陳艷娜

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司,北京 100087)

我國(guó)煤層氣開采及綜合利用研究進(jìn)展

陳艷娜

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司,北京 100087)

煤層氣又稱煤層甲烷或煤層瓦斯,是指儲(chǔ)存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體,是煤的伴生礦產(chǎn)資源,屬非常規(guī)天然氣,是近一二十年在國(guó)際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。本文介紹了我國(guó)煤層氣的資源開發(fā)利用近況,歸納了我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)工程技術(shù)手段,分析了煤層氣綜合利用對(duì)我國(guó)發(fā)展新能源的戰(zhàn)略性意義,總結(jié)了我國(guó)煤層氣開發(fā)及綜合利用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。預(yù)見了我國(guó)即將開辟煤層氣勘探開發(fā)及綜合利用的新篇章。

煤層氣 開采 綜合利用

到目前為止，全球已探明煤層氣資源儲(chǔ)量為89.4×1012m3，可開采量13.5×1012m3，這已經(jīng)相當(dāng)于常規(guī)天然氣儲(chǔ)量。美國(guó)、澳大利亞、加拿大、俄羅斯等國(guó)家已進(jìn)入了工業(yè)化開采階段，我國(guó)即將開辟煤層氣勘探開發(fā)及綜合利用的新篇章[1]。

1　我國(guó)煤層氣資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國(guó)煤礦開采時(shí)，80%都是由瓦斯事故引起。早期主要采用直接排放的方式防范，但是，CH4在空氣中的化學(xué)及輻射效應(yīng)不容小覷，直接排放到空氣中的危害較大。

隨著煤層氣工業(yè)的發(fā)展，煤層氣的開發(fā)價(jià)值逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。我國(guó)是煤炭?jī)?chǔ)量、生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó)，同時(shí)也是煤層氣儲(chǔ)量的大國(guó)。新一輪的全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)顯示，中國(guó)埋深小于2000m的煤層氣地質(zhì)資源量約為36.81×1012m3，相當(dāng)于520×109t標(biāo)煤[2]。而其中95%的煤層氣資源分布在新疆、晉陜蒙、冀豫皖和云貴川渝4個(gè)地區(qū)[1]。那么，如何合理的開發(fā)利用我國(guó)蘊(yùn)藏的煤層氣資源是我們目前面對(duì)的重大課題。

我國(guó)煤層氣的勘探、開發(fā)及綜合利用進(jìn)展分為3個(gè)階段:即1952-1989年礦井瓦斯抽放發(fā)展階段、1989-1995年現(xiàn)代煤層氣技術(shù)引進(jìn)階段及1996年后的煤層氣產(chǎn)業(yè)逐漸形成發(fā)展階段[2]。目前，中石油、中聯(lián)等企業(yè)均有涉足煤層氣產(chǎn)業(yè)。其中較為突出的是山西省沁水縣端氏煤層氣開發(fā)示范工程，其第一口水平羽狀井DS-01獲得成功，對(duì)我國(guó)高效開發(fā)利用煤層氣資源，特別是針對(duì)高瓦斯礦區(qū)在采礦之前能夠快速抽采煤層氣資源，遏制煤礦重大瓦斯爆炸事故方面都具有十分重要的意義。

2　煤層氣開發(fā)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鉆井技術(shù):直井鉆井技術(shù)。針對(duì)煤儲(chǔ)層及其煤系低壓、低滲、吸附性強(qiáng)等特征，通過(guò)敏感性分析和儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究，形成了以空氣鉆井為核心的直井鉆井技術(shù)。

鉆井技術(shù):多分支水平井鉆井技術(shù)。針對(duì)煤儲(chǔ)層及其煤系質(zhì)軟、易破碎、易坍塌等特征，通過(guò)改進(jìn)鉆井循環(huán)介質(zhì)特性，形成的多分支水平井/U型井鉆井技術(shù)。 該技術(shù)集鉆井、完井和增產(chǎn)于一體，是開發(fā)低壓、低滲煤層的主要手段。

鉆井技術(shù):叢式井鉆井技術(shù)。受地形地貌和土地局限，通過(guò)克服彎曲井段排采等技術(shù)難題，形成了以定向鉆進(jìn)為核心的叢式井鉆井技術(shù)。

壓裂技術(shù):針對(duì)煤儲(chǔ)層質(zhì)軟、塑性強(qiáng)、天然裂隙發(fā)育、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)煤巖石力學(xué)和水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究以及大規(guī)模的壓裂實(shí)踐，形成了以活性水、大排量、中砂比為核心的煤層氣井水力壓裂技術(shù)體系 。

