱气候区的煤层水位低、矿化度极高，原生生物气保存不佳且次生生物气生成受阻，导致煤层含气量极低、风化带深度大，勘探潜力差。
（4）气候条件、构造演化对低煤阶煤层气聚集影响显著，“淡水补给生气”、“圈闭聚气”是国内外低煤阶煤层气成藏且气井高产的共性主控因素，但生气、聚气阶段的差异会形成不同特点的煤层气藏。我国低煤阶煤层气“甜点”区普遍埋深较大、煤层水矿化度高、位于单斜/向斜的承压水滞留区或断块、背斜等圈闭部位。
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