世界能源转换经历了木柴向煤炭——煤炭向油气——油气向新能源转换（图1），油气目前在我国能源结构中举足轻重。2017年，中国地质调查局在贵州六盘水地区实施的杨煤参1井获得高产稳产工业气流，最高日产气量达5011立方米，稳定日产气量4000立方米以上，实现了我国煤系气综合调查的重大突破。初步估算，杨煤参1井所在的杨梅树向斜煤系气地质资源量366亿立方米，比单纯评价的煤层气资源量提高了6倍。
图1 全球三次能源转换（邹才能）
什么是煤系气？为什么同一地区的煤系气资源量会比煤层气资源量高出数倍之多？一、煤系气与煤层气区别煤系气是指赋存在煤系地层中，由煤系生烃母质在地质演化过程中生成的以甲烷为主要成分的全部天然气，包括煤层气、致密砂岩气、致密碳酸盐气、煤系页岩气和煤型气源的天然气水合物等。通常将煤层气、致密砂岩气和煤系页岩气称为“煤系三气”或“煤系非常规天然气”，成因上具有“同源共生”的特点。煤系主要形成于陆相或海陆交互相沉积环境中，赋存在不同构造性质的残留盆地中。煤系沉积具有显著的旋回性沉积特征，岩层一般相对较薄，砂岩、泥页岩、煤层等互层频繁，几何形态表现为泥包砂、泥包煤，泥岩层、煤层广布，单个砂体镶嵌在煤系中与泥岩、煤层以沉积相变形式产出的三维空间展布格局。独特的构造—沉积背景使得煤系成为煤层气、页岩气、砂岩气能够共生成藏的唯一沉积层系。煤系烃源岩类型多样，如煤层、碳质泥岩、暗色泥岩、油页岩等，累计厚度占比大，有机质含量较高，生气能力强，气源充足，为煤系气成藏提供了良好的物质基础。煤系储层类型多样，从无机储层（如砂岩、石灰岩等）、混合储层（泥页岩）到有机储层（煤层和油页岩），有机质丰度逐渐增高，形成了一个不存在自然界限的储层岩性序列。煤系气赋存状态多样，既有以吸附态为主的煤层气，又有以游离态为主的致密砂岩气，还有吸附态与游离态并存的煤系页岩气。煤系中不同物性的岩层频繁互层，使生储盖组合关系多变，同一岩层（如煤层或泥页岩层）可兼具源岩、储层和盖层的功能，导致煤系气藏类型多样。“煤系三气”共生成藏的特点，既与单纯的煤层气、致密砂岩气、页岩气生储盖特点不同，更与常规天然气存在较大差异。煤系中的煤层气、煤系页岩气和致密砂岩气既相互独立又具有不同程度的成因联系与耦合关系，如果地质条件配置有利，可以形成具有工业开发价值的独立天然气藏或多类型天然气资源组合气藏。煤系气是我国非常规天然气的重要组成部分，有30%以上的非常规天然气赋存在煤系中或与煤系相关，足见其分量之重。我国是煤炭大国，聚煤时期跨度长、聚煤盆地面积大、煤系层数多且分布范围广，多数煤系不仅赋存有大量的煤炭资源，还共伴生有丰富的煤系气资源。我国煤系气资源分布不均，资源量较大的盆地主要有沁水、鄂尔多斯、准噶尔、海拉尔等盆地，资源量较大的地区主要有晋、陕、蒙、新、黔、川等。据估算，我国2000米以浅的煤系气资源总量约为82万亿立方米。煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。俗称“瓦斯”，热值是通用煤的2-5倍，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益，为国家战略资源。对比深、浅部煤层成藏条件：深部煤层气总体具有煤层厚度大、热演化程度高、含气饱和度高、游离气丰富、水动力条件弱、割理裂隙发育、煤体结构完整、储层压力大等有利成藏条件（图2）。
什么是煤系气？为什么同一地区的煤系气资源量会比煤层气资源量高出数倍之多？
一、煤系气与煤层气区别
煤系气是指赋存在煤系地层中，由煤系生烃母质在地质演化过程中生成的以甲烷为主要成分的全部天然气，包括煤层气、致密砂岩气、致密碳酸盐气、煤系页岩气和煤型气源的天然气水合物等。通常将煤层气、致密砂岩气和煤系页岩气称为“煤系三气”或“煤系非常规天然气”，成因上具有“同源共生”的特点。
煤系主要形成于陆相或海陆交互相沉积环境中，赋存在不同构造性质的残留盆地中。煤系沉积具有显著的旋回性沉积特征，岩层一般相对较薄，砂岩、泥页岩、煤层等互层频繁，几何形态表现为泥包砂、泥包煤，泥岩层、煤层广布，单个砂体镶嵌在煤系中与泥岩、煤层以沉积相变形式产出的三维空间展布格局。独特的构造—沉积背景使得煤系成为煤层气、页岩气、砂岩气能够共生成藏的唯一沉积层系。
煤系烃源岩类型多样，如煤层、碳质泥岩、暗色泥岩、油页岩等，累计厚度占比大，有机质含量较高，生气能力强，气源充足，为煤系气成藏提供了良好的物质基础。煤系储层类型多样，从无机储层（如砂岩、石灰岩等）、混合储层（泥页岩）到有机储层（煤层和油页岩），有机质丰度逐渐增高，形成了一个不存在自然界限的储层岩性序列。煤系气赋存状态多样，既有以吸附态为主的煤层气，又有以游离态为主的致密砂岩气，还有吸附态与游离态并存的煤系页岩气。
煤系中不同物性的岩层频繁互层，使生储盖组合关系多变，同一岩层（如煤层或泥页岩层）可兼具源岩、储层和盖层的功能，导致煤系气藏类型多样。“煤系三气”共生成藏的特点，既与单纯的煤层气、致密砂岩气、页岩气生储盖特点不同，更与常规天然气存在较大差异。煤系中的煤层气、煤系页岩气和致密砂岩气既相互独立又具有不同程度的成因联系与耦合关系，如果地质条件配置有利，可以形成具有工业开发价值的独立天然气藏或多类型天然气资源组合气藏。
