房 超陳貴峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京市海淀區(qū),100083;2.煤炭科學(xué)研究總院,北京市朝陽區(qū),100013)

中國煤層氣開發(fā)模式分析及開發(fā)技術(shù)研究

房 超1陳貴峰2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京市海淀區(qū),100083;2.煤炭科學(xué)研究總院,北京市朝陽區(qū),100013)

結(jié)合煤層氣的分布特征,對(duì)比分析了目前我國煤層氣開發(fā)的不同模式,指出我國今后發(fā)展煤層氣的有利區(qū)塊,并結(jié)合典型的煤層氣產(chǎn)區(qū),提出了對(duì)應(yīng)的開發(fā)模式與開發(fā)技術(shù)。最后從煤層氣發(fā)展的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益等方面出發(fā),指出大規(guī)模開發(fā)利用煤層氣的時(shí)機(jī)已然成熟。

煤層氣開發(fā) 開發(fā)模式 開發(fā)技術(shù) 有利區(qū)塊

中國不僅是煤炭資源生產(chǎn)和消費(fèi)大國,同時(shí)也是煤層氣資源大國。隨著煤礦開采深度的增加和煤層氣涌出量的不斷增大,煤礦安全問題和煤層氣資源利用問題形勢嚴(yán)峻。2008年,在中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,天然氣占3.6%,煤炭占70.2%,預(yù)計(jì)到2020年天然氣需求量為2930億m3,缺口達(dá)1000億m3以上。中國明確提出加大煤層氣的開發(fā)利用力度,以便從根本上解決煤礦安全問題,把煤層氣作為第二煤炭資源開發(fā)。開展對(duì)煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊研究,加強(qiáng)對(duì)開發(fā)技術(shù)研發(fā),有利于加速煤層氣開發(fā)進(jìn)程,切實(shí)提高煤層氣抽采量,推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 煤層氣資源概況

據(jù)最新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果,中國埋深2000 m以淺的煤層氣資源總量為36.81萬億m3,與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。中國煤層氣資源量占世界總量約13%,居世界第3位,僅次于俄羅斯和加拿大。世界煤層氣資源分布見圖1。

圖1 世界煤層氣資源分布

2 煤層氣開發(fā)模式

根據(jù)煤層氣資源賦存特點(diǎn),中國煤層氣的開發(fā)模式主要有兩類:一類是煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā),側(cè)重煤礦安全和能源開發(fā),與采煤息息相關(guān);另一類是非礦區(qū)煤層氣的開發(fā),僅側(cè)重能源開發(fā),與采煤無關(guān)。其中,煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)占煤層氣開發(fā)的70%。

2.1 煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

中國煤礦區(qū)煤層氣抽采是從建國后開始的。1952年,撫順礦務(wù)局的龍鳳礦開始較大規(guī)模在開采層抽采煤層氣。20世紀(jì)50年代僅在撫順、陽泉、天府和北票等6個(gè)礦進(jìn)行煤層氣抽采,總量約為60 Mm3。20世紀(jì)60年代相繼在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等20個(gè)礦井進(jìn)行煤層氣抽采。從20世紀(jì)80年代開始,我國煤礦抽采煤層氣迅猛發(fā)展。截至2008年底,煤礦區(qū)煤層氣抽采量已達(dá)53億m3,抽采瓦斯的礦井?dāng)?shù)達(dá)283個(gè),與20世紀(jì)50年代相比,抽采瓦斯的礦井?dāng)?shù)增加約47倍。1992-2008年來國有重點(diǎn)煤礦煤層氣抽采量和抽采礦井?dāng)?shù)見圖2。

圖2 1992-2008年國有重點(diǎn)煤礦煤層氣抽采量和抽采礦井?dāng)?shù)

2.2 非礦區(qū)煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

截至目前,全國有煤層氣有效礦權(quán)113個(gè),總面積達(dá)65520 km2。其中,煤層氣探礦權(quán)106個(gè),總面積達(dá)65285 km2,主要分布在17個(gè)省區(qū),各省區(qū)煤層氣探礦權(quán)面積分布比例見圖3。煤層氣采礦權(quán)7個(gè),總面積235 km2,主要分布在山西、遼寧和陜西省。

圖3 省區(qū)煤層氣探礦權(quán)面積分布比例

煤層氣探礦權(quán)人25個(gè),包括3家中直企業(yè)(中聯(lián)煤、中石油和中石化)和22家地方煤層氣企業(yè)(晉煤集團(tuán)、陽煤集團(tuán)等)。采礦權(quán)人為中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司、中國石油天然氣股份有限公司和遼寧省鐵法煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司等6家公司。

2008年底,地面煤層氣開發(fā)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能15億m3、產(chǎn)量 5億 m3、利用量約 3億 m3的生產(chǎn)、銷售和利用,其中非礦區(qū)煤層氣開發(fā)量占地面煤層氣開發(fā)量的35%。

