問題探討與綜述山西省煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

李德慧，李國富，劉亮亮，徐 云，常會珍，王旭超，張永成，張江華，張 為

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000；3.晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000；4.中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120)

我國煤及煤層氣資源豐富，預(yù)測2 000 m以淺埋深的煤炭資源總量為5.9×1012t[1]，煤層氣地質(zhì)資源量為30.05×1012m3，煤層氣可采資源量為12.50×1012m3，其中埋深1 500 m以淺的煤層氣可采資源量達(dá)8.77×1012m3[2-3]。在煤礦安全生產(chǎn)嚴(yán)格要求、天然氣供應(yīng)緊張和全球氣候變暖的背景下，國家愈發(fā)重視煤層氣(瓦斯)的開發(fā)利用，近年出臺了一系列扶持政策，促進(jìn)了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[4-5]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：2020年11月我國煤層氣產(chǎn)量為9×108m3，同比增長3.1%；2020年1—11月我國煤層氣累計(jì)產(chǎn)量為89.5×108m3，累計(jì)增長7.4%。

我國眾多學(xué)者對煤礦煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用進(jìn)行了分析研究，郭繼圣等在總結(jié)我國2011—2015年煤層氣開發(fā)利用、煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了影響我國煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一系列問題，對我國煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，并從體制機(jī)制、科技創(chuàng)新、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式等方面提出了相關(guān)建議[6]；胡千庭等研究了煤礦區(qū)地面采動井抽采技術(shù)進(jìn)展、應(yīng)用效果和發(fā)展前景，針對煤礦區(qū)煤層氣濃度特點(diǎn)，分析了完整的產(chǎn)業(yè)化方案及技術(shù)發(fā)展情況[7]；申寶宏等通過對我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用基礎(chǔ)理論、技術(shù)裝備、工程示范進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，分析了現(xiàn)階段我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用在資源條件、抽采效果、利用水平等方面的現(xiàn)狀和問題，提出了“十三五”煤層氣(瓦斯)技術(shù)裝備的需求和發(fā)展方向[8]。山西省煤炭及煤層氣資源豐富，2020年上半年山西原煤產(chǎn)量以4.88×108t高居全國榜首；根據(jù)山西省煤層氣資源勘查開發(fā)規(guī)劃(2016—2020年)顯示，山西省煤層氣資源調(diào)查評價(jià)全省埋深2 000 m以淺的含氣面積為3.59×104km2，預(yù)測資源量約為8.31×1012m3，占全國的27.7%。山西省煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過10余年探索，已形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、商業(yè)化開發(fā)，有效地緩解了礦井瓦斯防治難題，提高了清潔能源的供應(yīng)能力，減少了溫室氣體的排放[9-10]。

在山西省能源革命推動的國企改革背景下，筆者通過對山西省煤層氣(瓦斯)的開發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，指出山西省煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題及發(fā)展方向，并提出了一系列煤層氣(瓦斯)高效開發(fā)利用的相關(guān)建議，以促進(jìn)山西省煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)化健康可持續(xù)化發(fā)展，同時(shí)也為全國其他省份煤礦區(qū)煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 山西省瓦斯開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 山西省瓦斯地質(zhì)特征

山西省地處華北板塊中部，晚古生代以來共經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅山三期構(gòu)造運(yùn)動，形成了燕山期大同盆地、河?xùn)|盆地、寧武盆地、沁水盆地等4個聚氣盆地構(gòu)造格局[11]。山西境內(nèi)有沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣2個高突瓦斯區(qū)和山西北部瓦斯區(qū)。其中，沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣地處華北板塊中部，屬板塊中部構(gòu)造簡單區(qū)控制型，構(gòu)造簡單，每平方千米不足5條斷層，構(gòu)造煤不發(fā)育，利于煤層氣抽采，包含突出礦井15對，高瓦斯礦井85對；而山西北部瓦斯區(qū)屬區(qū)域構(gòu)造隆起剝蝕控制型，受構(gòu)造隆起、地層剝蝕影響，瓦斯發(fā)生大量逸散，包含高瓦斯礦井9對，瓦斯礦井57對[12-13]。晉城市、陽泉市、晉中市、呂梁市、臨汾市等區(qū)域內(nèi)瓦斯事故高發(fā)煤礦區(qū)正是處于沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩個高突瓦斯區(qū)內(nèi)，這與瓦斯地質(zhì)條件基本符合[14-18]。

1.2 地面煤層氣開發(fā)利用情況

近年山西省加快了沁水盆地和鄂爾多斯東緣兩個煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)，2011—2015年間，山西省新增探明地質(zhì)儲量3 372.52×108m3，累計(jì)探明地質(zhì)儲量達(dá)5 858.95×108m3[6]。

截至2019年10月，山西省累計(jì)施工煤層氣井(含致密砂巖氣、頁巖氣)15 000余口，建成地面產(chǎn)能95.0×108m3/a，2018年煤層氣(含致密砂巖氣、頁巖氣)地面產(chǎn)量達(dá)到56.5×108m3，利用量51.0×108m3，煤層氣利用率約為90.3%[19-20]。據(jù)山西省能源局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2019年山西省煤層氣產(chǎn)量71.4×108m3，增長26.4%；利用量66.1×108m3，增長29.6%。當(dāng)前，山西兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地——沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣已初具規(guī)模。

