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        安徽省煤層氣勘查開(kāi)發(fā)進(jìn)展與發(fā)展方向

        2022-08-13 01:59:30劉春孫貴陳伯年葉敏武敬媛石龍
        安徽地質(zhì) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:礦權(quán)煤田煤層氣

        劉春,孫貴,陳伯年,葉敏,武敬媛,石龍

        [1.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心,安徽合肥 230000;2.安徽煤田地質(zhì)局勘查研究院,安徽合肥 230000;3.淮河能源集團(tuán)煤層氣公司,安徽淮南 232000;4.英發(fā)能源公司(金禧國(guó)際全資公司),安徽宿州 234000]

        0 引言

        煤層氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)對(duì)緩解我國(guó)能源緊缺局面、煤礦安全問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題意義重大,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前,世界上主要產(chǎn)煤國(guó)都在積極開(kāi)展煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工作,美國(guó)、加拿大、澳大利亞等少數(shù)國(guó)家經(jīng)歷了長(zhǎng)期的勘查和開(kāi)發(fā),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā);中國(guó)正在開(kāi)展大規(guī)模煤層氣勘查開(kāi)發(fā)試驗(yàn),復(fù)雜的地質(zhì)條件決定我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)任務(wù)的艱巨性,目前只在沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)上億立方米的大型氣田,形成了兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地。安徽省煤層氣資源豐富,在全國(guó)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)格局中占有重要位置,經(jīng)過(guò)20多年的調(diào)查試驗(yàn),近年取得了重要進(jìn)展。

        1 兩淮煤田煤層氣資源狀況

        安徽省煤炭資源豐富,主要分布在兩淮地區(qū),俗稱(chēng)“兩淮煤田”,主要含煤段為二疊系,截至2020年底,兩淮煤田保有煤炭資源量300 億噸,與之伴生的煤層氣資源也很豐富,據(jù)估算,兩淮煤田-2000 m 以淺煤層氣預(yù)測(cè)資源量為8984.7 億m3,其中淮南煤田為5008.3億m3,淮北煤田為3976.4億m3[1]。

        兩淮煤田成煤后發(fā)生過(guò)多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致構(gòu)造煤發(fā)育,煤體結(jié)構(gòu)破碎;煤巖壓實(shí)作用強(qiáng)烈,儲(chǔ)層物性差,致密低滲。煤層氣賦存特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)不同區(qū)域含氣性變化較大,且具規(guī)律性?;茨厦禾镔x煤構(gòu)造為一近東西向延展的復(fù)向斜,可采煤層最大厚度達(dá)34 m,煤層氣含量豐度較大,主采煤層11-2 煤和13-1 煤瓦斯最高含量為12~15 m3/t,煤田煤層氣含量總體是東高西低,全煤田有3 個(gè)高瓦斯含量區(qū),分別為謝李區(qū)、潘集深部區(qū)、謝橋張集深部區(qū)。

        淮北煤田煤層氣含量總體表現(xiàn)為南高北低、東高西低趨勢(shì),以宿北斷裂為界,北部濉蕭礦區(qū)煤層氣含量較低,多數(shù)達(dá)不到4 m3/t,北部區(qū)基本上沒(méi)有煤層氣勘探前景。南部宿縣礦區(qū)、臨渙礦區(qū)煤層氣較富集,且含量又自東向西降低,至渦陽(yáng)礦區(qū),煤層氣平均含量小于4 m3/t。

        (2)構(gòu)造煤發(fā)育。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)(構(gòu)造煤厚度比例>20%)占含煤面積的40%左右,如潘集礦區(qū)為40%,謝李礦區(qū)為50%,張集、新集礦區(qū)為25%等[2]。

        (3)儲(chǔ)層滲透率較低。現(xiàn)有的煤層試井滲透率為0.002~3.21 mD[1],在地域和層域上均變化較大,儲(chǔ)層滲透率較低,總體小于1 mD。目前開(kāi)采工藝所容許的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),只在局部區(qū)域,煤層的滲透率分別達(dá)到了3.21 mD 和2.1 mD。而美國(guó)煤層氣的滲透率普遍在10 mD以上[3]。