煤系气是我国非常规天然气的重要组成部分，有30%以上的非常规天然气赋存在煤系中或与煤系相关，足见其分量之重。我国是煤炭大国，聚煤时期跨度长、聚煤盆地面积大、煤系层数多且分布范围广，多数煤系不仅赋存有大量的煤炭资源，还共伴生有丰富的煤系气资源。我国煤系气资源分布不均，资源量较大的盆地主要有沁水、鄂尔多斯、准噶尔、海拉尔等盆地，资源量较大的地区主要有晋、陕、蒙、新、黔、川等。据估算，我国2000米以浅的煤系气资源总量约为82万亿立方米。
煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。俗称“瓦斯”，热值是通用煤的2-5倍，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益，为国家战略资源。对比深、浅部煤层成藏条件：深部煤层气总体具有煤层厚度大、热演化程度高、含气饱和度高、游离气丰富、水动力条件弱、割理裂隙发育、煤体结构完整、储层压力大等有利成藏条件（图2）。
图2 深部煤层气成藏条件特征（徐凤银）
煤层气可以用作民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料，用途非常广泛。每标准立方煤层气大约相当于9.5度电、3 m3水煤气、1L柴油、接近0.8kg液化石油气、1.1-1.2L汽油，另外,煤层气燃烧后几乎没有污染物，因此它是相当便宜的清洁型能源。在一定的空间范围内，煤层气比空气轻，其密度是空气的0.55倍，稍有泄漏会向上扩散，只要保持室内空气流通，即可避免爆炸和火灾。而煤气、液化石油气密度是空气的1.5—2.0倍，泄漏后会向下沉积，所以危险性要比煤层气要大的多。煤层气爆炸范围为5—15%，水煤气爆炸范围6.2—74.4%，因此，煤层气相对于水煤气不易爆炸，煤层气不含CO，在使用过程中不会象水煤气那样发生中毒现象。综上可以看出，对正在开采的煤层进行煤层气采收，而对于深部煤系地层则主要是采收煤系气。
煤层气可以用作民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料，用途非常广泛。每标准立方煤层气大约相当于9.5度电、3 m3水煤气、1L柴油、接近0.8kg液化石油气、1.1-1.2L汽油，另外,煤层气燃烧后几乎没有污染物，因此它是相当便宜的清洁型能源。在一定的空间范围内，煤层气比空气轻，其密度是空气的0.55倍，稍有泄漏会向上扩散，只要保持室内空气流通，即可避免爆炸和火灾。而煤气、液化石油气密度是空气的1.5—2.0倍，泄漏后会向下沉积，所以危险性要比煤层气要大的多。煤层气爆炸范围为5—15%，水煤气爆炸范围6.2—74.4%，因此，煤层气相对于水煤气不易爆炸，煤层气不含CO，在使用过程中不会象水煤气那样发生中毒现象。
综上可以看出，对正在开采的煤层进行煤层气采收，而对于深部煤系地层则主要是采收煤系气。
表1 煤层气、常规天然气和页岩气对比表
通过对比煤层气、常规天然气和页岩气，可以看出对煤层气，乃至深部煤系气（1500m左右）其开采意义和经济价值都很可观。二、全球主要煤系气形成与分布2.1 全球典型盆地煤系气形成与分布2.1.1 美国圣胡安盆地圣胡安盆地位于美国西部落基山地区的科罗拉多州西南部和新墨西哥州西北部、科罗拉多平原东部,面积为7×104km2,为一个近似圆碗状的洼地,估算煤炭资源量为3 248×108t,煤层气地质资源量为2.38×1012m3,煤层气可采资源量为0.29×1012m3。形成于中生代拉腊米造山运动, 是落基山脉的一个前陆盆地。圣胡安盆地为一不对称向斜,向斜轴位于中北部,呈北西—南东向。北部边缘地层陡倾,向中部和南部地层趋于平缓。沉积于晚白垩世和古新世的含煤地层,其中上白垩统Fruitland组是最重要的含煤地层。Fruitland组煤层总厚度一般为21.3m,煤级为高挥发分烟煤到低挥发分烟煤,埋深为84-1 050m, 煤层含气量为0.11-16.98m3/t,一般为13.44 m3/t。中北部煤层总厚度最大,大于12m,煤层层数多,单层厚度也最大。地下水从北部煤层露头接受补给,并顺煤层向深部流动,同时地下水携带煤层气在构造枢纽线（非流边界）附近聚集,形成了中北部的超压储集层。在梅里迪恩400区,单井产气量平均为8500-85000m3/d,产水量约48m3/d,是圣胡安盆地产能最高的地区。Blanco Mesaverde气田位于圣胡安盆地的中心和最深的部位,面积为3467km2。天然气主要产出于海进的Point Lookout组和海退的Cliff House组砂岩,少量的天然气分布于Menefee组中的河道砂岩中。气源岩为Menefee组的河流和沼泽环境中形成的炭质页岩和煤,有机质类型为Ⅲ 型腐殖型干酪根, 天然气是在成熟和过成熟期形成。生烃量最大值发生在渐新统埋深最大时期,天然气被源自盆地边缘的水动力和非储集岩中出现的膨胀黏土所阻碍,就近成藏。2.1.2 澳大利亚苏拉特盆地苏拉特盆地是澳大利亚早侏罗世—白垩纪的克拉通盆地,北起昆士兰州中部,向南一直延伸到新南威尔士州北部,最大沉积厚度约2500m,面积约30×104km2。中侏罗统Walloon亚群为能量较低的曲流河及曲流河三角洲-湖泊沉积体系,煤岩主要发育在曲流河的河漫滩及曲流河三角洲平原的沼泽环境,发育了10个煤层组,煤层单层厚度较薄,大部分为0.1-0.5m,并与薄的炭质泥岩互层发育,煤层累计厚度为20-40 m。