本文引用著錄格式：周立宏, 熊先鉞, 丁蓉, 等. 煤巖氣內涵、富集機理及實踐意義[J]. 天然氣工業, 2025, 45(3): 1-15. ZHOU Lihong, XIONG Xianyue, DING Rong, et al. Connotation, enrichment mechanism and practical significance of coal-rock gas[J]. Natural Gas Industry, 2025, 45(3): 1-15.
作者簡介：周立宏，1968年生，正高級工程師，博士；現任中石油煤層氣有限責任公司執行董事、黨委書記，主要從事頁巖油、煤層（巖）氣等油氣勘探開發理論與技術研究、生產管理工作。地址：（100028）北京市朝陽區太陽宮南街23號豐和大廈。ORCID:0000-0001-9323-4479。
Email：zhoulh@petrochina.com.cn通信作者：李勇，1988年生，教授，博士研究生導師，本刊青年編委；主要從事煤層氣和非常規油氣方面的教學和科研工作。地址：（100083）北京市海淀區學院路丁11號。ORCID:0000-0001-8859-156X。
Email：liyong@cumtb.edu.cn; cugbliyong@gmail.com基金項目：中國石油天然氣集團有限公司科技項目“全國陸上煤層氣資源評價”（編號：2023YQX20117）。
煤巖氣內涵、富集機理及實踐意義
周立宏1,2 熊先鉞1,2 丁 蓉1,2 李 勇3
1.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司
2.中石油煤層氣有限責任公司
3.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院摘要：鄂爾多斯盆地東部大寧—吉縣區塊2024年煤巖氣產量達到19.6×108 m3，建成了世界首個年產200×104 t油氣當量煤巖氣田，標志著煤巖氣已深刻影響中國天然氣產業格局。為了更好地推動中國煤巖氣產業發展，保障國家能源安全，在系統梳理全球煤層氣到煤巖氣探索歷程的基礎上，對比了全球典型盆地煤層（巖）氣地質特征，明確了煤巖氣概念的科學內涵、富集機理、應用價值及實踐意義。研究結果表明：①煤巖氣指以煤作為儲集巖且處于煤炭開采經濟技術極限深度以深煤層中的天然氣。②煤巖氣概念立足煤巖學屬性，突出了煤層作為儲集巖的科學內涵；區分了煤層氣（瓦斯）的伴生資源屬性，明確了作為獨立天然氣資源的應用價值；超越了煤層吸附氣為主的傳統認識，具備勘探開發思路轉型的實踐意義。③煤巖氣概念實現了3方面突破：深層煤巖割理裂縫和微孔喉發育，突破了煤層氣開發埋深下限；深層煤巖吸附氣＋游離氣共存，突破了吸附氣為主的煤層氣相態認知局限；深層煤巖氣壓后排液即高產，突破了“排水—降壓—生產”理論模式局限。④提出了“連續穩定的優質煤巖是成烴控儲基礎、良好的保存條件是成藏控產關鍵”的深層煤巖氣“二元富集”理論以及“原生沉積連續穩定的煤層在構造穩定區、轉折區和復雜區依次形成了‘頂底封存、原位滯留’‘擠壓封堵、斜坡殘留’‘水力封堵、構造調整’”3種控氣模式。結論認為，針對鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區塊2 000 m以深煤巖氣的勘探開發形成的煤巖氣“二元富集”理論認識，已成功引領煤巖氣勘探開發在中國的拓展，有望推動中國天然氣格局發生革命性變化。
關鍵詞：鄂爾多斯盆地；大寧—吉縣區塊；深層煤巖氣；淺層煤層氣；游離氣；“二元富集”理論；控氣模式
0 引言
2019年，中國國家能源局正式實施油氣行業增儲上產“七年行動計劃”，國內石油企業加大勘探開發科技和資金投入力度。同年，中石油煤層氣有限責任公司在前期不斷探索基礎上，在鄂爾多斯盆地東部大寧—吉縣區塊實施了世界首口2 000 m以深煤巖鉆探的大吉3-7向2井，取得了深層煤巖氣重大勘探突破。截至2024年底，在鄂爾多斯盆地上石炭統本溪組8號煤已提交3 000×108 m3儲量，并揭示下二疊統山西組5號煤具有重大資源潛力，煤巖氣在該盆地中東部已實現了整體勘探突破[1-3]，預測儲量超萬億立方米。其中，大寧—吉縣區塊深層煤巖氣日產氣量突破700×104 m3，具備200×104 t油氣當量年生產能力，建成世界首個百萬噸級油氣當量煤巖氣田，展示出一個極具突破性與廣闊工業化生產潛力的非常規天然氣勘探開發前景。同時，準噶爾盆地和四川盆地的風險探井深層煤巖氣也獲得了高產；初步估算中國煤層（巖）氣總產量2030年將達300×108 m3，展現出深層煤巖氣良好的勘探開發前景。