2.3 煤礦區(qū)煤層氣與非礦區(qū)煤層氣開發(fā)對(duì)比

煤層氣井下抽采量逐年遞增,抽采非?；钴S;地面煤層氣開發(fā)從無到有,2005年實(shí)現(xiàn)了零的突破。煤層氣兩種開發(fā)模式歷年開發(fā)量對(duì)比見圖4。

圖4 兩種煤層氣開發(fā)模式1993-2009年開發(fā)量對(duì)比

3 中國煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊

山西沁水盆地南部、陜西鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)是目前煤層氣開發(fā)重點(diǎn)地區(qū),是煤層氣開發(fā)最有利區(qū)塊。

3.1 山西沁水盆地南部

沁水盆地是當(dāng)今我國煤層氣勘探開發(fā)程度最高的盆地,含煤地層主要是上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組;煤層厚度大、分布穩(wěn)定,熱演化程度高,生氣量大;煤儲(chǔ)層割理發(fā)育,構(gòu)造線交匯部位裂隙發(fā)育,煤層氣產(chǎn)出條件好;煤層上覆有效厚度較大,水動(dòng)力條件好,煤層氣保存條件有利;新一輪全國煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明,盆地風(fēng)化帶至煤層埋深2000 m以淺區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量為39500.42億 m3,資源豐度為1.46億m3/km2,可采資源量為11216.22億 m3。其中上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組煤層氣地質(zhì)資源量分別為23397.99億 m3、16102.43億 m3,占地質(zhì)資源總量的59.23%和40.77%。

目前,中石油、中聯(lián)煤、晉城煤業(yè)集團(tuán)、亞美大陸、格瑞克能源(國際)公司、奧瑞安等國內(nèi)外公司相繼在沁南煤層氣田展開勘探開發(fā)。截止到2009年底,在沁南煤層氣田共施工各類煤層氣井達(dá)3034座,年產(chǎn)量10億m3。

3.2 陜西鄂爾多斯盆地東緣

鄂爾多斯盆地東緣是鄂爾多斯盆地煤層氣主要富集區(qū)帶,也是我國最有利的煤層氣勘探開發(fā)地區(qū)之一。盆地東緣的含氣面積達(dá)到1.63萬km2,資源豐度1.53億m3/km2。煤層埋深適中,為500～1500 m,滲透率較高,一般達(dá)到1 mD,煤層單層厚度3～8 m,累計(jì)厚度8～13 m,含氣量高,以肥、焦煤為主,有少量貧、瘦煤,資源豐富,區(qū)位條件優(yōu)越,且有較好的開發(fā)基礎(chǔ)。

到目前為止,已施工煤層氣共400余座。韓城、柳林和三交3個(gè)區(qū)塊的煤層氣開發(fā)具有優(yōu)勢。

4 中國煤層氣開發(fā)技術(shù)

煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā),正逐漸改變過去單一的井下抽采方式,開展了地面開發(fā)和井下抽采相結(jié)合的技術(shù)研究。非礦區(qū)煤層氣的開發(fā)主要是采用地面開發(fā)技術(shù)。

4.1 井下抽采

煤層氣井下抽采技術(shù)主要包括本煤層、鄰近層、采空區(qū)等多種抽采方法,見表1。

目前,中國已進(jìn)入綜合抽采煤層氣階段,即采前預(yù)抽、邊采邊抽及采后采空區(qū)抽采等多種方法在一個(gè)采區(qū)內(nèi)綜合使用。在時(shí)空上為煤層氣抽采創(chuàng)造更多的有利條件,在工藝上將鉆孔抽采與巷道抽采相結(jié)合、井下抽采與地面鉆孔相結(jié)合、常規(guī)抽采與強(qiáng)化抽采相結(jié)合以及垂直短鉆孔抽采與水平長鉆孔抽采相結(jié)合。

4.2 地面開發(fā)技術(shù)

煤層氣地面開發(fā)可分為2種開發(fā)方式。一種是地面預(yù)采技術(shù),主要開發(fā)未采動(dòng)煤層中的煤層氣,所采用的技術(shù)與常規(guī)天然氣生產(chǎn)技術(shù)相似,對(duì)于滲透率低的煤層往往采取煤層壓裂增產(chǎn)措施。另一種是地面采動(dòng)開采技術(shù),主要包括生產(chǎn)礦井采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)開采煤層氣,因采動(dòng)影響,煤層和含氣巖層的滲透率明顯提高,煤層氣大量解吸,抽氣容易,不需要進(jìn)行煤層壓裂處理。

4.2.1 地面垂直井開采技術(shù)