盆地东北边缘地层平缓,大断层不发育,构造转换带上局部发育鼻状隆起和小型调节断层,改善了煤储集层的渗透性。区域水文地质条件与煤岩演化程度决定了煤层气成因类型以次生生物成因气为主,热成因气为辅。经过近10年的勘探开发实践,已识别出北部Mimosa向斜区、东北部Undulla鼻隆区和东部Chinchilla— Geoondiwindi斜坡区3个煤层气富集高产的甜点区,面积接近5000km2。3个构造分区不同煤组成藏类型存在差异,北部Mimosa向斜区为断层-水动力封堵型,东北部Undulla鼻隆区及东部斜坡区局部为背斜-水动力封堵气藏。苏拉特盆地煤系气的开发成功与薄煤层、碎屑岩频繁互层及其衍生的有利开发地质条件密切相关。2.1.3 俄罗斯西西伯利亚盆地西西伯利亚盆地面积约250×104km2,基底为海西期褶皱, 在盆地北部天然气发育区,一般埋深8km,最深为12km。盆地经历了裂谷期（上古生界—早三叠世）和拗陷期（晚三叠世—第四纪）两个发育阶段,其中拗陷期是煤系主要发育期,自下而上发育有中上三叠统—下侏罗统切利亚宾组、中下侏罗统秋明组、白垩系波库尔组3套主要含煤地层,是世界特大的含煤盆地之一。多旋回的含煤沉积、丰富的煤炭资源为大量煤系气的形成奠定了良好的物质基础,其中波库尔组是盆地白垩系天然气的主要气源岩,为一套含煤和亚含煤地层, 泥岩TOC平均值为1.31%, 高者可达6%,平面上高TOC值泥岩层主要分布在盆地中、北部,TOC值达1.5%-2.0%,对主力气层上白垩统赛诺曼阶天然气的平面分布有重要的控制作用。赛诺曼阶气层探明可采储量占全盆地的70%,绝大部分集中在甲烷丰度大于30×108m3/km2的地区,乌连戈伊气田是位于甲烷丰度最大、含腐殖型有机物地层最厚的地带。此外,基底隆起长垣圈闭、储集层厚度及物性、厚层的泥质岩盖层等均对煤系气富集创造了有利条件。西西伯利亚盆地煤系气是俄罗斯天然气工业的主体,拥有世界上产量最多和最高产的超大型气田, 已发现10个原始可采储量在1×1012m3以上的超特大型气田,2011年盆地天然气储量和产量分别占到俄罗斯全部的72%和84%。2.1.4 中国鄂尔多斯盆地中国鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系为一套海陆过渡相的含煤碎屑岩沉积地层,天然气资源丰富,迄今为止,已发现苏里格、榆林、大牛地、乌审旗、子洲、延安等6个探明地质储量超过1000×108m3的煤系致密砂岩大气田。苏里格地区位于鄂尔多斯盆地西北部, 勘探面积为4× 104km2, 石炭系— 二叠系发育多套含气层系,主力含气层为二叠系下石盒子组盒8段和山西组山1段,具有勘探面积大、含气层系多、致密低压低丰度等典型特征,勘探开发潜力大,2017年探明地质储量为1.65×1012m3,为中国目前最大气田。本溪组、太原组到山西组煤层累计厚为6-15m,TOC值一般高于70%,暗色泥岩广泛分布, 厚度达30-50 m,TOC值为2%-3%。致密砂岩储集层平面上连片分布,展布范围广,纵向上多层位砂体叠置,累计厚度为30-100m,南北向延伸距离长,达150-200km。地层展布平缓,圈闭界限模糊,气水关系复杂,具有持续充注、动态成藏特征。2.2 全球煤系气主要地质特点与聚集模式2.2.1 煤系气成因机制煤系成烃以气为主以油为辅（Ro=0.5%-1.5%）,有3个方面的证据：①煤以腐殖煤为主,其原始物质组分中H/C值低的木质素和纤维素含量超过60%;②腐殖型有机质的化学结构组成中以甲基和缩合芳环为主,利于生气;③煤以及煤系泥岩成烃模拟实验中,以生气为主。天然气乙烷碳同位素组成具有较强的母质继承性,是区别煤系气和油型气最常用的有效指标。不同学者经过大量的数据统计发现,煤系气乙烷碳同位素组成一般重于-28‰。中国鄂尔多斯盆地苏里格、四川盆地合川以及塔里木盆地克拉2气田的天然气乙烷碳同位素组成明显重于-28‰ ,为典型的煤系气。德国西北盆地、澳大利亚东南库珀盆地、吉普斯兰盆地天然气乙烷碳同位素组成也重于-28‰ ,表明这些天然气也为煤系烃源岩所生成。俄罗斯乌连戈伊超大气田的天然气为波库尔组煤系在低演化阶段的产物,依据天然气母质类型来划分, 该气田的天然气也是煤系气。2.2.2 源外煤系气成藏与聚集模式根据天然气成藏机制的差异,将煤系气藏划分为两类,即中低丰度的大面积近源“连续型”致密气和高丰度的局部远源“圈闭型” 气藏。①“连续型”致密气通常位于构造较为稳定的低部位, 沉积分异较弱,生气强度相对较低,致密储集层大面积连续分布, 通常近源聚集,圈闭界限模糊不清,往往无统一气水界面或气水倒置, 储量规模大,储量丰度低,单井产量低。深入研究鄂尔多斯盆地石炭系— 二叠系、四川盆地三叠系等致密砂岩气田群,发现煤系烃源岩与致密砂岩呈“三明治”结构, 煤系源岩呈层状蒸发式排烃、多物源三角洲砂体广覆式分布、源储紧密接触规模成藏,具有大面积连续分布的标志性特征;评价鄂尔多斯盆地苏里格地区上古生界和四川盆地中部三叠系须家河组含气面积分别为4×104km2和6800 km2,广泛分布的纳米级孔喉网络系统是其主控因素,孔喉半径主要为20-500nm,起着沟通作用;率先在中国系统揭示并论证了陆相含煤地层致密砂岩气“连续型”聚集规律,并针对性研发了致密砂岩气地质评价方法。