大寧—吉縣區塊深層煤巖氣的勘探突破引領中國煤層（巖）氣產業進入新格局，帶動鄂爾多斯盆地、四川盆地和準噶爾盆地等煤巖氣勘探發生革命性變化。目前，煤巖氣的概念在學術界引起了諸多爭議：郭緒杰等[4]從勘探開發實踐經驗中總結提出煤巖氣是一種既不同于煤層氣也不同于常規氣的新聚集類型的天然氣；李國欣等[5]從內涵以及評價標準角度將煤巖氣概念具體化為煤巖自身生成或其他氣源運移而賦存于煤巖中，游離態和吸附態并存，游離氣含量高，通過儲層改造可快速產氣并能獲得工業化開采的烴類氣體。此外，還有一些學者[6-7]針對埋深、煤階、壓力、含氣量、游離氣占比以及孔縫發育等地質認識以及縫網改造、起裂方向等壓裂工程技術方面也開展了諸多論述?？傮w來看，煤巖氣普遍具有“高儲層壓力、高含氣量、高游離氣”等不同以往淺層煤層氣的鮮明地質特征，在富集模式、改造機理和開發技術等方面也存在明顯差異。
當前，煤巖氣概念存在一定爭議，部分學者[8]認為淺部煤層氣也存在高游離氣含量、高儲層壓力和外源氣等地質特征，無須單獨命名“煤巖氣”。為了科學定義煤巖氣概念，闡明煤巖氣概念提出的必要性，筆者從中石油煤層氣有限責任公司的煤層（巖）氣科學研究探索和勘探開發歷程出發，結合勘探和開發地質理論認識，系統梳理煤巖氣這一概念提出的淵藪、內涵、科學價值及實踐意義，以期明確煤巖氣在全球油氣領域的地位和價值，盡快實現深層煤巖氣在更大范圍的規?？碧胶托б骈_發，為中國能源結構優化和能源安全發展提供技術支撐。
1 從淺層煤層氣開發到深層煤巖氣突破
1.1 國外淺層煤層氣工業化勘探開發
美國于20世紀70年代率先開展煤層氣勘探開發工作，煤層氣生產能力由1980年不足1×108 m3，迅速上升到1990年100×108 m3，2008年產氣量達峰557×108 m3，約占其年度天然氣總產量的10%，開發區塊主要集中在圣胡安盆地、粉河盆地和黑勇士盆地[9-10]。加拿大煤層氣勘探始于20世紀80年代，2000年應用連續油管和液氮壓裂技術，在阿爾伯塔盆地實現了煤層氣商業開發，2010年產氣量達峰140×108 m3[11-12]（圖1）。澳大利亞煤層氣勘探始于20世紀90年代，2014年前后在蘇拉特盆地實現了規模開發，2016年產氣量超過美國，2021年產氣量峰值突破405×108 m3，約占其年度天然氣總產量的30%[13]。上述實現商業開發的盆地，均以低煤階和中低煤階淺層煤層氣為主，圣胡安盆地主力煤層為上白堊統Fruitland組，煤巖鏡質體反射率（Ro）為0.6%～1.5%，煤層厚度為3.0～15.0 m，埋深為150～1 070 m，其中該盆地北部和南部煤層埋深普遍不超過 800 m，采用排水降壓的生產模式[14-15]。粉河盆地古新統—始新統Fort Union組煤層Ro＝0.3%～0.4%，單層煤厚度為0.5～75.0 m，滲透率為30～500 mD，煤層與砂巖頻繁互層，主力產層埋深為100～500 m，主要采用裸眼完井和排水降壓生產模式[16-19]。蘇拉特盆地侏羅系Walloon組煤層Ro＝0.3%～0.6%，單層煤厚度為0.1～3.9 m，層數普遍超過100層，滲透率普遍為10～300 mD，主力產層埋深為100～800 m，通常采用裸眼完井和排水降壓生產模式（表1）[20]?？傮w來看，美國煤層氣產量在2008年達峰后，受頁巖油氣革命影響，產能持續處于下降趨勢；澳大利亞煤層氣產量也在2021年之后呈現下降趨勢，且僅在富含生物氣的蘇拉特盆地低煤階煤層氣開發效果良好；加拿大煤層氣產業也呈現緩慢下降趨勢。近年，印度啟動多項清潔煤炭計劃，初步開展了煤層氣開發探索，日產氣量約70×104 m3[21]（表1）。
圖1 全球煤層（巖）氣發展歷程與關鍵節點圖
表1 國外典型煤巖氣地質參數對比表
1.2 中國淺層煤層氣工業化勘探開發
