李朝陽，彭 磊，喬偉彪，劉勇峰，劉林遠(yuǎn)，賈曉琳

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 西南分公司，四川 成都 610041;2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 華東分院，江蘇 南京 210049)

0 前言

煤層氣(俗稱瓦斯)是一種近二十年來被普遍認(rèn)識(shí)、成分與常規(guī)天然氣基本相同、是在成煤過程中生成并儲(chǔ)集于煤層中的非常規(guī)天然氣［1－5］。主要成分甲烷，具有無色、無味、無毒、易燃、易爆等特性。煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)的化工和能源原料，熱值幾乎與天然氣相同，比普通煤大。我國(guó)雖然是第三大煤層氣儲(chǔ)藏國(guó)，但目前利用率較低［6－10］。

制約煤層氣利用的因素主要有兩個(gè):一是我國(guó)煤層開采條件差;二是開發(fā)技術(shù)落后［10－12］。目前世界各國(guó)進(jìn)入對(duì)煤層氣開發(fā)利用的高潮，美國(guó)等西方國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的煤層氣開發(fā)，我國(guó)也已經(jīng)進(jìn)入煤層氣產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段，但絕大部分礦區(qū)技術(shù)問題需要解決［13－17］。煤層氣開發(fā)是一種高投入、高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)，煤層氣必將成為一種新型的戰(zhàn)略資源［18－19］。因此研究其相關(guān)的基礎(chǔ)理論及勘探開發(fā)技術(shù)尤為重要，同時(shí)開發(fā)利用煤層氣在煤礦瓦斯安全和保護(hù)環(huán)境方面具有十分重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代美國(guó)率先取得了煤層氣商業(yè)開發(fā)成功，2004年年產(chǎn)煤層氣超過我國(guó)同年天然氣年產(chǎn)量，達(dá)500億m3。加拿大、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)家近年來煤層氣產(chǎn)業(yè)探索出了適合本國(guó)煤層氣開采條件的勘探開發(fā)工藝，2009年加拿大年產(chǎn)煤層氣100億m3、澳大利亞年產(chǎn)煤層氣50億m3。

1.2 國(guó)內(nèi)煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代我國(guó)煤層氣開始探索地面勘探開發(fā)。我國(guó)埋深在2 000 m以內(nèi)淺的煤層氣資源量超30×1012m3，主要分布在山西晉城、陜西韓城、遼寧省的撫順、阜新、鐵法地區(qū)，居世界第三位。目前全國(guó)，探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量2000×108m3。已開采4 000余口煤層氣井，年開采煤層氣10×108m3，但我國(guó)煤層氣開發(fā)僅有遼寧的阜新、鐵法礦區(qū)接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平。

2 我國(guó)煤層氣資源及特征

我國(guó)煤層氣資源十分豐富，將煤層氣賦存深度劃分為3區(qū)。資源埋藏分布見表1。表1表明我國(guó)埋深1 500 m以內(nèi)的煤層氣資源量是煤層氣資源總量的60%，有利于煤層氣資源的勘探開發(fā)。

表1 煤層氣埋藏深度分布

我國(guó)各煤田煤層含氣性差異較大，根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況和煤層氣勘探開發(fā)的需要，將煤層含氣量劃分為貧氣、含氣和富氣3個(gè)品級(jí)。我國(guó)煤層氣除滇藏煤層氣聚氣區(qū)以外的其它4個(gè)煤層氣聚氣區(qū)一般屬于含氣和富氣。

3 我國(guó)煤層氣可采性分析

3.1 中國(guó)煤層氣目前主要開采技術(shù)

中國(guó)煤礦中普遍采用利用鉆孔抽放本層煤層氣方法。此法適用于單一煤層，具有鉆孔速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但抽出率低。低透氣性煤層，可采高效率鉆機(jī)，密集鉆孔，強(qiáng)力抽放，以及人為卸壓措施強(qiáng)化抽出。透氣性較好的煤層，可采用地面鉆孔、水力壓裂等措施提高抽出率。

3.2 我國(guó)歷年煤層氣開采量分析

我國(guó)煤層氣發(fā)展緩慢。1977年我國(guó)煤層氣抽取礦井有58口，抽取量2.32億m3;到2004年增加到287口，抽取量達(dá)到18.66億m3，2005年我國(guó)煤層氣井口數(shù)增長(zhǎng)非常迅猛，新增煤層氣礦井超過歷史累計(jì)施工井?dāng)?shù)總和，抽取量達(dá)30億m3。但2005年煤層氣抽采率為26.5%，這說明我國(guó)煤層氣抽取率仍較低。