②“圈闭型”气藏往往聚集在构造活跃区高部位的有利圈闭,生气强度较大,气水关系正常,上气下水,储量丰度高,单井产量高,如库车坳陷、川西坳陷、莺歌海盆地等地区的煤系气田。以中国塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带为例,“圈闭型”气藏一般具备4项成藏条件：①白垩系砂岩储集层位于三叠系—侏罗系煤系气源岩生气中心区,生气强度超过100×108m3/km2;②盐下深部白垩系巴什基奇克组辫状三角洲砂岩储集层大面积连片分布;③稳定分布的膏盐岩盖层有利于油气的聚集和保存;④喜马拉雅晚期天然气高效充注成藏。生气强度是评价预测煤系大气田的核心指标。通过解剖全国含煤盆地重点层系,研究确定煤系大气田聚集的7个主控因素,包括生气强度、晚期成藏、孔隙型储集体、生气区的古隆起圈闭、煤系中或其上下圈闭、低气势区、异常压力封存。其中生气强度是烃源岩厚度、有机质丰度、有机质类型及成熟度的综合体现,生气强度高值区既可以获得高丰度气源,又可避免长距离运移散失,生气强度大于10×108m3/km2是形成煤系大气田的基本条件,生气强度大于20×108m3/km2的区域是发现中国煤系大气田的“甜点区”。运用该认识评价和勘探中国煤系大气田,取得了良好效果：①在鄂尔多斯盆地发现苏里格、靖边、大牛地等12个煤系气田,成为全国天然气储量、年产量第1位的大气区,其中苏里格气田也是全国储量最大、年产量最大的气田,截至2017年底累计探明地质储量为1.65×1012m3, 2017年产量为212.5×108m3,为陕京4条输气管线提供了天然气资源保证;②在库车坳陷发现克拉2、克深、大北等14个煤系气田,其中克拉2是全国储量丰度最高（59.05×108m3/km2）、单井产量最高（克拉2-7累计产量超过125×108m3）的煤系气田,克深气田是全国第1个目的层埋深大于6000m的超深层煤系气田,这些大气田提供了塔里木气区90%以上的气源,产生了巨大的社会和经济效益。2.2.3 源内煤层气成藏与聚集模式中高阶含煤盆地具有向斜富集煤层气的特征,如美国圣胡安、中国沁水盆地,煤层含气量从盆地边缘向盆地中心增加。煤层气向斜富气是构造演化、水动力条件以及封闭条件综合作用的结果。一个区域在向斜构造背景下,往向斜轴部方向,由于大气渗入水沿着边缘露头向轴部低水势方向汇聚,形成向斜汇水区,矿化度增高,可形成侧向水力封堵,形成良好的保存环境,有利于煤层气富集。多气源补给配合良好的封盖条件,是低煤阶煤层气富集成藏的关键。低煤阶煤层热演化程度低,热成因生气量不足,需要多种气源的补充,特别是生物气的补充。国外典型低煤阶煤层气盆地如粉河盆地、苏拉特盆地煤层气成因均以生物成因气为主,中国二连盆地煤层气甲烷碳同位素值一般为-60.3‰--65.3‰ ,表现为生物气,晚期地表水大量渗入煤层使得煤层水化学条件具备生物气生成条件,一般煤层水体现为较低矿化度、低硫酸盐、pH值中性或弱碱性,同时地表水的渗入也带来了煤岩降解菌群,利于生物气的生成,配合良好的封盖条件,形成低煤阶煤层气富集区。另外,在美国尤因塔盆地存在原生热成因气、次生热成因气和生物气等多种气源的补充,中国准噶尔盆地南缘、准噶尔盆地东部白家海地区断层附近圈闭中煤层气同位素组成特征显示存在成熟腐泥型气的补充,表明附近和深部热成因气沿断层运移到煤层富集成藏。三、全球煤系气发展前景展望3.1 全球煤系气资源潜力3.1.1 源外煤系气资源美国、俄罗斯和加拿大等国家没有单独就“煤系气”进行资源评价,但是落基山前陆盆地群中致密砂岩气以及西西伯利亚盆地中的大部分天然气均为煤系气。据第4次资源评价,中国煤系气资源量为29.82×1012m3,中国陆上致密砂岩大气田天然气主要为煤系气。预测致密砂岩气地质资源量（17.0-23.9）×1012m3,可采资源量为（8.1-11.4）×1012m3,主要分布在鄂尔多斯、四川和塔里木等盆地, 占总可采资源量的81%。3.1.2 源内煤层气资源全球煤层气资源量超过270×1012m3,主要分布在下列12个国家中（俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚、德国、波兰、英国、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、南非）。煤炭资源大国同时也是煤层气资源大国。俄罗斯煤炭资源量为6.5×1012t,煤层气资源量为（17-113）×1012m3,居世界第1位。根据最新预测结果,中国煤层气资源量为30.05×1012m3,超过美国,居世界第3位,其中技术可采资源量为12.5×1012m3。俄罗斯、加拿大、中国、美国这前4个国家的煤层气资源量共计为240×1012m3,约占全世界煤层气资源总量的89%。3.2 全球煤系气发展前景展望全球煤炭资源丰富,煤系气资源量巨大。随着认识程度和勘探开发技术的进步,煤系常规气、煤系致密砂岩气和煤层气资源潜力仍有很大提升空间,开发利用的前景十分广阔,在未来油气工业发展中将会占据重要地位。大力勘探开发煤系气资源,对于保障世界能源供应, 减轻大气污染,提升生活质量具有重要的现实意义。当前北美地区非常规油气大突破,产量快速上升,特别是页岩气革命改变全球天然气生产格局,自2009年以来美国天然气产量大幅度超越俄罗斯,页岩气产量的大幅提升起到决定性作用。