我國煤層氣開采及綜合利用研究進展

陳艷娜

(神華地質(zhì)勘查有限責任公司,北京 100087)

我國煤層氣開采及綜合利用研究進展

陳艷娜

(神華地質(zhì)勘查有限責任公司,北京 100087)

煤層氣又稱煤層甲烷或煤層瓦斯,是指儲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。本文介紹了我國煤層氣的資源開發(fā)利用近況,歸納了我國煤層氣勘探開發(fā)工程技術手段,分析了煤層氣綜合利用對我國發(fā)展新能源的戰(zhàn)略性意義,總結了我國煤層氣開發(fā)及綜合利用的機遇與挑戰(zhàn)。預見了我國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量為89.4×1012m3，可開采量13.5×1012m3，這已經(jīng)相當于常規(guī)天然氣儲量。美國、澳大利亞、加拿大、俄羅斯等國家已進入了工業(yè)化開采階段，我國即將開辟煤層氣勘探開發(fā)及綜合利用的新篇章[1]。

1　我國煤層氣資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國煤礦開采時，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在空氣中的化學及輻射效應不容小覷，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)價值逐漸顯現(xiàn)出來。我國是煤炭儲量、生產(chǎn)及消費大國，同時也是煤層氣儲量的大國。新一輪的全國煤層氣資源評價顯示，中國埋深小于2000m的煤層氣地質(zhì)資源量約為36.81×1012m3，相當于520×109t標煤[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個地區(qū)[1]。那么，如何合理的開發(fā)利用我國蘊藏的煤層氣資源是我們目前面對的重大課題。

我國煤層氣的勘探、開發(fā)及綜合利用進展分為3個階段:即1952-1989年礦井瓦斯抽放發(fā)展階段、1989-1995年現(xiàn)代煤層氣技術引進階段及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，對我國高效開發(fā)利用煤層氣資源，特別是針對高瓦斯礦區(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)技術發(fā)展現(xiàn)狀

鉆井技術:直井鉆井技術。針對煤儲層及其煤系低壓、低滲、吸附性強等特征，通過敏感性分析和儲層保護技術研究，形成了以空氣鉆井為核心的直井鉆井技術。

鉆井技術:多分支水平井鉆井技術。針對煤儲層及其煤系質(zhì)軟、易破碎、易坍塌等特征，通過改進鉆井循環(huán)介質(zhì)特性，形成的多分支水平井/U型井鉆井技術。 該技術集鉆井、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:叢式井鉆井技術。受地形地貌和土地局限，通過克服彎曲井段排采等技術難題，形成了以定向鉆進為核心的叢式井鉆井技術。

壓裂技術:針對煤儲層質(zhì)軟、塑性強、天然裂隙發(fā)育、吸附性強等特點，通過對煤巖石力學和水力壓裂裂縫擴展機理實驗研究以及大規(guī)模的壓裂實踐，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體系 。

排采技術:針對煤層氣井排采過程中煤粉傷害和應力敏感傷害而導致產(chǎn)量銳減等難題，通過多年的傷害機理與產(chǎn)出機理研究及大規(guī)模排采實踐，形成的排采技術體系。

氣田集輸技術:針對煤層氣集輸面臨的井口壓力超低、波動巨大等技術瓶頸，通過集輸工藝研究及多方實踐，形成了 “以低壓集輸為核心的煤層氣集輸工藝技術體系”。

3　煤層氣勘探開發(fā)工程技術進展

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

煤層氣抽采技術是煤層氣綜合利用的核心及重點。煤層氣抽采技術即是通過鉆孔方式，利用負壓抽取煤層中的瓦斯，通過管道輸送到地面，并集中儲存、利用。而抽采技術又分為井下抽采和地面抽采。井下抽采技術主要包括本煤層、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，包括本煤層抽采、保護層抽采和采空區(qū)抽采。多種方法在一個采區(qū)內(nèi)綜合使用， 使煤層氣抽采量及抽采率達到最高。而我國煤層氣地面井規(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、采動區(qū)井、多分支水平井等[4]。