中國煤層氣勘探始于20世紀90年代，以煤礦瓦斯富集理論為指導，在開灤、淮南、松藻、鐵法等高瓦斯含量煤礦地區進行開發試驗[22]。21世紀以來，隨著煤礦安全問題日益突出，以井下瓦斯抽采和地面煤層氣開發并行思路為指導，在全國范圍開展了較大規模的勘探工作。2004年，中國在沁水盆地潘河建成了國家級煤層氣開發利用高新技術產業化示范工程，但是與美國、加拿大和澳大利亞的低—中低煤階煤層氣開發不同[23-24]，在瓦斯富集理論指導下，中國率先在高煤階儲層實現了煤層氣商業開發[25]。推動中國煤層氣工業化開發的關鍵時間節點主要是：1994年中國石油成立煤層氣勘探項目經理部，著眼全國開展目標優選和勘探試驗；1996年中聯煤層氣有限責任公司成立，主要從事煤層氣資源的勘探、開發、輸送、銷售和利用工作，享有煤層氣對外合作專營權；2007年中聯煤層氣國家工程研究中心成立，是首個專門從事煤層氣研究的國家級平臺；2008年中國石油從中聯煤撤出50%股權，獨資設立中石油煤層氣有限責任公司，專門從事煤層氣等非常規天然氣勘探開發；2008—2020年，隨著“大型油氣田及煤層氣開發”國家科技重大專項開展，中國建成了沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣兩個千億立方米煤層氣產業基地，并且探索了準噶爾盆地南緣、四川盆地南部、黔西—滇東地區的煤層氣開發潛力。
目前，中國已實現煤層氣工業化開發的區塊包括沁水盆地潘莊、樊莊、鄭莊和柿莊區塊，鄂爾多斯盆地的延川南、韓城、保德和柳林區塊，準噶爾盆地的阜康區塊（表2），四川盆地筠連區塊等，涵蓋了不同煤階煤層氣盆地[26-27]。但是從“十一五”到“十三五”，煤層氣探明儲量、年產氣量和商品氣量均未完成國家預期目標，2010、2015和2020年產氣量分別為15×108 m3、44×108 m3和67×108 m3，“十三五”煤層氣產業發展進入瓶頸期[28-29]。
表2 中國典型煤層（巖）氣地質參數對比表
1.3 深層煤巖氣探索突破
2019年以前，國內煤層氣開發主要集中在1 500 m以淺煤層，更大埋深的煤層氣勘探一直未取得實質性突破。其中，20世紀90年代渤海灣盆地黃驊坳陷滄縣隆起滄參1井鉆遇9層煤，埋深超1 500 m，累計煤層厚度為18.2 m，見明顯氣測異常；2015年渤海灣盆地北大港潛山港古1507井在井段2 080～2 106 m的煤層試采，油、氣日產量分別為33.1 t和3 730 m3[30]。1992年準噶爾盆地白家海凸起彩17井在井段2 816～2 829 m的侏羅系煤層壓裂，試產7天平均日產氣量8 500 m3；2005年彩504井在井段2 567～2 583 m的煤層壓裂獲日產氣量約7 300 m3；2013年彩512井在井段2 614～2 619 m的煤層壓裂試采日產氣量為986～4 420 m3[31]。2019年，為了解決渤海灣盆地滄縣隆起煤層風氧化帶深度大的難題，基于淺層煤層氣開發理論技術實施大平7井，在埋深約950 m煤層（水平段長1 174.3 m）獲最高日產氣量約11 000 m3[32]。上述工作均展示深部煤層氣具有商業開發潛力，但是這些工作主要依托常規油氣勘探或淺層煤層氣理論認識開展，沒有系統以1 500 m以深煤層為目標進行探索。
2019年，中石油煤層氣有限責任公司在鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區塊實施世界首口深層煤巖氣井——大吉3-7向2井。該井本溪組8號煤層埋深2 217 m，鏡質體反射率為2.3%，煤層厚度為8.8 m（垂厚為7.2 m），滲透率為0.01～0.10 mD，采用酸化壓裂，試采日產氣量快速上升至5 791 m3，拉開了深層煤巖氣勘探開發的序幕。這是繼大寧—吉縣區塊探索淺層煤層氣、煤系致密氣和煤系頁巖氣之后，在系統評估2 000 m以深煤層地質特征之后，以深層煤巖氣勘探目標進行的針對性探索，主體經歷4個階段：①2013—2018年，前期探索嘗試，在煤系致密氣勘探工作中兼顧評估深層煤巖含氣特征，發現深煤層具有良好的含氣性；②2019—2020年，采用常規改造工藝技術針對2 000 m以深煤層進行壓裂測試，其中大吉3-7向2井獲得較淺層煤層氣高產；③2020—2021年，探索大規模體積壓裂技術，叢式井加砂規模提升至200 m3、水平井單段加砂量至350 m3，大吉6-7平01井試采最高日產氣量達10.10×104 m3，成為國內首口日產氣量超10×104 m3的煤巖氣井，并探明世界首個埋深超2 000 m、儲量為1 121×108 m3的深煤層天然氣田；④2021—2022年，進一步探索了深煤層超大規?？p網壓裂技術和開發試驗，叢式井和水平井單段加砂規模分別提升至350 m3和500 m3，并在大寧—吉縣區塊開展第一個深煤層開發井組試驗，投產水平井29口，初期單井平均日產氣量超過10×104 m3；⑤2023年至今，進一步形成了水平井鉆井、壓裂、采氣配套技術和工廠化施工組織模式，深層煤巖氣開啟規模高效開發，目前投產130余口井，初期單井日產氣量均超過8×104 m3。截至2024年底，大寧—吉縣區塊建成了年生產能力200×104 t油氣當量的新型天然氣生產基地（圖2）。