而随着投资目标转移和页岩气勘探开发大突破,北美地区煤层气产业投资及工作量锐减,煤层气产量达到1997年以来新低。北美（美国、加拿大）前期投产的煤层气井逐渐进入递减期,预计至2030年,煤层气业务将进一步萎缩,产量逐年降低;而澳大利亚大规模发展LNG,主要来源于煤层气,预计至2030年煤层气产量稳中有升。随着中国经济发展进入新阶段,建设“美丽中国”,保护生态环境,需要不断加大清洁能源供应,天然气在一次能源结构中占比将大幅提升,将由2018年的7.6%增至2030年的15%,有力保障国家碳排放目标的实现,实现油气工业向绿色发展转变,社会向低碳转型。2018年中国天然气产量为1580×108m3,天然气消费量为2766×108m3,在现有理论与技术惯性发展趋势下,预测到2030年, 中国天然气产量约为2000×108m3,而天然气需求量将大于6000×108m3,中国天然气产量远不能满足消费需求,缺口不断扩大,加大煤系天然气的开发力度,提高天然气保供能力,常规煤系气、煤系致密气和煤层气将是天然气储产量增长的主体,仍将发挥不可替代的作用。①常规煤系气是煤系天然气储产量增长的主体,预计2030年产量为（500-550）×108m3,库车坳陷白垩系、准噶尔盆地南缘中生界—古近系、松辽盆地上侏罗统—上白垩统、莺—琼盆地新生界、珠江口盆地新生界、东海盆地新生界等是增储上产的重要领域。②与美国相比,中国煤系致密气具有储集层致密、非均质性强、气水分异难度大、甜点识别难度大等特点,而且部分致密气为低压系统（压力系数为0.7-0.9,美国一般为1.1-1.4）,相同地质与技术条件下采收率比美国低20%以上,提高采收率难度更大,致密气有效动用是一个复杂的系统工程。致密气是极具发展潜力的现实资源,当前中国致密气的发展,要在苏里格等局部地区成功开发的基础上,集中解决复杂类型致密气甜点预测、井网部署及水平井轨迹优化、渗流规律及产能评价研发、储集层有效改造、采收率综合提高等瓶颈问题,勘探向新领域新盆地拓展, 开发向难动用储量和提高采收率发力,工程向多层采气、多井提产倾斜, 整体推动中国致密气规模化发展。预计未来10年中国煤系致密气储产量将稳步增长,预计2030年探明储量有望达5.0×1012m3, 可实现产量为（400-450）×108m3,其中鄂尔多斯盆地伊陕斜坡上古生界、四川盆地上三叠统须家河组等将是储产量增长的重点领域。③与美国比较,中国煤层气产业发展整体时间落后20多年,在煤层气田勘探开发、作业管理等方面仍然处于起步阶段,煤层气勘探开发潜力仍然巨大,需要转变常规理念、利用非常规思维实现煤层气高效勘探开发利用的技术革命。当前中国煤层气产业发展仍将是稳定沁水盆地、鄂尔多斯盆地东部老区中高煤阶煤层气开发,同时积极向中低煤阶、深层、煤系气（煤层气、煤系砂岩气、煤系泥页岩气合采）综合开发拓展和延伸。而伴随着煤层气向新区、新层系、新领域逐渐发展,也对煤层气勘探开发关键技术与装备创新提出新需求,特别是低煤阶复杂构造区甜点预测技术、深层多气共采技术、自动化压裂改造技术及智能化排采技术的突破,将为中国煤层气产业持续快速发展提供重要保障。预计未来10年全国煤层气将快速增长,预计2030年探明储量有望达1.2×1012m3,产量有望达（150-200）×108m3。此外,煤炭地下气化可能实现产业发展。四、结语煤系天然气是煤系中煤、炭质泥页岩和暗色泥页岩生成的天然气, 包括源内连续型煤层气、页岩气和源外连续型致密气、圈闭型煤系气等资源类型, 是天然气工业中极其重要的组成部分。“连续型”和“圈闭型”是煤系气的两种主要成藏模式,提出生气强度大于10×108m3/km2的区域是煤系大气田形成的基本条件,揭示中高阶煤层气向斜富集、低阶煤层气源盖配置的成藏规律。预测全球煤系气剩余资源潜力巨大。源外煤系气主要分布在中亚—俄罗斯、美国、加拿大等国家或地区,源内煤层气集中分布在12个主要国家。预测中国2030年煤系天然气产量有望超过1000×108m3, 技术进步、政策变化、市场需求等不同情景将影响产量变化。
通过对比煤层气、常规天然气和页岩气，可以看出对煤层气，乃至深部煤系气（1500m左右）其开采意义和经济价值都很可观。
二、全球主要煤系气形成与分布
2.1 全球典型盆地煤系气形成与分布
2.1.1 美国圣胡安盆地
圣胡安盆地位于美国西部落基山地区的科罗拉多州西南部和新墨西哥州西北部、科罗拉多平原东部,面积为7×104km2,为一个近似圆碗状的洼地,估算煤炭资源量为3 248×108t,煤层气地质资源量为2.38×1012m3,煤层气可采资源量为0.29×1012m3。形成于中生代拉腊米造山运动, 是落基山脉的一个前陆盆地。圣胡安盆地为一不对称向斜,向斜轴位于中北部,呈北西—南东向。北部边缘地层陡倾,向中部和南部地层趋于平缓。沉积于晚白垩世和古新世的含煤地层,其中上白垩统Fruitland组是最重要的含煤地层。Fruitland组煤层总厚度一般为21.3m,煤级为高挥发分烟煤到低挥发分烟煤,埋深为84-1 050m, 煤层含气量为0.11-16.98m3/t,一般为13.44 m3/t。中北部煤层总厚度最大,大于12m,煤层层数多,单层厚度也最大。地下水从北部煤层露头接受补给,并顺煤层向深部流动,同时地下水携带煤层气在构造枢纽线（非流边界）附近聚集,形成了中北部的超压储集层。在梅里迪恩400区,单井产气量平均为8500-85000m3/d,产水量约48m3/d,是圣胡安盆地产能最高的地区。Blanco Mesaverde气田位于圣胡安盆地的中心和最深的部位,面积为3467km2。天然气主要产出于海进的Point Lookout组和海退的Cliff House组砂岩,少量的天然气分布于Menefee组中的河道砂岩中。气源岩为Menefee组的河流和沼泽环境中形成的炭质页岩和煤,有机质类型为Ⅲ 型腐殖型干酪根, 天然气是在成熟和过成熟期形成。生烃量最大值发生在渐新统埋深最大时期,天然气被源自盆地边缘的水动力和非储集岩中出现的膨胀黏土所阻碍,就近成藏。