        2 勘查開(kāi)發(fā)進(jìn)展

        兩淮煤田煤層氣地面抽采試驗(yàn)工作始于20 世紀(jì)90年代,主要施工煤層氣參數(shù)井和少量排采試驗(yàn)井,主要技術(shù)手段為直井壓裂抽采。勘查主力是我省國(guó)有煤礦企業(yè),起初是開(kāi)展煤層氣地面抽采試驗(yàn),效果不佳,后來(lái)結(jié)合煤礦瓦斯治理的需要,采用井上井下結(jié)合,抽采采動(dòng)卸壓區(qū)、采空區(qū)瓦斯,創(chuàng)立“一井三用”模式,取得了較好效果;其次是在我省登記的煤層氣礦權(quán)人,如中聯(lián)公司等,主要開(kāi)展煤層氣地面抽采試驗(yàn),大部分探礦權(quán)區(qū)塊進(jìn)展緩慢,近年部分區(qū)塊取得了重要進(jìn)展。

        2.1 煤層氣企業(yè)最新勘查進(jìn)展

        兩淮煤田目前有煤層氣探礦權(quán)9 宗(已注銷(xiāo)2宗),探礦權(quán)總面積2788.9 km2,基本是2000年前后登記的,至今已有20年(圖1)??傮w來(lái)說(shuō),2018年以前,由于地質(zhì)、施工技術(shù)及合同糾紛等因素,純粹采用地面勘查的礦權(quán)人總體投入不足,進(jìn)展緩慢。近些年,隨著常用于石油、頁(yè)巖氣勘查的水平井和水平分段壓裂技術(shù)在煤層氣勘查中的應(yīng)用,以及排采技術(shù)的提高,中聯(lián)公司在宿州區(qū)塊、淮南礦業(yè)集團(tuán)在自有礦區(qū)內(nèi)的潘謝區(qū)塊、新集區(qū)塊開(kāi)展煤層氣地面抽采試驗(yàn)取得了較大進(jìn)展,顯示較好的開(kāi)發(fā)前景。另外,為促進(jìn)我省煤層氣勘查開(kāi)發(fā),我省在2021年度地勘基金項(xiàng)目中首次設(shè)立了“淮南謝家集-上窯煤層氣預(yù)探”項(xiàng)目,先期投資近1600萬(wàn)元,即將施工?,F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹重要進(jìn)展項(xiàng)目。

        2.1.1 淮北煤田宿州區(qū)塊煤層氣勘查區(qū)塊

        礦權(quán)人為北京中聯(lián)公司,合作勘查方為英發(fā)能源公司。據(jù)礦權(quán)人介紹:該區(qū)塊2008—2020年累計(jì)投入2.1億元。截至2021年9月,新鉆井36口(組),壓裂和試產(chǎn)井20口,未壓裂試產(chǎn)的直井11口;水平井組3組;目前還在排采的井5口。

        按所處的不同構(gòu)造單元,勘查區(qū)分為兩個(gè)區(qū)塊(圖2):

        圖2 宿州區(qū)塊煤層氣勘查區(qū)示意圖Figure 2. Sketch of coalbed methane exploration areas in the Suzhou block

        蘆嶺區(qū)塊,面積23 km2,位于宿東向斜內(nèi),該向斜為徐宿逆沖推覆構(gòu)造南部前緣的一個(gè)逆沖巖席,煤層埋藏較淺,構(gòu)造封閉條件較好,煤層氣不易散逸。8煤為主力煤層,單層厚8~12 m,埋深600~1000 m,含氣量平均9~10 m3/t。截至2021年,施工各類(lèi)鉆井15口(組)。探明煤層氣儲(chǔ)量31.6 億m3,技術(shù)可采儲(chǔ)量15.8 億m3,先后有10 口井進(jìn)行排采試驗(yàn),直井日產(chǎn)氣量在500~2000 m3。區(qū)內(nèi)施工3 組水平井(圖3),當(dāng)前CLG20HL-01 水平井日產(chǎn)氣量3000 m3左右。目前蘆嶺區(qū)塊正在做開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備,將申請(qǐng)開(kāi)采備案。