圖2 大寧—吉縣區塊煤層（巖）氣探索歷程圖
2 煤巖氣概念提出及內涵
2.1 煤巖氣提出背景
從上述全球煤層氣勘探開發歷程可以看出，在大寧—吉縣區塊深層煤巖氣突破之前，尚未見到真正以2 000 m以深煤層為勘探開發目標的針對性探索。Kuuskraa等[33]在1993年使用了“Deep Coal Seam”這一名詞，提到“傳統認為5 000 ft（1 524 m）以深的煤層滲透率太低而難以開發”，但是“最新研究認為5 000 ft以深煤層氣資源開發潛力可觀”，并且在結論中提出“低地應力和干煤（low stress and dry coals）”可能是深部煤層開發的有利條件，但是仍然有待經濟性的開發技術形成。1985年在美國皮申斯盆地采用水力壓裂技術開采了埋深1 560～2 560 m的煤層氣，并協同開發了上白堊統Williams Fork 組的致密砂巖氣，其煤層氣開發仍然采用傳統的排水降壓模式，單井最高日產氣量達到1.40×104 m3，沒有形成針對深層煤層氣的新認識[34-36]。Langenberg等[37]在評價加拿大阿爾伯塔盆地白堊系Foothills/Mountains組煤層氣資源時，將其劃分為淺層（小于1 000 m）和深層（大于1 000 m）。2013年，澳大利亞在庫珀盆地鉆探了埋深3 250～3 500 m的二疊系煤層，單井平均日產氣量達到0.56×104～2.80×104 m3，但未形成規模產能[38]。
中國也有諸多論文以深部煤層氣為主題進行討論，并認為煤層氣以吸附氣為主，且重點關注吸附能力和地應力轉折深度，未涉及理論認識的革命性變化 [39]。其中，20世紀90年代即有以“深部煤層氣”為題的學術論文；2006年，秦勇[40]提到“深部煤層的含氣性和滲透性盡管受到地溫、埋藏深度等不利因素的限制，但深部存在較高的流體壓力、較為致密的蓋層巖性、相對滯流封閉的水動力等條件。這些條件之間的有利配置，可能有利于深部煤層氣的保存”；2016年，秦勇等[41]進一步提到深部煤層氣勘探開發需要“資源潛力深化評價與再認識”。但是由于當時勘探實踐的局限性，其“深部”主要是指埋深大于 800 m或1 000 m的煤層，默認1 500 m以深煤層為禁區。學術研究中更多關注地應力狀態轉換和吸附氣含量隨埋深的變化，認為深度增加主要帶來滲透率大幅衰減等不利影響[42-43]。
2013—2018年，大寧—吉縣區塊依托鄂爾多斯盆地致密砂巖氣井的勘探開發探索評價了2 000 m以深煤層含氣性和物性特征；2019年開始針對深層煤進行大規?！笠幠毫咽┕?，實現了產能突破，并形成了理論體系。大寧—吉縣區塊規?；疑虡I化開發深層煤巖氣資源稟賦條件和儲集層特征都具有特殊性，形成了與傳統煤層氣勘探開發不同的理論認識，探索了與傳統煤層氣勘探開發不同的技術體系，目前全球尚無其他大規模商業開發的案例。以大寧—吉縣區塊本溪組8號煤淺層和深層的儲層特征對比為例，深層煤具有“大面積連片穩定分布、保存條件好、高含氣、高飽和、高產量”的特征，相較于淺層，含氣量、壓力、吸附飽和度優勢明顯，分別是后者的2.0倍、2.6倍、1.4 倍，具有與淺部煤層氣截然不同的資源特質（表3）。
表3 大寧—吉縣區塊不同埋深煤層基本地質參數對比表
2.2 煤巖氣概念和內涵
2021年，郭緒杰等[4]首先在文獻中提到“煤巖氣”一詞，用以揭示準噶爾盆地侏羅系八道灣組煤層中的天然氣，認為其具有“常規儲層和非常規儲層共 存，游離氣和吸附氣共生，自源氣和他源氣互補聚集、有序分布的特征”。2024年，李國欣等[5]提出將煤巖氣定義為“以煤巖自身生成或其他氣源運移而賦存于煤巖中，游離態和吸附態并存，游離氣含量高，通過儲層改造可快速產氣并能獲得工業化開采的烴類氣體”。同年，傅雪海等[8]提出，DZ/T0216—2020《煤層氣儲量估算規范》的煤層氣定義中，只要現賦存在煤層中，且以甲烷為主，就是煤層氣，不涉及其來源問題，即使現在賦存煤層中的氣，也不一定是其“親生”的，而且“大寧—吉縣區塊煤層氣中沒有明顯外源氣”，建議將“煤巖氣”“煤層瓦斯”統一稱為“煤層氣”。