2.1.2 澳大利亚苏拉特盆地
苏拉特盆地是澳大利亚早侏罗世—白垩纪的克拉通盆地,北起昆士兰州中部,向南一直延伸到新南威尔士州北部,最大沉积厚度约2500m,面积约30×104km2。中侏罗统Walloon亚群为能量较低的曲流河及曲流河三角洲-湖泊沉积体系,煤岩主要发育在曲流河的河漫滩及曲流河三角洲平原的沼泽环境,发育了10个煤层组,煤层单层厚度较薄,大部分为0.1-0.5m,并与薄的炭质泥岩互层发育,煤层累计厚度为20-40 m。盆地东北边缘地层平缓,大断层不发育,构造转换带上局部发育鼻状隆起和小型调节断层,改善了煤储集层的渗透性。区域水文地质条件与煤岩演化程度决定了煤层气成因类型以次生生物成因气为主,热成因气为辅。经过近10年的勘探开发实践,已识别出北部Mimosa向斜区、东北部Undulla鼻隆区和东部Chinchilla— Geoondiwindi斜坡区3个煤层气富集高产的甜点区,面积接近5000km2。3个构造分区不同煤组成藏类型存在差异,北部Mimosa向斜区为断层-水动力封堵型,东北部Undulla鼻隆区及东部斜坡区局部为背斜-水动力封堵气藏。苏拉特盆地煤系气的开发成功与薄煤层、碎屑岩频繁互层及其衍生的有利开发地质条件密切相关。
2.1.3 俄罗斯西西伯利亚盆地
西西伯利亚盆地面积约250×104km2,基底为海西期褶皱, 在盆地北部天然气发育区,一般埋深8km,最深为12km。盆地经历了裂谷期（上古生界—早三叠世）和拗陷期（晚三叠世—第四纪）两个发育阶段,其中拗陷期是煤系主要发育期,自下而上发育有中上三叠统—下侏罗统切利亚宾组、中下侏罗统秋明组、白垩系波库尔组3套主要含煤地层,是世界特大的含煤盆地之一。多旋回的含煤沉积、丰富的煤炭资源为大量煤系气的形成奠定了良好的物质基础,其中波库尔组是盆地白垩系天然气的主要气源岩,为一套含煤和亚含煤地层, 泥岩TOC平均值为1.31%, 高者可达6%,平面上高TOC值泥岩层主要分布在盆地中、北部,TOC值达1.5%-2.0%,对主力气层上白垩统赛诺曼阶天然气的平面分布有重要的控制作用。赛诺曼阶气层探明可采储量占全盆地的70%,绝大部分集中在甲烷丰度大于30×108m3/km2的地区,乌连戈伊气田是位于甲烷丰度最大、含腐殖型有机物地层最厚的地带。此外,基底隆起长垣圈闭、储集层厚度及物性、厚层的泥质岩盖层等均对煤系气富集创造了有利条件。西西伯利亚盆地煤系气是俄罗斯天然气工业的主体,拥有世界上产量最多和最高产的超大型气田, 已发现10个原始可采储量在1×1012m3以上的超特大型气田,2011年盆地天然气储量和产量分别占到俄罗斯全部的72%和84%。
2.1.4 中国鄂尔多斯盆地
中国鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系为一套海陆过渡相的含煤碎屑岩沉积地层,天然气资源丰富,迄今为止,已发现苏里格、榆林、大牛地、乌审旗、子洲、延安等6个探明地质储量超过1000×108m3的煤系致密砂岩大气田。苏里格地区位于鄂尔多斯盆地西北部, 勘探面积为4× 104km2, 石炭系— 二叠系发育多套含气层系,主力含气层为二叠系下石盒子组盒8段和山西组山1段,具有勘探面积大、含气层系多、致密低压低丰度等典型特征,勘探开发潜力大,2017年探明地质储量为1.65×1012m3,为中国目前最大气田。本溪组、太原组到山西组煤层累计厚为6-15m,TOC值一般高于70%,暗色泥岩广泛分布, 厚度达30-50 m,TOC值为2%-3%。致密砂岩储集层平面上连片分布,展布范围广,纵向上多层位砂体叠置,累计厚度为30-100m,南北向延伸距离长,达150-200km。地层展布平缓,圈闭界限模糊,气水关系复杂,具有持续充注、动态成藏特征。
2.2 全球煤系气主要地质特点与聚集模式
2.2.1 煤系气成因机制
煤系成烃以气为主以油为辅（Ro=0.5%-1.5%）,有3个方面的证据：①煤以腐殖煤为主,其原始物质组分中H/C值低的木质素和纤维素含量超过60%;②腐殖型有机质的化学结构组成中以甲基和缩合芳环为主,利于生气;③煤以及煤系泥岩成烃模拟实验中,以生气为主。天然气乙烷碳同位素组成具有较强的母质继承性,是区别煤系气和油型气最常用的有效指标。不同学者经过大量的数据统计发现,煤系气乙烷碳同位素组成一般重于-28‰。中国鄂尔多斯盆地苏里格、四川盆地合川以及塔里木盆地克拉2气田的天然气乙烷碳同位素组成明显重于-28‰ ,为典型的煤系气。德国西北盆地、澳大利亚东南库珀盆地、吉普斯兰盆地天然气乙烷碳同位素组成也重于-28‰ ,表明这些天然气也为煤系烃源岩所生成。俄罗斯乌连戈伊超大气田的天然气为波库尔组煤系在低演化阶段的产物,依据天然气母质类型来划分, 该气田的天然气也是煤系气。