山西省建設(shè)了高度發(fā)達(dá)的燃?xì)夤芫W(wǎng)，截至2020年底，山西省天然氣管道長度達(dá)8 610 km，形成“三縱十一橫”的輸氣管網(wǎng)格局，覆蓋率遠(yuǎn)超全國天然氣管網(wǎng)密度平均水平，產(chǎn)出的煤層氣輸送以管道氣為主(占67%)、LNG為輔(占30%)、CNG很少(約占3%)。目前，山西省境內(nèi)已建成西氣東輸、陜京一線、陜京二線、陜京三線、榆(林)濟(jì)(南)線等東西向的國家級跨區(qū)域管線，在沁水氣田至西氣東輸一線連接線等輸氣主干管網(wǎng)中，中海油建設(shè)的神木(陜西)—安平(河北)管線預(yù)計(jì)2021年底全線通氣，過境管線總長度逾2 000 km[19]。形成了集煤層氣勘探、開發(fā)、輸送、液化壓縮、銷售、物流、利用、工程服務(wù)、裝備制造、民用燃?xì)?、工業(yè)燃料、汽車燃料、瓦斯發(fā)電于一體的產(chǎn)業(yè)體系。當(dāng)前已建、在建儲氣設(shè)施容量達(dá)到1.4×108m3。

1.3 煤礦瓦斯開發(fā)利用現(xiàn)狀

截至2018年底，山西省高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井共有287座，其中高瓦斯礦井237座、煤與瓦斯突出礦井50座，247座礦井進(jìn)行了煤礦瓦斯抽采。地面固定瓦斯抽采泵站高負(fù)壓抽采系統(tǒng)年抽采瓦斯量34.04×108m3；低負(fù)壓抽采系統(tǒng)年抽采瓦斯量28.26×108m3；井下移動泵站年抽采瓦斯量2.26×108m3，井下移動泵站抽采的瓦斯直接排入回風(fēng)巷中，隨礦井通風(fēng)排入大氣。2016—2018年，山西省煤礦瓦斯抽采總量累計(jì)190.59×108m3，約占全國瓦斯抽采量的50%。

2018年山西省煤礦抽采瓦斯64.6×108m3，其中地面固定泵站抽采瓦斯總量為62.3×108m3，井下移動泵站抽采瓦斯總量為2.3×108m3，煤礦瓦斯抽采率52.7%；年抽采量大于1×108m3的礦井11座，年抽采量為0.5×108～1×108m3的礦井13座，年抽采量為0.1×108～0.5×108m3的礦井97座，年抽采量為0.1×107～0.1×108m3的礦井106座，年抽采量小于 0.1×107m3的礦井20座。

據(jù)各集團(tuán)和地市上報(bào)的2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，山西省瓦斯礦井年風(fēng)排瓦斯量58.99×108m3，風(fēng)排瓦斯平均濃度0.2%(CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)[20]?！笆濉币詠?，截至2018年底，全國煤礦瓦斯利用總量累計(jì)152.09×108m3，山西煤礦瓦斯利用總量累計(jì)76.3×108m3，約占全國利用量的50%。2016—2018年煤礦瓦斯利用量見圖1。

圖1 2016—2018年煤礦瓦斯利用量

2018年，山西省瓦斯利用量27.6×108m3，利用率42.8%，主要涉及瓦斯發(fā)電、民用、礦井瓦斯鍋爐燃用等方面，其中瓦斯發(fā)電年利用瓦斯量18.7×108m3，占67.8%；居民用戶30.4萬戶，居民生活瓦斯用量5.2×108m3，占18.7%；礦井瓦斯鍋爐等其他瓦斯用量3.7×108m3，占13.5%。30%以上高濃度瓦斯利用量16.9×108m3，利用率63.2%,主要用于居民生活、瓦斯鍋爐、氧化鋁焙燒和陶瓷燒制生產(chǎn)等；低濃度瓦斯利用量10.7×108m3，利用率29.2%，全部用于瓦斯發(fā)電[20]。

截至2018年底，山西省共有煤礦瓦斯發(fā)電廠141座，分布在晉城、臨汾、長治、呂梁、晉中、陽泉、太原和忻州等8個地市。其中，已建成投產(chǎn)瓦斯電廠131座、乏風(fēng)氧化電廠 2座，在建瓦斯電廠8座，總裝機(jī)容量1.6×106kW，已建成裝機(jī)容量1.46×106kW，在建裝機(jī)容量1.4×105kW。截至2018年底山西省煤礦瓦斯電站分布及裝機(jī)容量見圖2。

圖2 截至2018年底山西省煤礦瓦斯電站分布及裝機(jī)容量

2 煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用存在的問題

2.1 煤層氣(瓦斯)燃燒排空量大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施難以實(shí)現(xiàn)高效利用、集輸調(diào)峰能力弱