        圖3 L型水平井示意圖Figure 3. Sketch of the L-shaped horizontal well

        宿南南部區(qū)塊,含煤8~15層,單層厚度1.5~5 m,總體為向斜構(gòu)造。煤層埋深500~2000 m。煤層氣含氣量7~10 m3/t。目前宿南區(qū)塊勘探取得了階段性進(jìn)展,施工各類(lèi)煤層氣探井21口,其中13口進(jìn)行壓裂改造和排采試驗(yàn)。單井日產(chǎn)氣量500~1300 m3。2020年底壓裂投產(chǎn)的3 口井產(chǎn)氣量都超過(guò)預(yù)期,其中CSN14V-01 井創(chuàng)造日產(chǎn)超2000 m3的記錄,其它2 口井在1000 m3左右并基本保持穩(wěn)定,3口井的產(chǎn)氣效果對(duì)宿南區(qū)塊的勘探是個(gè)突破。宿州區(qū)塊煤層氣勘查范圍與生產(chǎn)煤礦存在較大重疊(圖2),需要做好協(xié)調(diào)工作。

        2.1.2 淮南潘謝區(qū)塊、新謝區(qū)塊煤層氣勘查

        淮南礦業(yè)集團(tuán)于2018年和2019年在自有生產(chǎn)煤礦——新莊孜、謝家集一礦、潘一、潘二等煤礦采礦權(quán)范圍內(nèi)增設(shè)的煤層氣礦權(quán),面積合計(jì)128.7 km2。自2019年開(kāi)始,集團(tuán)公司積極與中原石油開(kāi)展技術(shù)合作,借鑒頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù),首次在淮南礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行煤層氣水平井開(kāi)采試驗(yàn),目前共施工6口水平井,分別在13-1 煤、8 煤、1 煤層頂(底)板施工L型水平井,并進(jìn)行壓裂和排采試驗(yàn)。6 口井總投資1.8 億元,目前5 口井產(chǎn)氣,最高單井日產(chǎn)氣量1519 m3,截至2021年10月累計(jì)產(chǎn)氣97 萬(wàn)m3,標(biāo)志著淮南礦區(qū)地面煤層氣開(kāi)發(fā)是可行的。同時(shí),集團(tuán)公司建成了望峰崗和潘集煤層氣加工中心,產(chǎn)出的煤層氣從井口輸送至加工中心,對(duì)其進(jìn)行除塵、脫水、加壓處理后,并入城市天然氣管網(wǎng)供居民使用。

        2.2 煤炭企業(yè)煤層氣(瓦斯)抽采利用現(xiàn)狀

        2.2.1 抽采現(xiàn)狀

        20世紀(jì)90年代,煤層氣開(kāi)發(fā)出現(xiàn)熱潮,兩淮礦業(yè)集團(tuán)在不同地區(qū)開(kāi)展了煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn),以解決煤礦瓦斯突出為主要目的,施工了一些地面瓦斯抽排試驗(yàn)井,但由于技術(shù)、設(shè)備等條件不足,試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果。

        2000年以來(lái),在強(qiáng)化瓦斯治理,確保煤炭安全開(kāi)采的同時(shí),投入大量的資金和人力,加強(qiáng)了煤與瓦斯(煤層氣)共采技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐,形成了煤、氣共采技術(shù)體系,瓦斯抽出量增幅較大。近年來(lái)積極探索井下與地面相結(jié)合、抽采與利用相結(jié)合的思路,提出了“一井三用”的煤氣共采技術(shù)[4],主要對(duì)煤層的原位區(qū)、采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)煤層氣進(jìn)行抽采,實(shí)現(xiàn)地面壓裂井(原位區(qū))→采動(dòng)區(qū)井→采空區(qū)井,“一井三用”最大限度地抽采煤層氣,達(dá)到瓦斯治理、煤與煤層氣(瓦斯)共采的目標(biāo)。事實(shí)證明,對(duì)采動(dòng)卸壓區(qū)煤層氣抽采是低滲透率煤儲(chǔ)層煤層氣開(kāi)發(fā)的最有效途徑之一[5]。

