楊慧中，陳思順，趙靜康，丁明潔

(1.平頂山市燃氣有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000 ;2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輕工系，河南 漯河 462002 ;3.河南城建學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系，河南 平頂山 467044)

0 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是甲烷(CH4)，是與煤炭伴生的、以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2～5 倍，可以與天然氣混輸混用［1］。我國埋深2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81 萬億m3，居世界第三位［2］。

煤層氣也是化石資源的重要組成部分。如常規(guī)天然氣一樣，煤層氣是潔凈的工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的燃料和化工原料，用途非常廣泛。煤層氣氫含量高，燃燒后CO2排放量比煤炭低。煤層氣作為化工原料，經(jīng)過轉(zhuǎn)化和調(diào)制，可以生產(chǎn)出幾乎所有的碳一化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)品。受資源賦存條件制約，中國石油及天然氣供需矛盾突出，對外依存度逐年攀升，煤層氣開發(fā)利用可有效增加國內(nèi)能源供應(yīng)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高資源利用效率，具有廣闊的發(fā)展前景。

另一方面，煤層氣在空氣中濃度達到5%～16% 時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21 倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。據(jù)計算，每利用1 億標方的煤層氣，相當于減排150 萬t二氧化碳。煤層氣的開采利用是煤礦安全生產(chǎn)和地球生態(tài)安全的需要。

由上分析，在采煤之前先開采煤層氣，可以減少瓦斯事故，還能有效減排溫室氣體，減少環(huán)境污染，同時又得到了有價值的優(yōu)質(zhì)能源和工業(yè)原料，節(jié)約能源，還具有顯著的經(jīng)濟效益。可見，煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效，對緩解石油及天然氣資源危機、煤炭礦山安全生產(chǎn)及地球生態(tài)安全都有著重要的意義［3-4］，但其前提是煤層氣開采及利用技術(shù)的研發(fā)。本文綜述了中國煤層氣開采利用的現(xiàn)狀，分析了存在的問題，并提出了今后的研究方向。

1 中國煤層氣利用現(xiàn)狀及問題分析

國家高度重視煤層氣開發(fā)利用和煤礦瓦斯防治工作，出臺了一系列政策以推進煤層氣的開采利用工作。2006 年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》［5］。2007年以來，有關(guān)部門相繼出臺了打破專營權(quán)、煤炭生產(chǎn)安全費用提取、財政補貼、煤層氣抽采利用企業(yè)稅費減免、煤礦瓦斯先抽后采、瓦斯發(fā)電上網(wǎng)及加價、人才培養(yǎng)等扶持政策［6-11］，煤層氣開發(fā)利用政策框架初步形成。

1.1 在國家政策引導(dǎo)下，行業(yè)取得了迅速發(fā)展［12］

1.1.1 重點煤層氣企業(yè)加快發(fā)展，煤層氣行業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化和商業(yè)化

十一五期間，國家啟動沁水盆地、鄂爾多斯盆地東源兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)，施工煤層氣井5 400 余口，形成產(chǎn)能31 億m3，煤層氣產(chǎn)業(yè)從無到有，初步實現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)模化。

1.1.2 煤礦瓦斯抽采利用取得重大進展，煤礦瓦斯防治形勢穩(wěn)步好轉(zhuǎn)

國家強力推進煤礦瓦斯“先抽后采、抽采達標”的工作，煤礦生產(chǎn)區(qū)(煤炭采礦權(quán)范圍內(nèi))實行“先抽后采、采煤采氣一體化”政策，煤礦瓦斯抽采量逐年上升，煤礦瓦斯防治工作取得顯著成效，2010 年，煤礦瓦斯抽采量75 億m3，比2005 年增長226%。

1.1.3 煤層氣開發(fā)利用技術(shù)水平進一步提高

實施大型煤層氣開發(fā)國家科技重大專項，攻克了多分支平井鉆完井等6 項重大核心技術(shù)和井下水平定向鉆孔鉆進等47 項技術(shù)。組建了煤礦瓦斯治理國家工程研究中心和煤層氣開發(fā)利用家工程研究中心。完成國家科技支撐計劃“煤礦瓦斯、火災(zāi)與頂板大災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)研究”，“973”計劃“預(yù)防煤礦瓦斯動力災(zāi)害治關(guān)鍵技術(shù)研究”等項目，實施10 項瓦斯治理技術(shù)示范工程和8 項技術(shù)與裝備研發(fā)，獲得了煤與瓦斯突出機理的新認識，取得了低透性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)等一批重大成果。