綜合上述煤層氣勘探開發歷程、地質認識和工程技術進展，作者提出“煤巖氣”定義為：以煤作為儲集巖且處于煤炭開采經濟技術極限深度以下煤層中的天然氣，這個極限深度一般為1 500 m。謝和平等[44-45]綜合考慮采煤工作面環境溫度、巷道變形控制、采動巖體能量聚集災變等，提出目前技術水平條件下煤炭井工開采的極限深度為1 500 m。同時，受壓力正效應和溫度負效應影響，煤巖吸附能力的轉折深度一般在1 500 m左右[46]，在更大埋深下吸附能力降低，潛在游離氣含量升高。綜上所述，1 500 m符合考慮當前經濟技術條件下煤炭開采極限深度和煤巖吸附能力的雙重約束。
煤巖學是用巖石學方法研究煤的一門學科，顯微鏡是煤巖學研究的主要手段，兼用肉眼和其他技術手段，以物理方法為主，研究煤的巖相組成、成因、結構、性質及其加工利用性質[47]。1924年，德國波托尼首次使用“煤巖學”一詞；1925—1928年，德國斯塔赫應用油浸物鏡觀察粉煤光片；1932年，Hoffmann等應用光度計開展鏡質組反射率研究；1935年，《煤巖學教程》問世[48]，煤巖學發展成一門獨立學科。1933年，中國謝家榮發現并命名“樂平樹皮煤”，是煤巖學研究代表性成果，同年王竹泉發表了《河北磁縣煤層煤巖學研究》一文[47]。1953年，國際煤巖學委員會成立，并出版了《國際煤巖學手冊[49]，使煤巖術語與工作方法趨于標準化，推動了煤巖學的交流和發展。1996年，韓德馨[50]出版《中國煤巖學》，集中報道了煤巖學研究方法和煤巖學應用研究的科技進展，提出煤巖學是基礎性學科，具有廣泛的適用性，同時指出“煤巖組成是植物成礦作用的直接表現，不同聚煤期、不同沉積環境及不同的植物演化階段形成的煤具有不同的煤巖組成特點和工藝化學性質”?？梢?，煤巖不僅可以用來描述宏觀煤巖類型和顯微煤巖類型等傳統煤巖學內容，也可以描述煤物質組成、巖石學結構特征和實際應用性質。
煤巖氣概念兼顧考慮了科學認識和實踐價值，體現在：①煤巖涵蓋了煤的巖石學性質這一內涵，采用煤巖氣表明更多將煤巖當作儲集層（巖）來考慮， 突出了將煤層作為儲集層的重要屬性，符合當今煤巖氣開發中必須考慮煤巖物理性質進行壓裂施工設計等的研究進展；②中國煤層氣基礎理論認識多源于瓦斯防治認識，為了服務煤礦安全生產而作為伴生資源考慮，煤巖氣的概念突出了以天然氣勘探為主的內涵，更加強調將煤層中的天然氣作為獨立的重要資源進行勘探開發；③已有的煤層氣地質理論均認為煤層氣以吸附氣為主，需要通過排水降壓進行生產，煤巖氣綜合關注煤巖含氣性，更多關注游離氣，且含水量很少，以獨立名稱命名這種具有自身特定屬性的天然氣，便于直觀理解這類資源的稟賦及開發價值；④就目前勘探認識來看，煤層氣和煤巖氣兩者的差別直觀體現在埋藏深度，間接表現為成藏特征、產出模式和開發經濟價值等方面。
煤巖氣和煤層氣的氣體富集特征和成藏內涵存在差異，煤巖氣更強調從儲層角度（巖石學的觀點和方法）來研究煤層，系統整合瓦斯地質學、煤層氣地質學、非常規油氣地質學的理論認識，推動一種具有嶄新特征的源內氣藏的規模效益開發。深層煤巖兼具烴源巖、儲集層和封蓋層（納米孔喉自封閉效應）三重屬性，深層煤巖氣具有吸附氣和游離氣共存特征和產出機理，顛覆了傳統煤層氣基礎理論，主要體現在：①儲層特征，深層煤巖割理裂縫和微孔喉同樣發育，突破了大埋深強壓實作用下孔縫網幾乎不發育的傳統認識；②賦存機理，深層煤巖中天然氣吸附態、游離態共存，突破了以吸附氣為主單一賦存狀態的傳統認識；③生產特征，深層煤巖束縛水飽和度高，游離氣攜帶可動水產出，突破了“排水降壓生產”傳統認識（表4）。
表4 深層煤巖氣和淺層煤層氣關鍵差異對比表
為了更準確地理解煤巖氣概念，在表述中可以更多采用限定詞來便于理解，即采用淺層煤層氣和深層煤巖氣來指代2種具有明顯差異的非常規天然 氣。煤巖學的英文表達為Coal Petrology[49]，煤層氣在美國一般采用Coalbed Methane[51-52]，澳大利亞則表述為Coal Seam Gas[13]，也有學者采用 CoalbedGas等用法。郭緒杰等[4]在論文中將煤巖氣翻譯為“Coal Measure Gas”，李國欣等[5]采用“Coal-rock Gas”，由于Coal Measure Gas可直譯為煤系氣，Coal本身就定義為一種可燃的黑色或棕黑色的沉積巖[53]，Coal-rock在巖石學上有些沖突，其他名稱譬如Coal derived methane（gas）本身指煤成氣，Coal Gas則指煤氣（人工煤炭熱解制取，與地層中天然氣資源無關）。因此，從科學和實用性角度出發，筆者建議采用Deep Coalbed Methane，原因包括：①符合煤巖氣本身發育在大埋深條件下的地質特征；②與主流采用的煤層氣（Coalbed Methane）譯名具有傳承性，避免基本學術歧義；③明確以甲烷為主體的組成特征，盡管也含有其他譬如CO2、He和H2等組分，但是勘探開發主體以甲烷為核心目標。