通過借鑒國外煤層氣勘探開發(fā)經(jīng)驗及自我探索， 我國煤層氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20余年的發(fā)展， 已經(jīng)逐步形成了一套適合中國煤層氣地質(zhì)特點的煤層氣地質(zhì)評價和常規(guī)勘探開發(fā)工藝技術，并且取得一定進展[4]。第一，我國已經(jīng)初步形成煤層氣成藏及選區(qū)評價理論， 基本摸清了中國豐富的煤層氣資源總量，并且基本掌握煤層氣資源評價技術。例如沁水盆地和鄂爾多斯盆地。第二，我國已經(jīng)建立了煤層氣實驗室和野外測試及分析的方法、技術、指標體系等[5]。第三，我國已經(jīng)建立了煤層氣垂直井鉆井、測井、完井、壓裂增產(chǎn)和排采生產(chǎn)的工藝技術體系及相關規(guī)范。第四，我國煤層氣地面垂直井鉆井技術已經(jīng)相對成熟，在許多不同地質(zhì)構造均已取得了一定程度的成功。最后，我國煤層氣井完井等尖端技術已在試驗階段。其中包括裸眼完井技術、套管完井技術以及先期套管裸眼完井技術等頂尖技術。同時開展了一些新型的煤層氣勘探開發(fā)技術的試驗，主要包括欠平衡鉆井技術、多分支水平井技術、清潔壓裂液攜砂壓裂及氮氣泡沫壓裂技術和二氧化碳注入技術等。例如沁水盆地南部TL-003號井。

4　煤層氣的綜合利用對我國的重要意義

煤層氣的綜合利用對我國調(diào)整能源結構起到至關重要的作用。自20世紀60年代以來，石油、天然氣的消費量逐年增加，而儲量卻是有限的。截至2000年，世界一次能源消費構成比例中，煤炭、石油和天然氣分別占25%，42.8%和23%。而2011年發(fā)布的我國的能源消費結構中，煤炭所占比例更大，為68%，石油和天然氣僅占19%和4.4%[6]。這說明我國的能源結構嚴重不合理，而煤層氣的綜合利用則可以有效的改善我國以煤炭為主能的能源消費模式。

煤層氣的綜合利用可以改善生態(tài)環(huán)境，節(jié)約能源[1]。我國是煤炭儲量、開發(fā)及消費大國，煤炭的過量使用導致溫室效應、酸雨等全球性的氣候問題。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，相當于減少SO26.8× 105t。相反，若在開采煤炭的過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害， 提高經(jīng)濟效益[1]。煤層氣的主要成分CH4，約占80%。CH4有易爆炸的特點，直接排放易造成爆炸危險。1m3煤層氣相當于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的危險和污染，又可充分利用煤層氣的熱值，提高經(jīng)濟效益。

5　我國煤層氣開發(fā)極綜合利用的機遇與挑戰(zhàn)

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

為了使我國煤層氣開發(fā)及綜合利用達到預期效果，我們必須做到加強科學管理，運用經(jīng)濟評價支撐，指導合理戰(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;加大技術創(chuàng)新，尋求關鍵突破;加強基礎管網(wǎng)建設，實施管網(wǎng)準入制度[7]。

煤層氣的開發(fā)、綜合利用及發(fā)展需要新機遇、新挑戰(zhàn)。新機遇給了煤層氣新的機會，能源需求、煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境保護迫切需要加快發(fā)展煤層氣;全國煤層氣“十一五”發(fā)展規(guī)劃已頒布實施;煤層氣科技發(fā)展對煤層氣產(chǎn)業(yè)的支撐作業(yè)逐步增強;國務院出臺文件進一步規(guī)范煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;煤層氣示范工程的建設與成功實施將有力推動中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而新機遇同時也面臨的新的挑戰(zhàn)。例如煤層氣產(chǎn)業(yè)的投資嚴重不足;煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟扶持政策力度不夠;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)基礎設施薄弱;社會對煤層氣的觀念上存在諸多誤區(qū)等。

6　結語

總之，煤層氣正受到全世界的關注，它的價值不言而喻。煤層氣的開發(fā)及綜合利用對我國調(diào)整能源結構起到至關重要的作用。機遇與挑戰(zhàn)并存，想要形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模， 還要及時解決發(fā)展中存在的困難和問題，還需要進一步的分析研究。不過可以預見的是，我國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.中國煤層氣資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.資源科學,2007,5(3):100-104.

[2]國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心.全國煤層氣資源評價.北京:中國大地出版社,2009:256.

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

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

[5]孫茂遠,范志強.中國煤層氣開發(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]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2011.北京:中國統(tǒng)計出版社,2012.

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