        如淮北礦業(yè)集團(tuán)在蘆嶺煤礦施工有7 口“一井三用”抽采試驗(yàn)井,2008年4 月開(kāi)始產(chǎn)氣,有一口高產(chǎn)井(LG6)最高單井日產(chǎn)氣量達(dá)到3000 m3以上,其余井日產(chǎn)氣量在400~500 m3;2010年,中煤科工集團(tuán)西安研究院攜手淮北礦業(yè)集團(tuán)依托國(guó)家“十一五”重大專(zhuān)項(xiàng),在蘆嶺礦的采煤規(guī)劃接替區(qū)施工5 口煤層氣地面壓裂井組,2010年12 月開(kāi)始排采至2012年5 月底,單井日產(chǎn)氣量230~3100 m3,累計(jì)產(chǎn)氣193 萬(wàn)m3。

        淮南礦業(yè)集團(tuán)在煤層氣地面排采試驗(yàn)取得重要參數(shù)的基礎(chǔ)上,于2021年在顧橋、朱集東、潘二3個(gè)礦井共施工了12 口地面瓦斯治理井,分別對(duì)11-2 煤、13-1 煤、3 煤進(jìn)行地面預(yù)抽煤層氣,確保高瓦斯煤層在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下開(kāi)采。目前已有11 口井完井,其中3口井已完成壓裂,2021年底前可全部進(jìn)行排采。

        2.2.2 瓦斯利用現(xiàn)狀

        兩淮煤田煤層氣較大規(guī)模利用是從2002年開(kāi)始的,隨著煤層氣開(kāi)采總量的增加,以及國(guó)家對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)利用出臺(tái)了一些鼓勵(lì)政策,煤層氣利用和環(huán)境保護(hù)被提高到重要的議事日程,國(guó)有煤礦集團(tuán)高度重視,把煤層氣作為一種能源來(lái)開(kāi)采。例如,“十三五”期間,淮南礦業(yè)集團(tuán)總抽采量達(dá)到21.1 億m3,瓦斯利用量7.9億m3,抽采利用率35%左右,發(fā)電量14.6億度(表1),煤礦瓦斯抽采率近年來(lái)均在50%以上,達(dá)到了較高水平。目前,安徽省煤礦瓦斯利用主要是瓦斯發(fā)電、民用燃?xì)獾?,其中瓦斯發(fā)電量約占煤礦瓦斯利用量的90%以上。

        表1 “十三五”期間淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯抽采利用情況Table 1. Gas extraction and utilization by Huainan Mining Group during the 13th Five-Year Plan period

        3 存在的問(wèn)題

        (1)地面抽采煤層氣難度較大,關(guān)鍵技術(shù)有待突破。煤層氣產(chǎn)業(yè)面臨的最大困擾就是煤層氣資源量雖大,但是有效開(kāi)采難度大,共性關(guān)鍵技術(shù)尚待完全突破,國(guó)外技術(shù)并不適用于中國(guó)獨(dú)特的地質(zhì)條件,必須與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相結(jié)合,對(duì)技術(shù)進(jìn)行改造,形成適合的技術(shù),才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)[6]。

        (2)不同主體的煤炭、煤層氣礦權(quán)重疊問(wèn)題。礦權(quán)重疊的根本原因是以前煤炭礦權(quán)和煤層氣礦權(quán)實(shí)行獨(dú)立的審批登記制,同一礦區(qū)的煤炭和煤層氣礦業(yè)權(quán)可能分屬不同礦權(quán)人。煤炭和煤層氣的開(kāi)發(fā)技術(shù)和規(guī)范要求各不相同,實(shí)際工作中易產(chǎn)生糾紛。

        (3)勘查投入不足,部分煤層氣礦權(quán)人存在圈而不探現(xiàn)象。除去其他諸多因素,足夠的勘探開(kāi)發(fā)投入是煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的充分條件[7]??傮w來(lái)看,省內(nèi)不少煤層氣礦權(quán)人勘查投入低,進(jìn)展緩慢。目前,煤層氣礦權(quán)管理已下放省廳,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)礦權(quán)重疊和圈而不探現(xiàn)象的管理。