3 煤巖氣富集機理
筆者以大寧—吉縣區塊為例，系統論述深層煤巖氣典型地質特征及富集成藏理論認識。大寧—吉縣區塊位于鄂爾多斯盆地東緣斜坡帶，自東向西依次劃分4個二級構造單元（圖3）。深度大于2 000 m的西部緩坡帶整體地層傾角小于2°，為非常平緩的大型斜坡，發育5號、8號煤層，埋深為2 000～2 400 m，構造簡單，大斷層不發育，為氣體富集提供了有利構造條件（圖3）[54]。
圖3 大寧—吉縣區塊8號煤頂界埋深與主要煤系
地層柱狀圖
8號煤層全區大面積連片展布，厚度為4.0～12.0 m，平均厚度為7.8 m；以光亮型和半亮型原生結構煤為主。有機顯微組分以鏡質組為主，鏡質組含量平均值為73.76%，Ro＝2.14%～2.78%，平均值為2.59%，具備強生氣能力，總生烴強度為20.2×108～34.7×108 m3/km2，氣源條件充足。實測煤含氣量平均值為24.3 m3/t，保壓取心測試游離氣含量為5.24 m3/t，占比22.0%，吸附氣與游離氣共存。煤巖微孔（小于2 nm）最為發育，平均占比81%；割理發育，面割理密度為3～10 條/5 cm，端割理密度為2～15 條/5 cm，割理呈線狀、網狀分布。煤巖比表面積為225.24 m2/g，吸附能力強、含氣量大。實測煤層水礦化度為35 650～332 006 mg/L，平均值為158 981 mg/L，水型為CaCl2型。深層屬于承壓水區，水文地質條件簡單，水動力條件較弱，有利于煤層氣富集保存。
3.1 連續穩定的優質煤巖是成烴控儲的基礎
優質煤巖對成烴控儲的影響體現在：①連續穩定的煤層是天然氣規模生成的前提條件，大寧—吉縣區塊處于潮坪—潟湖—障壁砂壩相帶，廣覆式發育8號煤層，成煤環境為強還原條件下的富營養覆水森林沼澤相，煤層全區連片展布，是大面積連續分布的源巖層系，為氣體生成奠定了物質基礎；②煤巖類型影響生烴潛力和優質儲層的分布，光亮煤和半亮煤的含氣量高，同時對應儲層物性好，以大寧—吉縣區塊10口井為例，上部光亮—半亮煤的灰分產率、礦物含量、含水飽和度和蘭氏壓力明顯較下部暗淡—半暗煤低，而蘭氏體積、含氣量、含氣飽和度和有效孔隙度則明顯偏高（圖4）。從成烴率對比來看，類脂組∶鏡質組∶惰質組為3.0∶1.0∶0.8，產氣率上鏡質組為惰質組的4.3倍，類脂組為惰質組的11.0倍，以鏡質組含量高的鏡煤和亮煤為主的光亮型煤巖更有利于氣體的生成[55]。同時高鏡質組含量和相對高變質程度煤巖生烴量高，同時生成大量氣孔，有利于氣體富集，對于儲層物性也有提升。
圖4 不同類型煤巖含氣量與物性特征對比圖
3.2 良好的保存條件是成藏控產的關鍵
鄂爾多斯盆地煤巖氣是大規模生排烴之后殘余在煤層中的天然氣，最大生烴時刻的生氣量和后期構造演化控制的保存條件共同決定了現今殘余氣含量。石炭紀—二疊紀煤層沉積之后，在三疊紀持續沉降，煤層溫度為90～120 ℃，第一次生烴；三疊紀末期，印支運動使地層抬升，生烴停止。侏羅紀—早白堊世，地層快速沉降，煤層達到最大埋深4 000 m，生烴量最大，同時受早白堊世異常古地熱場作用，含煤地層溫度超過220 ℃，煤巖吸附能力低，推測氣體以游離態為主。白堊紀末期，喜馬拉雅期地層持續抬升，氣體大量逸散，受保存條件差異影響，形成不同類型的氣藏?，F今煤層在盆地東部出露，大氣降水滲入等形成側向封堵，形成了低飽和度的淺層煤層氣藏。隨埋深加大，地層保存條件變好，游離氣存在于較大孔隙和裂隙中，形成常壓和超壓煤巖氣藏（圖 5）。
圖5 大寧—吉縣區塊8號煤地質演化約束的煤層（巖）氣差異生運聚特征圖
煤層含氣量受封蓋條件控制，游離氣更有利于在良好圈閉條件下富集。深層煤巖的封閉性體現在5個方面：①煤巖自封閉效應。煤層含氣量受封蓋條件 控制，煤巖表面與氣體分子之間存在物理吸附為主的范德華力，阻礙氣體解吸擴散，同時氣體在微小的納米級孔中受強毛細管力作用，形成雙重自封閉。②頂底板致密巖性封閉效應。阻礙氣體的垂向運移和擴散。③水力封堵效應。陡坡帶地下水對氣體的逆勢封堵作用，形成水壓封閉效應。④擠壓應力封閉效應。緩坡帶軸部在較強擠壓應力作用下，形成低孔隙、低滲透的物性封存作用，與正向構造共同構成垂向和側向封閉。⑤地應力轉換封存效應。隨著埋深加大，垂向應力加大，且在1 500 m以深基本以垂向應力為最大主應力，煤層壓實封閉效應明顯，氣體保存效果好[46]。