1.2 存在的主要問題

目前我國煤層氣利用存在的主要問題是勘探投入不足、抽采條件復(fù)雜、抽采的煤層氣利用率低、關(guān)鍵技術(shù)有待突破等［13-14］。

1.2.1 勘探投入不足

煤層氣勘探技術(shù)要求高、風(fēng)險大、投入高、投資回收期長，而國家在煤層氣基礎(chǔ)勘探上的投入資金少，探礦權(quán)人投資積極性不高，社會資金融資渠道不暢，由于這些因素，中國煤層氣資源的總體勘查程度很低。我國埋深2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量粗略估計約36.81 萬億m3，但經(jīng)過準確探測的儲量很少。目前，煤層氣探明地質(zhì)儲量2 734 億m3，僅為預(yù)測資源總量的0.74%。

1.2.2 不同區(qū)域賦存條件差異大，抽采條件復(fù)雜

我國煤層氣資源量雖大，但地質(zhì)條件差，地球力場活動頻繁，不同地區(qū)地質(zhì)條件差別很大，不同區(qū)域煤層氣的賦存條件差異大，抽采條件復(fù)雜。除沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣外，許多地區(qū)呈低壓力、低滲透、低飽和特點，適合大規(guī)模地面抽采的區(qū)域不多，在目前勘探程度和抽采技術(shù)條件下，能實現(xiàn)規(guī)?；?、商業(yè)化開發(fā)的難度大。同時，高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井多，隨著開采深度加大，地應(yīng)力和瓦斯壓力進一步增加，井下抽采難度增大。

1.3 抽采的煤層氣利用率低

部分煤層氣項目管道建設(shè)等配套工程滯后，下游市場不完善，地面抽采的煤層氣不能全部利用。煤礦瓦斯抽采項目規(guī)模小、濃度變化大、利用設(shè)施不健全，大量煤礦瓦斯未有效利用，2010 年利用率僅為30.7%。煤層氣抽出來要能應(yīng)用，并且有經(jīng)濟收益，否則抽得越多越花錢，企業(yè)就沒有積極性。

1.4 低濃度煤層氣利用技術(shù)亟待開發(fā)

根據(jù)國家《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，甲烷含量低于30%的煤層氣為低濃度煤層。中國的煤層氣儲量中，低濃度煤層氣占三分之二以上。低濃度煤層氣中甲烷濃度在5%～6%時具有爆炸危險，甲烷濃度在7%～8%時最易爆炸，當甲烷濃度在9.5%時爆炸威力最強，其速度可達2 000～3 000 m/s，同時產(chǎn)生巨大的能量，這是煤礦瓦斯事故的根源，也是低濃度煤層氣發(fā)電的依據(jù)。

目前，中國煤礦生產(chǎn)每年抽采大量的煤層氣，其中超過80%的是低濃度煤層氣，出于安全生產(chǎn)考慮，主要是直接排放到大氣中。如平頂山礦區(qū)2009年瓦斯抽放量約8 000 萬m3、濃度在5%～30%之間，風(fēng)排瓦斯2.5 億m3、濃度0.3%～0.5%;瓦斯利用量1 400 萬m3，占抽采量的17.5%，占全部排出瓦斯的4.8%。

1.5 關(guān)鍵技術(shù)有待突破

煤層氣開發(fā)利用基礎(chǔ)研究薄弱。現(xiàn)有煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)不能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，鉆井、壓裂等技術(shù)裝備水平較低，低階煤和高應(yīng)力區(qū)煤層氣開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)有待研發(fā)。煤與瓦斯突出機理仍未完全掌握，深部低透氣性煤層瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)裝備水平亟待提升。

1.6 扶持政策需要進一步落實和完善

瓦斯發(fā)電機組規(guī)模小、布局分散，部分地區(qū)瓦斯發(fā)電上網(wǎng)難，扶持政策落實不到位，相關(guān)的法律法規(guī)和標準規(guī)范尚不健全。煤層氣開發(fā)利用經(jīng)濟效益差，現(xiàn)有補貼標準偏低。高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井開采成本高、安全投入大，需要國家在稅費等方面出臺扶持政策。