排采技術(shù):針對(duì)煤層氣井排采過(guò)程中煤粉傷害和應(yīng)力敏感傷害而導(dǎo)致產(chǎn)量銳減等難題，通過(guò)多年的傷害機(jī)理與產(chǎn)出機(jī)理研究及大規(guī)模排采實(shí)踐，形成的排采技術(shù)體系。

氣田集輸技術(shù):針對(duì)煤層氣集輸面臨的井口壓力超低、波動(dòng)巨大等技術(shù)瓶頸，通過(guò)集輸工藝研究及多方實(shí)踐，形成了 “以低壓集輸為核心的煤層氣集輸工藝技術(shù)體系”。

3　煤層氣勘探開發(fā)工程技術(shù)進(jìn)展

煤層氣資源勘探技術(shù)主要包括地球物理、地球化學(xué)、鉆探三類方法，以及依靠地質(zhì)分析和選區(qū)相結(jié)合的綜合技術(shù)手段[3]。其中，地球物理探測(cè)包括遙感、測(cè)井和地震三大技術(shù)系列。而其中的鉆井成本對(duì)煤層氣開發(fā)總體思路和規(guī)劃起著決定性的作用。

煤層氣抽采技術(shù)是煤層氣綜合利用的核心及重點(diǎn)。煤層氣抽采技術(shù)即是通過(guò)鉆孔方式，利用負(fù)壓抽取煤層中的瓦斯，通過(guò)管道輸送到地面，并集中儲(chǔ)存、利用。而抽采技術(shù)又分為井下抽采和地面抽采。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， 如穿層鉆孔、平行鉆孔、交叉布孔等本煤層瓦斯抽采方法;頂(底)板穿層鉆孔、頂板水平長(zhǎng)鉆孔等鄰近層瓦斯抽采。目前已發(fā)展出多種煤層氣礦井抽采及煤氣共采技術(shù)，包括本煤層抽采、保護(hù)層抽采和采空區(qū)抽采。多種方法在一個(gè)采區(qū)內(nèi)綜合使用， 使煤層氣抽采量及抽采率達(dá)到最高。而我國(guó)煤層氣地面井規(guī)模性開采尚處于起步階段，地面抽采主要包括地面垂直井、采動(dòng)區(qū)井、多分支水平井等[4]。

通過(guò)借鑒國(guó)外煤層氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及自我探索， 我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展， 已經(jīng)逐步形成了一套適合中國(guó)煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)的煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)和常規(guī)勘探開發(fā)工藝技術(shù)，并且取得一定進(jìn)展[4]。第一，我國(guó)已經(jīng)初步形成煤層氣成藏及選區(qū)評(píng)價(jià)理論， 基本摸清了中國(guó)豐富的煤層氣資源總量，并且基本掌握煤層氣資源評(píng)價(jià)技術(shù)。例如沁水盆地和鄂爾多斯盆地。第二，我國(guó)已經(jīng)建立了煤層氣實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)試及分析的方法、技術(shù)、指標(biāo)體系等[5]。第三，我國(guó)已經(jīng)建立了煤層氣垂直井鉆井、測(cè)井、完井、壓裂增產(chǎn)和排采生產(chǎn)的工藝技術(shù)體系及相關(guān)規(guī)范。第四，我國(guó)煤層氣地面垂直井鉆井技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在許多不同地質(zhì)構(gòu)造均已取得了一定程度的成功。最后，我國(guó)煤層氣井完井等尖端技術(shù)已在試驗(yàn)階段。其中包括裸眼完井技術(shù)、套管完井技術(shù)以及先期套管裸眼完井技術(shù)等頂尖技術(shù)。同時(shí)開展了一些新型的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的試驗(yàn)，主要包括欠平衡鉆井技術(shù)、多分支水平井技術(shù)、清潔壓裂液攜砂壓裂及氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)和二氧化碳注入技術(shù)等。例如沁水盆地南部TL-003號(hào)井。

4　煤層氣的綜合利用對(duì)我國(guó)的重要意義

煤層氣的綜合利用對(duì)我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的作用。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，石油、天然氣的消費(fèi)量逐年增加，而儲(chǔ)量卻是有限的。截至2000年，世界一次能源消費(fèi)構(gòu)成比例中，煤炭、石油和天然氣分別占25%，42.8%和23%。而2011年發(fā)布的我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭所占比例更大，為68%，石油和天然氣僅占19%和4.4%[6]。這說(shuō)明我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不合理，而煤層氣的綜合利用則可以有效的改善我國(guó)以煤炭為主能的能源消費(fèi)模式。