煤層內部也普遍發生微運移調整，氣體在層內由構造低部位向高部位運移，造成不同埋深煤層含氣量平面和垂向差異，體現在：①鄂爾多斯盆地東緣淺層煤層氣區塊的甲烷同位素普遍偏輕，存在地層抬升造成的解吸分餾，氣體由深部煤向淺部煤側向運移調整[56]；②部分深層煤巖保壓取心測試顯示，上部煤巖的游離氣含量較高，同一套煤層上部割理發育的鏡煤、亮煤條帶是游離氣的重要賦存空間，在頂板良好封蓋條件下形成更多的氣體聚集，存在基質孔隙向割理的擴散運移，發生下部天然氣向上部垂向調整，造成含氣量縱向差異 [57]。
3.3 “二元富集”模式
綜上所述，筆者提出深層煤巖氣“二元富集”理論：連續穩定的優質煤巖是成烴控儲的基礎，良好的保存條件是煤巖氣成藏控產的關鍵。由于生和保存條件差異，存在3種差異類型的富集模式：①穩定帶。深層緩坡穩定帶呈現“頂底封存、原位滯留”，構造改造微弱，封閉性強，以高礦化滯留水文地質為特征，在光亮煤巖、致密頂板（石灰巖）封蓋下有利于煤層氣富集。②轉折帶。在構造轉折帶，存在“擠壓封堵、斜坡殘留”富氣模式，同一套煤巖歷史最大埋深相差不大，都具有強生烴能力，但是構造變形發育，存在氣體逸散，在較強擠壓應力作用下，形成正向和負向構造變形，形成構造和物性封存，與正向構造共同構成垂向和側向封閉。③復雜帶。淺層復雜構造帶，原生氣藏流體發生不同程度的改造破壞，地表水下滲，形成水壓封堵，發育“水力封堵、構造調整”控氣模式（圖6）。
圖6 大寧—吉縣區塊深層煤巖氣二元富集機理模式圖
4 煤巖氣實踐意義
4.1 首個兩百萬噸級油氣當量煤巖氣田
在煤巖氣成藏理論指導下，鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區塊3 年累計探明煤巖氣儲量達到3 062.94×108 m3，建成10×108 m3/a產能工程，目前日產氣量超700×104 m3，建成了年產200×104 t油氣當量的煤巖氣田。2022年，大寧—吉縣區塊吉深 10-8平01井完鉆，完鉆井深3 932 m，水平段長1 339 m。該井2023年1月投產，初期日產氣量為14.20×104 m3，日產氣量大于10.00×104 m3已穩產180 d。截至2024年12月底，該井已生產726 d，累計產氣量達6 304×104 m3，目前日產氣量5.00×104 m3，日產液量為3.0 m3、油壓為4.50 MPa，套壓為2.28 MPa，返排率63.3%，預測單井最終可采氣量（EUR）超億立方米（圖7）。該井是目前中國首口累計產氣量突破5 000×104 m3、穩產時間最長、穩產能力最強、EUR最高的煤層氣井。在該理論指導下，進一步發現鄂爾多斯盆地山西組5號煤巖具有廣闊的勘探開發前景，2023年針對山西組5號煤層實施的風險探井吉平2H井，日產氣量5.20×104 m3，截至2024年底，已生產443 d，累計產氣量2 328×104 m3。
圖7 吉深10-8平01井煤巖氣生產曲線圖
4.2 鄂爾多斯盆地煤巖氣勘探全面突破與其他盆地煤巖氣勘探多點突破
大寧—吉縣區塊2 000 m煤巖氣開發成功，有效地推動了中國煤巖氣理論研究、資源評價和勘探開發工作[58]。2022年，鄂爾多斯盆地東北緣神府區塊 深煤1號井在井深1 998 m煤層（水平段長1 000 m） 獲初期日產氣量 6.00×104 m3；神木—佳縣區塊佳南1H井在井深2 550 m煤層（水平段長2 211 m）獲初期日產氣量8.16×104 m3。2023年，盆地中東部大牛地區塊陽煤 1H井在井深2 880 m煤層（水平段長1 030 m）獲初期日產氣量8.50×104 m3；中部納林河—米脂北區塊米172H井在井深2 690 m煤層（水平段長1 314 m）獲初期日產氣量 13.60×104 m3[1-2,58-59]。上述工作實現了盆地中部和東部大部分地區煤巖氣勘探突破，展現了鄂爾多斯盆地煤巖氣巨大的開發潛力。