        (4)瓦斯利用率有待進(jìn)一步的提高。目前,主要礦業(yè)集團(tuán)的井下瓦斯抽采利用率只有35%左右,還有較大的上升潛力,應(yīng)加大對(duì)低濃度瓦斯的利用投入,以及地面抽采點(diǎn)的管網(wǎng)建設(shè)。

        4 發(fā)展方向及建議

        (1)以國(guó)有煤礦企業(yè)為主體,優(yōu)先鼓勵(lì)支持礦區(qū)煤層氣勘查開(kāi)發(fā),大力推行“一井三用”的礦區(qū)煤層氣勘查模式,應(yīng)是我省今后一段時(shí)間的主要發(fā)展方向。

        目前,煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)還不夠成熟,單純的由地面勘查抽采,投入大、風(fēng)險(xiǎn)高,較難具備商業(yè)價(jià)值,這也是我省許多煤層氣礦權(quán)人投入不足的主要原因。因此,我省煤層氣勘查應(yīng)循序漸進(jìn),由易到難,由淺到深,只有在煤層氣鉆井、壓裂、排采技術(shù),尤其是深部煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)突破后,才具有地面煤層氣開(kāi)發(fā)的商業(yè)價(jià)值。

        實(shí)踐證明,結(jié)合煤礦采動(dòng)區(qū)和采空區(qū),結(jié)合礦井瓦斯綜合治理,通過(guò)地面、井下相結(jié)合的方式開(kāi)展煤礦“三區(qū)”煤層氣開(kāi)發(fā)利用,不僅具有較好的開(kāi)發(fā)前景和經(jīng)濟(jì)效益,而且還具有重要的環(huán)境效益和社會(huì)效益。煤層氣的開(kāi)發(fā)能從根本上杜絕瓦斯爆炸,保障煤礦及煤礦工人的安全;另外,煤層氣開(kāi)發(fā)極大減少溫室氣體甲烷的排放,保護(hù)了大氣環(huán)境。如果不抽采煤層氣,其就會(huì)在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,逐漸釋放到大氣中,而甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的幾十倍,對(duì)大氣環(huán)境的破壞更嚴(yán)重,因此,開(kāi)展礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)意義重大。

        生產(chǎn)煤礦本身勘查程度高,不需要大量的前期勘查投入,可以直接進(jìn)行煤層氣參數(shù)井和排采井施工;煤炭和煤層氣兩種資源的共伴生關(guān)系,也決定了只有以煤礦企業(yè)為主體,才能更好地做到采煤、采氣在空間布局、時(shí)間安排、技術(shù)方案、瓦斯利用上的合理銜接,更好地體現(xiàn)采煤采氣一體化、“先采氣后采煤”的政策初衷。

        (2)我省煤層氣處于開(kāi)發(fā)初級(jí)階段,并取得了重要進(jìn)展,政府應(yīng)繼續(xù)加大補(bǔ)貼力度,制訂優(yōu)于常規(guī)天然氣的經(jīng)濟(jì)扶持政策[8],同時(shí)優(yōu)化煤層氣礦權(quán)的設(shè)置,以增強(qiáng)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

        5 結(jié)語(yǔ)

        安徽省煤層氣資源豐富,開(kāi)發(fā)前景廣闊,經(jīng)過(guò)20多年的不斷探索,近年來(lái)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)取得了重要進(jìn)展。根據(jù)兩淮煤田煤層氣賦存特征,通過(guò)研究單純的地面煤層氣勘查試驗(yàn)進(jìn)展,以及井下井上相結(jié)合的勘查開(kāi)發(fā)進(jìn)展,分析了目前面臨的主要問(wèn)題,提出了今后省內(nèi)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)方向應(yīng)以國(guó)有煤礦集團(tuán)為主體,政府應(yīng)繼續(xù)保持和加大政策扶持力度,優(yōu)先支持礦區(qū)煤層氣(瓦斯)勘查開(kāi)發(fā),逐步實(shí)現(xiàn)煤層氣地面勘查開(kāi)發(fā)的技術(shù)突破。

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