地面垂直井開發(fā)模式始于20世紀(jì)70年代,美國一些煤礦業(yè)主借用石油天然氣工業(yè)的開發(fā)技術(shù),通過排水降壓使煤層中的吸附氣解吸出來,由井筒流到地面。這種開采方式具有產(chǎn)氣量大、資源回收率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)特點(diǎn),可形成規(guī)模效益。但要求有厚度較大的煤層或煤層群、煤儲(chǔ)層的滲透性較好以及較有利的地形等條件。

表1 煤層氣井下抽采技術(shù)一覽表

由于我國各地資源條件和開發(fā)條件差異,地面預(yù)采煤層氣增產(chǎn)措施有所不同,主要為裸眼擴(kuò)徑、洞穴完井和水力壓裂。鑒于煤層滲透率較低,只能采用壓裂技術(shù)進(jìn)行增產(chǎn)改造。目前國內(nèi)地面直井煤層氣日產(chǎn)量大約為15000 m3,適合此種開發(fā)模式的礦區(qū)主要為煤儲(chǔ)層滲透率較高的沁水盆地南部地區(qū)和鄂爾多斯盆地的河?xùn)|煤田。

4.2.2 多分支水平井開采技術(shù)

多分支水平井技術(shù)主要適用于煤層厚度大且分布穩(wěn)定,煤層滲透率較低的煤儲(chǔ)層。多分支水平井開采技術(shù)與采用射孔完井和水力壓裂增產(chǎn)的常規(guī)直井相比,具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)為增加有效供給范圍、提高導(dǎo)流能力、減少對(duì)煤層的傷害、單井產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好和有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

目前,我國共施工近150座多分支水平井,主要集中在沁水盆地的晉城、壽陽、端氏和大寧等地區(qū)。在沁南的潘莊區(qū)塊,由奧瑞安公司設(shè)計(jì)施工的多分支水平井的單井日產(chǎn)量突破10萬m3,約是相鄰地區(qū)常規(guī)垂直井單產(chǎn)的50倍。

中國自2003年引進(jìn)并吸收此項(xiàng)技術(shù),中聯(lián)煤層氣公司成功實(shí)施的第一座水平井DS-01井,累計(jì)完成進(jìn)尺6526 m,產(chǎn)量將達(dá)到3～4萬 m3/d,約相當(dāng)于10座煤層氣直井的產(chǎn)量。

5 結(jié)論

據(jù)國家煤礦安監(jiān)局統(tǒng)計(jì),2008年與2005年相比,煤礦瓦斯事故下降 56%,死亡人數(shù)減少64%,瓦斯抽采量增加130%,利用量增加160%。加大煤層氣能源的開采力度符合目前低碳、環(huán)保、清潔能源及可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境,更為目前煤礦開采提供了有利的安全保障。煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)逐漸從單純井下抽采技術(shù)向地面井下相結(jié)合的抽采技術(shù)發(fā)展,抽采量大幅提高。非礦區(qū)煤層氣受中國特有的地質(zhì)條件限制,開發(fā)進(jìn)度曾一度緩慢,但隨著近年來國家政策的大力支持及地面煤層氣鉆探技術(shù)的提高,非礦區(qū)地面開采煤層氣正在上升到一個(gè)新的高度。目前,中國煤層氣的發(fā)展亦采用兩條腿走路的策略,即煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)和非礦區(qū)煤層氣開發(fā)同時(shí)發(fā)展,但目標(biāo)各有側(cè)重。只有分類指導(dǎo)管理,針對(duì)各自具體的地質(zhì)構(gòu)造條件和煤儲(chǔ)層特征,因地制宜地選擇適用的開發(fā)技術(shù),才能取得好的開發(fā)效果。隨著國家對(duì)煤礦安全重視程度的加大以及清潔能源的提倡,“先采氣后采煤”的地面開采煤層氣技術(shù)必將引領(lǐng)今后十年的煤層氣發(fā)展。

[1]張群.關(guān)于我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的戰(zhàn)略思考[J].中國煤炭,2007(11)

[2]王魁軍,羅海珠等.礦井瓦斯防治技術(shù)優(yōu)選—瓦斯涌出量預(yù)測與抽放[M].江蘇:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008

[3]林建浩,胡愛梅.中國煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)化對(duì)策研究[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007

(責(zé)任編輯 張毅玲)

The Comparison and development study of China’s CBM development models

Fang Chao1,Chen Guifeng2
(1.China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China;2.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

According to the CBM distribution characteristics,this paper comparatively analyses the different development model of China’s current CBM and point out the favorable districts for our future development of CBM.Besides,the corresponding CBM development model and the development technology are proposed combined with the typical coal bed methane production areas.At last,it is pointed out that the opportunity for large-scale development and utilization of CBM is ripe from the social and economic benefits of CBM development.

CBM,development model,development technology,favorable districts

TD712

B

房超(1983-),男,工程師,現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)(北京)2009級(jí)地理信息工程專業(yè)在讀研究生,曾在中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司、中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心從事過煤田地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)、科研和地理信息工程等工作。