煤層氣的綜合利用可以改善生態(tài)環(huán)境，節(jié)約能源[1]。我國(guó)是煤炭?jī)?chǔ)量、開發(fā)及消費(fèi)大國(guó)，煤炭的過(guò)量使用導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨等全球性的氣候問(wèn)題。而煤層氣屬于清潔能源，若將煤層氣作為主要能源，每年將減少排放CH4氣體3.6×1010m3/年，相當(dāng)于減少SO26.8× 105t。相反，若在開采煤炭的過(guò)程中將煤層氣直接排放到大氣中，造成的危害及污染是驚人的。

煤層氣的綜合利用可以減少災(zāi)害， 提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。煤層氣的主要成分CH4，約占80%。CH4有易爆炸的特點(diǎn)，直接排放易造成爆炸危險(xiǎn)。1m3煤層氣相當(dāng)于1kg石油或1.3kg煤炭，可發(fā)電3kWh。煤層氣的綜合利用即可有效的減少煤層氣直接排放所帶來(lái)的危險(xiǎn)和污染，又可充分利用煤層氣的熱值，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5　我國(guó)煤層氣開發(fā)極綜合利用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

我國(guó)礦井煤層氣抽采工藝技術(shù)步入了自主研發(fā)的良性循環(huán)過(guò)程，引進(jìn)的勘探及地面開發(fā)主體技術(shù)與裝備經(jīng)過(guò)消化和改良，支撐了我國(guó)煤層氣地面井開發(fā)的發(fā)展，但尚未完全適應(yīng)于我國(guó)的不同地質(zhì)條件[3]。

為了使我國(guó)煤層氣開發(fā)及綜合利用達(dá)到預(yù)期效果，我們必須做到加強(qiáng)科學(xué)管理，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)支撐，指導(dǎo)合理戰(zhàn)略選區(qū);完善法律法規(guī)體系，保障政策執(zhí)行;注重人才培養(yǎng)，奠定發(fā)展基礎(chǔ);加大技術(shù)創(chuàng)新，尋求關(guān)鍵突破;加強(qiáng)基礎(chǔ)管網(wǎng)建設(shè)，實(shí)施管網(wǎng)準(zhǔn)入制度[7]。

煤層氣的開發(fā)、綜合利用及發(fā)展需要新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。新機(jī)遇給了煤層氣新的機(jī)會(huì)，能源需求、煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)迫切需要加快發(fā)展煤層氣;全國(guó)煤層氣“十一五”發(fā)展規(guī)劃已頒布實(shí)施;煤層氣科技發(fā)展對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)的支撐作業(yè)逐步增強(qiáng);國(guó)務(wù)院出臺(tái)文件進(jìn)一步規(guī)范煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;煤層氣示范工程的建設(shè)與成功實(shí)施將有力推動(dòng)中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而新機(jī)遇同時(shí)也面臨的新的挑戰(zhàn)。例如煤層氣產(chǎn)業(yè)的投資嚴(yán)重不足;煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)扶持政策力度不夠;煤層氣開發(fā)與煤炭開采間的矛盾突出;煤層氣輸送管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱;社會(huì)對(duì)煤層氣的觀念上存在諸多誤區(qū)等。

6　結(jié)語(yǔ)

總之，煤層氣正受到全世界的關(guān)注，它的價(jià)值不言而喻。煤層氣的開發(fā)及綜合利用對(duì)我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的作用。機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，想要形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模， 還要及時(shí)解決發(fā)展中存在的困難和問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的分析研究。不過(guò)可以預(yù)見的是，我國(guó)即將開辟煤層氣勘探開發(fā)及綜合利用的新篇章。

[1]馮明,陳力,徐承科,李春凱.中國(guó)煤層氣資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.資源科學(xué),2007,5(3):100-104.

[2]國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心.全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià).北京:中國(guó)大地出版社,2009:256.

[3]秦勇,袁亮等.我國(guó)煤層氣勘探與開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向.煤炭科學(xué)技術(shù),2012,10(10):1-6.

[4]黃盛初,劉文革,趙國(guó)泉.中國(guó)煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).中國(guó)煤炭,2009,1(1):5-10.

[5]孫茂遠(yuǎn),范志強(qiáng).中國(guó)煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略選擇.天然氣工業(yè),2007,3(3):1-6.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2011.北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2012.

[7]廖永遠(yuǎn),羅東坤,李婉棣.中國(guó)煤層氣開發(fā)戰(zhàn)略.石油學(xué)報(bào),2012,11 (6):1098-1102.