準噶爾、吐哈、四川和渤海灣等盆地煤巖氣勘探也相繼實現多點突破。2021年，準噶爾盆地彩探1H井在埋深2 386 m煤層（水平段長1 000 m）試 氣獲得最高日產氣量為5.70×104 m3，穩產日產氣量為2.00×104 m3[60]；2022年，吐哈盆地柯新1H井煤巖測試含氣量為17～25 m3/t；2023年，四川盆地南川區塊陽2井（直井）在埋深1 900 m煤層獲日產氣量為1.20×104 m3，實現四川盆地煤巖氣突破[61]；同年四川盆地大安區塊嘉探1H井獲最高日產氣量超2.00×104 m3，突破3 000 m埋深產氣關；2024年，四川盆地寧探 1H井（垂深4 070 m、水平段長1 000 m） 完鉆揭示龍潭組煤層厚度為 11.08 m，探索了四川盆 地腹部煤巖氣潛力[62]。此外，渤海灣盆地冀中、黃驊坳陷信探1H井、官探1H鉆遇高含氣煤巖，目前正在測試中。上述工作標志著煤巖氣勘探開發在中國全面展開，并且在不同類型盆地、不同沉積煤層和更大埋深區段展開。
4.3 中國煤巖氣革命前景展望
煤巖氣理論是中國首次在全球油氣領域提出的創造性新領域，與美國、澳大利亞和加拿大淺層煤層氣的地質特征和開發的模式截然不同。煤巖氣理論的提出是立足中國“相對富煤、貧油、少氣”的資源稟賦，徹底改變了煤層氣沒有完成國家“十一五”“十二五”“十三五”任務目標的被動局面， 高效探明了中國首個2 000 m 以深的千億立方米級煤巖氣田，創新性提出了深層煤巖氣這一與全球已有 工作均不同的新領域，將引發一場世界級的煤巖氣 革命。
初步估算，中國深層煤巖氣地質資源量超50.0×1012 m3。鄂爾多斯盆地約 20.2×1012 m3，四川盆地11.9×1012 m3，塔里木盆地北部山前構造帶約 4.6×1012 m3、庫車坳陷約4.9×1012 m3，吐哈盆地2.6×1012 m3，準噶爾盆地約2.5×1012 m3，松遼盆地累計約2.2×1012 m3，渤海灣盆地1.9×1012 m3，海拉爾盆地1.8×1012 m3。
從目前勘探開發趨勢來看，鄂爾多斯盆地已具備實現煤巖氣大規?？碧介_發的基本條件，準噶爾盆地和四川盆地也有望實現工業化勘探開發。按50%的地質資源量可轉化為實際勘探資源估算，上述3大盆地深層煤巖氣可勘探資源總量約15×1012 m3。進一步按40%～50%資源探明率，預測深層煤巖氣儲量發現規模為6×1012～8×1012 m3。截至2023年底，中國煤層（巖）氣總探明儲量約為1×1012 m3，煤層（巖）氣年產氣量為117.7×108 m3，可見深層煤巖氣探明儲量1×1012 m3可建產不少于100×108 m3/a。因此，預測中國煤巖氣峰值產量可達600×108 m3，其中“十五五”末煤巖氣產量可突破200×108 m3，煤層（巖）氣總產氣量超過300×108 m3。
5 結論
1）煤巖氣指以煤作為儲集巖且處于煤炭開采經濟技術極限深度以下煤層中的天然氣，這個極限深度一般為1 500 m。煤巖氣更強調從儲層角度（巖石學的觀點和方法）來研究煤層，主要針對埋深大于1 500 m，以高含氣、高飽和氣、吸附氣與游離氣共存形式賦存在煤巖中的天然氣。
2）煤巖氣概念的科學價值和實際意義體現在：立足煤巖學屬性，突出煤作為儲集巖的重要價值；區分瓦斯的伴生資源屬性，突出作為獨立天然氣資源的重要內涵；避免煤層吸附氣為主的傳統認識，體現新類型資源的開發價值。
3）深層煤巖氣的突破性認識體現在：深層煤巖割理裂縫和微孔喉發育，突破了煤層氣開發埋深下限；深層煤巖吸附氣＋游離氣共存，突破了煤層以吸附氣為主的相態認知局限；深層煤巖氣開井即高產，突破了“排水降壓生產”理論認知局限。
4）深層煤巖氣具有“二元富集”模式：即連續穩定的優質煤巖是成烴控儲的基礎，良好的保存條件是煤巖氣成藏控產的關鍵。連續穩定的煤層是天然氣規模生成的前提條件，煤巖類型影響生烴潛力和優質儲層的分布，光亮煤和半亮煤含氣量高且物性好；煤巖現今含氣量受封蓋條件控制，氣體封閉性受煤巖自封閉、頂底板致密巖性封閉、水力封堵、擠壓應力封閉和微運移調整效應綜合控制。
論文原載于《天然氣工業》2025年第3期———END———
中國石油大學（北京）聯合國家自然科學基金委中國21世紀議程管理中心、國際二氧化碳捕集利用封存技術創新合作組織（籌）、聯合國教科文組織“碳中和與氣候變化驅動綠色轉型”教席、中國巖石力學與工程學會以及中關村綠色礦山產業聯盟，定于2025年5月28-29日在北京市召開“2025第三屆二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）國際會議”。大會聯合Applied Energy＼Engineering等頂級期刊聯合征稿！論文摘要截止時間：2025年4月18日；論文全文截止時間：2025年7月20日;
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