2 煤層氣利用的研究方向

針對我國煤層氣資源賦存條件的復(fù)雜性和煤層氣行業(yè)存在的問題，我們必須從以下幾個方面入手。

2.1 重大基礎(chǔ)理論研究

不同地區(qū)地質(zhì)條件的煤層差別很大，需要不同的煤層氣抽采技術(shù)，沒有萬能的技術(shù)，應(yīng)重點開展煤層氣成藏規(guī)律、高滲富集規(guī)律、有利區(qū)塊預(yù)測評價理論、低階煤煤層氣資源賦存規(guī)律、煤與瓦斯突出機理等重大基礎(chǔ)理論研究，測定相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，確定煤層氣可抽采煤層條件及相應(yīng)的抽采辦法。

2.2 煤層氣勘探抽采關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)

煤層氣勘探和抽采技術(shù)是其利用的前提，煤層氣勘探、儲層保護、低階煤測試、空氣霧化鉆進、煤層氣模塊化專用鉆機、多分支水平井鉆完井、水平井隨鉆測量與地質(zhì)導(dǎo)向、連續(xù)油管成套裝備、清潔壓裂液、氮氣泡沫壓裂、水平井壓裂、高效低耗排采、低壓集輸?shù)鹊孛骈_采技術(shù)與重大裝備，地面鉆井煤層預(yù)抽、采動卸壓抽采、采空區(qū)抽采一井多用技術(shù)，煤與瓦斯突出預(yù)警和監(jiān)控、瓦斯參數(shù)快速測定、深部煤層和低透氣性煤層瓦斯安全高效抽采、低濃度瓦斯和風(fēng)排瓦斯安全高效利用等關(guān)鍵技術(shù)及裝備、示范區(qū)域性井上下聯(lián)合抽采技術(shù)，低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)及裝備，這些關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研發(fā)都是我國煤層氣利用必須突破的難題。

2.3 煤層氣利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

我國70%以上的煤層氣是甲烷濃度在25%以下的低濃度煤層氣，而煤層氣的爆炸區(qū)間為5%～16%。低濃度煤層氣的利用技術(shù)在國內(nèi)尚處于試驗階段，目前絕大多數(shù)煤礦都將甲烷濃度低于30%的煤層氣直接放空排入大氣層。低濃度煤層氣安全輸送與利用技術(shù)研發(fā)是提高我國煤層氣資源化利用率的關(guān)鍵。

［1］ 張鳳麟.中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2010.

［2］ 我國煤層氣資源開發(fā)利用的財政政策評析［J］. 資源與產(chǎn)業(yè)，2011，13(2):108 -111.

［3］ 張永紅，牛沖槐，秦雪霞.煤層氣與石油價格聯(lián)動機制研究［J］.價格理論與實踐，2012(9):32 -33.

［4］ 周曉梅，徐龍君，鮮學(xué)福，等. 煤層氣開發(fā)利用的經(jīng)濟效益分析［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，29(11):137 -140.

［5］ 國務(wù)院辦公廳.關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見. 國辦發(fā)［2006］47 號，(2006 -6 -19)［2013 -4 -12］，http://www.gov.cn.

［6］ 國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院關(guān)于修改〈中華人民共和國對外合作開采陸上石油資源條例〉的決定，(2011 -10 -10)［20130 -4 -12］，http://www.gov.cn.

［7］ 財政部、國家稅務(wù)總局. 關(guān)于加快煤層氣抽采有關(guān)稅收政策問題的通知. 財稅［2007］16 號，2007 年月2 月7 日.

［8］ 財政部.國家發(fā)展改革委. 國家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于印發(fā)《煤炭生產(chǎn)安全費用提取和使用管理辦法》和《關(guān)于規(guī)范煤礦維簡費管理問題的若干規(guī)定》. 財建［2004］119 號.

［9］ 國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)于利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電工作的實施意見. 發(fā)改能源〔2007〕721 號，2007年4 月21 日.

［10］ 國家能源局.煤層氣產(chǎn)業(yè)政策.國家能源局公告2013年第2 號，2013.2.22.

［11］ 國家安全監(jiān)管總局，國家煤礦安監(jiān)局.關(guān)于加強煤礦瓦斯先抽后采工作的指導(dǎo)意見. 安監(jiān)總煤裝〔2007〕188 號，2007 年9 月3 日.

［12］ 國家發(fā)展和改革委員會，國家能源局.煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃［R］. 2011 -12.

［13］ 中國石油新聞中心網(wǎng). 我國煤層氣亟待解決基本問題［B/OL］. (2012 -07 -05)［2013 -4 -12］.http://news.cnpc.com.cn.

［14］ 郭 東. 低濃度煤層氣資源利用現(xiàn)狀及效益分析［J］.中國煤層氣，2008，5(3):42 -46.