我國煤層氣的開發(fā)與利用

李朝陽，彭 磊，喬偉彪，劉勇峰，劉林遠，賈曉琳

(1.中國石油集團工程設計有限責任公司 西南分公司，四川 成都 610041;2.中機國際工程設計研究院有限公司 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識、成分與常規(guī)天然氣基本相同、是在成煤過程中生成并儲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。我國雖然是第三大煤層氣儲藏國，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:一是我國煤層開采條件差;二是開發(fā)技術落后［10－12］。目前世界各國進入對煤層氣開發(fā)利用的高潮，美國等西方國家已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化的煤層氣開發(fā)，我國也已經(jīng)進入煤層氣產(chǎn)業(yè)化初級階段，但絕大部分礦區(qū)技術問題需要解決［13－17］。煤層氣開發(fā)是一種高投入、高技術、高風險的產(chǎn)業(yè)，煤層氣必將成為一種新型的戰(zhàn)略資源［18－19］。因此研究其相關的基礎理論及勘探開發(fā)技術尤為重要，同時開發(fā)利用煤層氣在煤礦瓦斯安全和保護環(huán)境方面具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 國外煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代美國率先取得了煤層氣商業(yè)開發(fā)成功，2004年年產(chǎn)煤層氣超過我國同年天然氣年產(chǎn)量，達500億m3。加拿大、俄羅斯、澳大利亞等國家近年來煤層氣產(chǎn)業(yè)探索出了適合本國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 國內(nèi)煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代我國煤層氣開始探索地面勘探開發(fā)。我國埋深在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，探明煤層氣地質(zhì)儲量2000×108m3。已開采4 000余口煤層氣井，年開采煤層氣10×108m3，但我國煤層氣開發(fā)僅有遼寧的阜新、鐵法礦區(qū)接近發(fā)達國家水平。

2 我國煤層氣資源及特征

我國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

我國各煤田煤層含氣性差異較大，根據(jù)中國實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個品級。我國煤層氣除滇藏煤層氣聚氣區(qū)以外的其它4個煤層氣聚氣區(qū)一般屬于含氣和富氣。

3 我國煤層氣可采性分析

3.1 中國煤層氣目前主要開采技術

中國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、費用低等優(yōu)點，但抽出率低。低透氣性煤層，可采高效率鉆機，密集鉆孔，強力抽放，以及人為卸壓措施強化抽出。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 我國歷年煤層氣開采量分析

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

3.3 中外煤層氣開采技術產(chǎn)生差距的主要原因與對策分析

我國的煤層氣地質(zhì)情況復雜。我國中新生代巖漿，尤其是燕山期巖漿具有沿多個緯向構造帶和北東－北北方向構造帶侵入的方向性。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)的煤在煤級提高時煤層發(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移性，致使所含煤層氣長期逸散而殘余量不多;煤層經(jīng)長時期壓實，滲透率低，不利于成藏。我國有近1 500個縣存在煤資源，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。我國煤層氣資源量的增加和勘探區(qū)的選擇，應首先分析煤的疊加變質(zhì)作用對煤層氣成藏機理;其次要在區(qū)域巖漿熱變質(zhì)煤中尋找煤層氣勘探區(qū);再次應重視西北地區(qū)低煤級煤。

4 煤層氣選區(qū)評價技術

我國煤層氣的選區(qū)評價主要以美國的選區(qū)標準為參考，國內(nèi)勘探單位制定了各自不同的評價標準。該標準針對中階煤制定，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、寧武盆地等地對煤層氣資源的不斷探索勘探開發(fā)，我國煤層氣開發(fā)勘探技術不斷進步。但當前我國煤層氣開發(fā)尚未形成適合我國煤層氣資源開發(fā)的勘探開發(fā)技術。

我國煤層氣選區(qū)技術主要包括以下幾種:

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

(2)清水攜砂壓裂技術，適合于儲層應力較差、富含水份，內(nèi)外生裂隙極其發(fā)育的煤層，對煤層傷害程度較低;

(3)清潔壓裂液攜砂壓裂適合的儲層與清水攜砂壓裂基本相同，其攜砂能力更強，但相應費用也較高;

(4)氮氣泡沫壓裂技術主要適合于水分含量少，水敏性強，內(nèi)外生裂隙發(fā)育但很致密的煤層。氮氣泡沫壓裂井的氣產(chǎn)量是水力攜砂壓裂井氣產(chǎn)量的3倍左右;

(5)欠平衡鉆井技術適用于高滲弱膠結地層;含有對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，具有減輕儲層傷害，提高鉆井效率，降低鉆井成本;避免井漏等特點。

(6)多分支水平井適用于低壓、低滲透率、低流體動能的煤儲層。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)洞穴完井技術常適合于低階煤煤層氣開發(fā)。

5 我國煤層氣行業(yè)存在的主要問題

我國缺乏國家統(tǒng)一計劃來開發(fā)勘探煤層氣資源，加之管理責任不明確，使煤層氣開發(fā)項目手續(xù)復雜。如何劃分資源，最優(yōu)化資源以保證煤層氣項目正常進行，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)變動的特殊性，中國煤層氣輸送管網(wǎng)少，缺少一套完整的天然氣網(wǎng)絡和健全的配套基礎設施，制約了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國煤層氣開發(fā)國家經(jīng)濟支持有待提高。煤層氣開發(fā)存在投入高、難度大、單井產(chǎn)量低、投資回收期長等特點，煤層氣產(chǎn)業(yè)競爭力相比天然氣產(chǎn)業(yè)競爭力較低。這就需要國家加快煤層氣產(chǎn)業(yè)優(yōu)惠政策的制定。

6 我國煤層氣勘探開發(fā)前景展望

我國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)實踐，中國煤層氣勘探已經(jīng)取得了很大進展。不光在地質(zhì)理論、勘探技術和煤層氣資源評價等方面獲得了大量成果，而且在試驗區(qū)獲得了可喜的成果。

未來我國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)應用。開發(fā)利用煤層氣不僅能緩解溫室效應，同時可改善煤礦生產(chǎn)條件、遏制礦井瓦斯災害的發(fā)生。目前我國天然氣缺口巨大，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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