2.2.2 源外煤系气成藏与聚集模式
根据天然气成藏机制的差异,将煤系气藏划分为两类,即中低丰度的大面积近源“连续型”致密气和高丰度的局部远源“圈闭型” 气藏。①“连续型”致密气通常位于构造较为稳定的低部位, 沉积分异较弱,生气强度相对较低,致密储集层大面积连续分布, 通常近源聚集,圈闭界限模糊不清,往往无统一气水界面或气水倒置, 储量规模大,储量丰度低,单井产量低。深入研究鄂尔多斯盆地石炭系— 二叠系、四川盆地三叠系等致密砂岩气田群,发现煤系烃源岩与致密砂岩呈“三明治”结构, 煤系源岩呈层状蒸发式排烃、多物源三角洲砂体广覆式分布、源储紧密接触规模成藏,具有大面积连续分布的标志性特征;评价鄂尔多斯盆地苏里格地区上古生界和四川盆地中部三叠系须家河组含气面积分别为4×104km2和6800 km2,广泛分布的纳米级孔喉网络系统是其主控因素,孔喉半径主要为20-500nm,起着沟通作用;率先在中国系统揭示并论证了陆相含煤地层致密砂岩气“连续型”聚集规律,并针对性研发了致密砂岩气地质评价方法。②“圈闭型”气藏往往聚集在构造活跃区高部位的有利圈闭,生气强度较大,气水关系正常,上气下水,储量丰度高,单井产量高,如库车坳陷、川西坳陷、莺歌海盆地等地区的煤系气田。以中国塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带为例,“圈闭型”气藏一般具备4项成藏条件：①白垩系砂岩储集层位于三叠系—侏罗系煤系气源岩生气中心区,生气强度超过100×108m3/km2;②盐下深部白垩系巴什基奇克组辫状三角洲砂岩储集层大面积连片分布;③稳定分布的膏盐岩盖层有利于油气的聚集和保存;④喜马拉雅晚期天然气高效充注成藏。
生气强度是评价预测煤系大气田的核心指标。通过解剖全国含煤盆地重点层系,研究确定煤系大气田聚集的7个主控因素,包括生气强度、晚期成藏、孔隙型储集体、生气区的古隆起圈闭、煤系中或其上下圈闭、低气势区、异常压力封存。其中生气强度是烃源岩厚度、有机质丰度、有机质类型及成熟度的综合体现,生气强度高值区既可以获得高丰度气源,又可避免长距离运移散失,生气强度大于10×108m3/km2是形成煤系大气田的基本条件,生气强度大于20×108m3/km2的区域是发现中国煤系大气田的“甜点区”。运用该认识评价和勘探中国煤系大气田,取得了良好效果：①在鄂尔多斯盆地发现苏里格、靖边、大牛地等12个煤系气田,成为全国天然气储量、年产量第1位的大气区,其中苏里格气田也是全国储量最大、年产量最大的气田,截至2017年底累计探明地质储量为1.65×1012m3, 2017年产量为212.5×108m3,为陕京4条输气管线提供了天然气资源保证;②在库车坳陷发现克拉2、克深、大北等14个煤系气田,其中克拉2是全国储量丰度最高（59.05×108m3/km2）、单井产量最高（克拉2-7累计产量超过125×108m3）的煤系气田,克深气田是全国第1个目的层埋深大于6000m的超深层煤系气田,这些大气田提供了塔里木气区90%以上的气源,产生了巨大的社会和经济效益。
2.2.3 源内煤层气成藏与聚集模式
中高阶含煤盆地具有向斜富集煤层气的特征,如美国圣胡安、中国沁水盆地,煤层含气量从盆地边缘向盆地中心增加。煤层气向斜富气是构造演化、水动力条件以及封闭条件综合作用的结果。一个区域在向斜构造背景下,往向斜轴部方向,由于大气渗入水沿着边缘露头向轴部低水势方向汇聚,形成向斜汇水区,矿化度增高,可形成侧向水力封堵,形成良好的保存环境,有利于煤层气富集。
多气源补给配合良好的封盖条件,是低煤阶煤层气富集成藏的关键。低煤阶煤层热演化程度低,热成因生气量不足,需要多种气源的补充,特别是生物气的补充。国外典型低煤阶煤层气盆地如粉河盆地、苏拉特盆地煤层气成因均以生物成因气为主,中国二连盆地煤层气甲烷碳同位素值一般为-60.3‰--65.3‰ ,表现为生物气,晚期地表水大量渗入煤层使得煤层水化学条件具备生物气生成条件,一般煤层水体现为较低矿化度、低硫酸盐、pH值中性或弱碱性,同时地表水的渗入也带来了煤岩降解菌群,利于生物气的生成,配合良好的封盖条件,形成低煤阶煤层气富集区。另外,在美国尤因塔盆地存在原生热成因气、次生热成因气和生物气等多种气源的补充,中国准噶尔盆地南缘、准噶尔盆地东部白家海地区断层附近圈闭中煤层气同位素组成特征显示存在成熟腐泥型气的补充,表明附近和深部热成因气沿断层运移到煤层富集成藏。
三、全球煤系气发展前景展望
3.1 全球煤系气资源潜力
3.1.1 源外煤系气资源
美国、俄罗斯和加拿大等国家没有单独就“煤系气”进行资源评价,但是落基山前陆盆地群中致密砂岩气以及西西伯利亚盆地中的大部分天然气均为煤系气。据第4次资源评价,中国煤系气资源量为29.82×1012m3,中国陆上致密砂岩大气田天然气主要为煤系气。预测致密砂岩气地质资源量（17.0-23.9）×1012m3,可采资源量为（8.1-11.4）×1012m3,主要分布在鄂尔多斯、四川和塔里木等盆地, 占总可采资源量的81%。
3.1.2 源内煤层气资源