3.3 中外煤層氣開采技術(shù)產(chǎn)生差距的主要原因與對(duì)策分析

我國(guó)的煤層氣地質(zhì)情況復(fù)雜。我國(guó)中新生代巖漿，尤其是燕山期巖漿具有沿多個(gè)緯向構(gòu)造帶和北東－北北方向構(gòu)造帶侵入的方向性。被巖漿侵入的煤田不僅煤層變質(zhì)形成了低煤級(jí)煤，而且疊加了區(qū)域巖漿熱變質(zhì)。更重要的是，經(jīng)受區(qū)域巖漿熱變質(zhì)的煤在煤級(jí)提高時(shí)煤層發(fā)生“疊加生烴”，增加了煤層氣含量。煤層割理數(shù)量增加，從而改善了煤層的滲透率與運(yùn)移性，致使所含煤層氣長(zhǎng)期逸散而殘余量不多;煤層經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期壓實(shí)，滲透率低，不利于成藏。我國(guó)有近1 500個(gè)縣存在煤資源，若煤厚等條件適宜，有可能發(fā)現(xiàn)更多富集高滲的煤層氣。我國(guó)煤層氣資源量的增加和勘探區(qū)的選擇，應(yīng)首先分析煤的疊加變質(zhì)作用對(duì)煤層氣成藏機(jī)理;其次要在區(qū)域巖漿熱變質(zhì)煤中尋找煤層氣勘探區(qū);再次應(yīng)重視西北地區(qū)低煤級(jí)煤。

4 煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)

我國(guó)煤層氣的選區(qū)評(píng)價(jià)主要以美國(guó)的選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為參考，國(guó)內(nèi)勘探單位制定了各自不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)中階煤制定，根據(jù)不同盆地的地質(zhì)特征，采用不同的完井方式。通過多年來在沁水盆地、淮南淮北、鄂爾多斯盆地東緣、寧武盆地等地對(duì)煤層氣資源的不斷探索勘探開發(fā)，我國(guó)煤層氣開發(fā)勘探技術(shù)不斷進(jìn)步。但當(dāng)前我國(guó)煤層氣開發(fā)尚未形成適合我國(guó)煤層氣資源開發(fā)的勘探開發(fā)技術(shù)。

我國(guó)煤層氣選區(qū)技術(shù)主要包括以下幾種:

(1)繩索取芯技術(shù)，特別是取芯率高達(dá)在95%，可快速提升，能準(zhǔn)確獲取目標(biāo)煤層各項(xiàng)特征和各項(xiàng)物理參數(shù);能保證煤心完整性;

(2)清水?dāng)y砂壓裂技術(shù)，適合于儲(chǔ)層應(yīng)力較差、富含水份，內(nèi)外生裂隙極其發(fā)育的煤層，對(duì)煤層傷害程度較低;

(3)清潔壓裂液攜砂壓裂適合的儲(chǔ)層與清水?dāng)y砂壓裂基本相同，其攜砂能力更強(qiáng)，但相應(yīng)費(fèi)用也較高;

(4)氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)主要適合于水分含量少，水敏性強(qiáng)，內(nèi)外生裂隙發(fā)育但很致密的煤層。氮?dú)馀菽瓑毫丫臍猱a(chǎn)量是水力攜砂壓裂井氣產(chǎn)量的3倍左右;

(5)欠平衡鉆井技術(shù)適用于高滲弱膠結(jié)地層;含有對(duì)水基鉆井濾液敏感成分的地層;接近束縛水飽和度的脫水地層，具有減輕儲(chǔ)層傷害，提高鉆井效率，降低鉆井成本;避免井漏等特點(diǎn)。

(6)多分支水平井適用于低壓、低滲透率、低流體動(dòng)能的煤儲(chǔ)層。在較高階煤發(fā)育的凹陷盆地具備施工多分支水平煤層氣井的條件，陸相斷陷盆地一般不具備多分支水平井施工條件。

(7)洞穴完井技術(shù)常適合于低階煤煤層氣開發(fā)。

5 我國(guó)煤層氣行業(yè)存在的主要問題

我國(guó)缺乏國(guó)家統(tǒng)一計(jì)劃來開發(fā)勘探煤層氣資源，加之管理責(zé)任不明確，使煤層氣開發(fā)項(xiàng)目手續(xù)復(fù)雜。如何劃分資源，最優(yōu)化資源以保證煤層氣項(xiàng)目正常進(jìn)行，是近階段煤層氣產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題。

煤層氣資源存在“三低”現(xiàn)象以及地質(zhì)變動(dòng)的特殊性，中國(guó)煤層氣輸送管網(wǎng)少，缺少一套完整的天然氣網(wǎng)絡(luò)和健全的配套基礎(chǔ)設(shè)施，制約了我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)煤層氣開發(fā)國(guó)家經(jīng)濟(jì)支持有待提高。煤層氣開發(fā)存在投入高、難度大、單井產(chǎn)量低、投資回收期長(zhǎng)等特點(diǎn)，煤層氣產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力相比天然氣產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力較低。這就需要國(guó)家加快煤層氣產(chǎn)業(yè)優(yōu)惠政策的制定。

6 我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)前景展望

我國(guó)煤層氣資源潛力巨大，埋深1 500 m以內(nèi)的煤層氣19億m3。經(jīng)過近幾年的勘探開發(fā)實(shí)踐，中國(guó)煤層氣勘探已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。不光在地質(zhì)理論、勘探技術(shù)和煤層氣資源評(píng)價(jià)等方面獲得了大量成果，而且在試驗(yàn)區(qū)獲得了可喜的成果。

未來我國(guó)能源問題將非常突出，能源供需矛盾將激化，清潔能源將得到開發(fā)應(yīng)用。開發(fā)利用煤層氣不僅能緩解溫室效應(yīng)，同時(shí)可改善煤礦生產(chǎn)條件、遏制礦井瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。目前我國(guó)天然氣缺口巨大，作為一種性質(zhì)等接近天然氣的能源，煤層氣將能有效的緩解天然氣供需缺口帶來的一系列問題。

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