全球煤层气资源量超过270×1012m3,主要分布在下列12个国家中（俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚、德国、波兰、英国、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、南非）。煤炭资源大国同时也是煤层气资源大国。俄罗斯煤炭资源量为6.5×1012t,煤层气资源量为（17-113）×1012m3,居世界第1位。根据最新预测结果,中国煤层气资源量为30.05×1012m3,超过美国,居世界第3位,其中技术可采资源量为12.5×1012m3。俄罗斯、加拿大、中国、美国这前4个国家的煤层气资源量共计为240×1012m3,约占全世界煤层气资源总量的89%。
3.2 全球煤系气发展前景展望
全球煤炭资源丰富,煤系气资源量巨大。随着认识程度和勘探开发技术的进步,煤系常规气、煤系致密砂岩气和煤层气资源潜力仍有很大提升空间,开发利用的前景十分广阔,在未来油气工业发展中将会占据重要地位。大力勘探开发煤系气资源,对于保障世界能源供应, 减轻大气污染,提升生活质量具有重要的现实意义。
当前北美地区非常规油气大突破,产量快速上升,特别是页岩气革命改变全球天然气生产格局,自2009年以来美国天然气产量大幅度超越俄罗斯,页岩气产量的大幅提升起到决定性作用。而随着投资目标转移和页岩气勘探开发大突破,北美地区煤层气产业投资及工作量锐减,煤层气产量达到1997年以来新低。北美（美国、加拿大）前期投产的煤层气井逐渐进入递减期,预计至2030年,煤层气业务将进一步萎缩,产量逐年降低;而澳大利亚大规模发展LNG,主要来源于煤层气,预计至2030年煤层气产量稳中有升。
随着中国经济发展进入新阶段,建设“美丽中国”,保护生态环境,需要不断加大清洁能源供应,天然气在一次能源结构中占比将大幅提升,将由2018年的7.6%增至2030年的15%,有力保障国家碳排放目标的实现,实现油气工业向绿色发展转变,社会向低碳转型。
2018年中国天然气产量为1580×108m3,天然气消费量为2766×108m3,在现有理论与技术惯性发展趋势下,预测到2030年, 中国天然气产量约为2000×108m3,而天然气需求量将大于6000×108m3,中国天然气产量远不能满足消费需求,缺口不断扩大,加大煤系天然气的开发力度,提高天然气保供能力,常规煤系气、煤系致密气和煤层气将是天然气储产量增长的主体,仍将发挥不可替代的作用。①常规煤系气是煤系天然气储产量增长的主体,预计2030年产量为（500-550）×108m3,库车坳陷白垩系、准噶尔盆地南缘中生界—古近系、松辽盆地上侏罗统—上白垩统、莺—琼盆地新生界、珠江口盆地新生界、东海盆地新生界等是增储上产的重要领域。②与美国相比,中国煤系致密气具有储集层致密、非均质性强、气水分异难度大、甜点识别难度大等特点,而且部分致密气为低压系统（压力系数为0.7-0.9,美国一般为1.1-1.4）,相同地质与技术条件下采收率比美国低20%以上,提高采收率难度更大,致密气有效动用是一个复杂的系统工程。致密气是极具发展潜力的现实资源,当前中国致密气的发展,要在苏里格等局部地区成功开发的基础上,集中解决复杂类型致密气甜点预测、井网部署及水平井轨迹优化、渗流规律及产能评价研发、储集层有效改造、采收率综合提高等瓶颈问题,勘探向新领域新盆地拓展, 开发向难动用储量和提高采收率发力,工程向多层采气、多井提产倾斜, 整体推动中国致密气规模化发展。预计未来10年中国煤系致密气储产量将稳步增长,预计2030年探明储量有望达5.0×1012m3, 可实现产量为（400-450）×108m3,其中鄂尔多斯盆地伊陕斜坡上古生界、四川盆地上三叠统须家河组等将是储产量增长的重点领域。③与美国比较,中国煤层气产业发展整体时间落后20多年,在煤层气田勘探开发、作业管理等方面仍然处于起步阶段,煤层气勘探开发潜力仍然巨大,需要转变常规理念、利用非常规思维实现煤层气高效勘探开发利用的技术革命。当前中国煤层气产业发展仍将是稳定沁水盆地、鄂尔多斯盆地东部老区中高煤阶煤层气开发,同时积极向中低煤阶、深层、煤系气（煤层气、煤系砂岩气、煤系泥页岩气合采）综合开发拓展和延伸。而伴随着煤层气向新区、新层系、新领域逐渐发展,也对煤层气勘探开发关键技术与装备创新提出新需求,特别是低煤阶复杂构造区甜点预测技术、深层多气共采技术、自动化压裂改造技术及智能化排采技术的突破,将为中国煤层气产业持续快速发展提供重要保障。预计未来10年全国煤层气将快速增长,预计2030年探明储量有望达1.2×1012m3,产量有望达（150-200）×108m3。此外,煤炭地下气化可能实现产业发展。
四、结语
煤系天然气是煤系中煤、炭质泥页岩和暗色泥页岩生成的天然气, 包括源内连续型煤层气、页岩气和源外连续型致密气、圈闭型煤系气等资源类型, 是天然气工业中极其重要的组成部分。
“连续型”和“圈闭型”是煤系气的两种主要成藏模式,提出生气强度大于10×108m3/km2的区域是煤系大气田形成的基本条件,揭示中高阶煤层气向斜富集、低阶煤层气源盖配置的成藏规律。
预测全球煤系气剩余资源潜力巨大。源外煤系气主要分布在中亚—俄罗斯、美国、加拿大等国家或地区,源内煤层气集中分布在12个主要国家。预测中国2030年煤系天然气产量有望超过1000×108m3, 技术进步、政策变化、市场需求等不同情景将影响产量变化。