山西省輸氣管線已初步形成“三縱十一橫”的輸配管網(wǎng)格局，擁有燃?xì)膺^境管線的企業(yè)有中石油、中海油和中石化，其中省內(nèi)企業(yè)有新成立的華新燃?xì)饧瘓F(tuán)，現(xiàn)有氣源資源下載口基本能夠滿足省內(nèi)需求。但在山西省內(nèi)從事煤層氣地面勘探開發(fā)的企業(yè)眾多，而中游管網(wǎng)主要集中在少數(shù)企業(yè)手中，雖然各企業(yè)內(nèi)部基本實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，但向第三方企業(yè)進(jìn)行公平開放的動力不足，無法實(shí)現(xiàn)已有管網(wǎng)的高效利用，燃?xì)馄髽I(yè)為爭取下游市場，重復(fù)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致投資成本嚴(yán)重增加，管網(wǎng)運(yùn)行效率較低。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，具有完善管道輸配系統(tǒng)的煤層氣企業(yè)，煤層氣利用率普遍較高，一般在96%以上；而地面煤層氣輸配設(shè)施建設(shè)較弱的開發(fā)企業(yè)，受季節(jié)影響導(dǎo)致供需兩端不匹配，富裕煤層氣難以高效利用，只能進(jìn)行排空及火炬燃燒，2016—2018年山西省煤層氣排空總量及火炬燃燒總量見圖3。山西省當(dāng)前已建、在建儲氣設(shè)施容量只有1.4×108m3，煤層氣的供需不平衡現(xiàn)象仍普遍存在，在管網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通及儲氣調(diào)峰設(shè)施不足的情況下，導(dǎo)致存在大量放空和火炬燃燒的現(xiàn)象。

圖3 2016—2018年山西省煤層氣排空總量及

以山西省晉城市為例，該市是山西省內(nèi)擁有煤層氣勘探開發(fā)企業(yè)最多的地市，市內(nèi)管道密度領(lǐng)先于全省其他地市，但仍然存在氣源與管網(wǎng)連接不暢、企業(yè)管線與長輸管網(wǎng)未實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通等問題；晉城市與周邊城市的外輸管道較為單一，余氣外輸能力有限；各管線主體相互獨(dú)立，管線互不連通，管輸效率較低。同時(shí)，現(xiàn)行的管網(wǎng)運(yùn)營機(jī)制阻礙了上游供氣企業(yè)與下游用戶的有效對接，管網(wǎng)開放和公平競爭程度不夠。調(diào)峰設(shè)施相對比較薄弱，除沁水、陽城縣以外，全市的液化廠、壓縮站和儲氣庫等設(shè)施建設(shè)相對滯后，調(diào)節(jié)季節(jié)性供需峰谷的能力較弱。

2.1.2 廢棄礦井采空區(qū)瓦斯開發(fā)利用難度大

隨著煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進(jìn)，大批煤礦關(guān)閉退出，采空區(qū)資源開發(fā)利用越來越受到關(guān)注，但采空區(qū)瓦斯抽采利用難度大，采空區(qū)瓦斯開發(fā)利用存在以下問題：煤礦原始資料不準(zhǔn)確、采空卸壓后地應(yīng)力復(fù)雜、采空工作面積水、抽采濃度不穩(wěn)定、布井密度低導(dǎo)致管輸費(fèi)用較高、采空井相對常規(guī)煤層氣井壽命短、地面配套設(shè)備投資大。

2.2 煤礦瓦斯利用率整體偏低，利用提升空間大

2.2.1 礦井瓦斯聯(lián)網(wǎng)難度大，難以實(shí)現(xiàn)外輸利用

因高瓦斯礦區(qū)內(nèi)礦井主體不一，各礦井內(nèi)管網(wǎng)相對獨(dú)立，高瓦斯礦井抽采的30%以上高濃度瓦斯所屬礦井主體不同，無法形成區(qū)域性管網(wǎng)，即使是區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)也無調(diào)峰能力，當(dāng)前無法實(shí)現(xiàn)不同主體之間瓦斯氣的合理計(jì)量，排空現(xiàn)象普遍。目前僅有原晉煤集團(tuán)和華陽新材料科技集團(tuán)建有區(qū)域瓦斯輸送管網(wǎng)，利用效率相對較高。

2.2.2 井下移動泵站抽采瓦斯排空引起環(huán)境污染和資源浪費(fèi)

2016—2018年，山西省井下移動泵站抽采瓦斯總量累計(jì)為5.71×108m3，直接排入回風(fēng)巷中，隨礦井通風(fēng)排入大氣，無法實(shí)現(xiàn)回收利用，造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)污染了環(huán)境。

2.2.3 風(fēng)排瓦斯量大、濃度低，利用技術(shù)難度大

2016—2018年，山西省風(fēng)排瓦斯總量累計(jì)達(dá)1.34×1010m3，但平均濃度僅為0.2%，達(dá)不到乏風(fēng)氧化維持自反應(yīng)最低濃度0.3%的要求，如何利用風(fēng)排瓦斯實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是當(dāng)前的一大難題。

3 煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用對策建議

3.1 加強(qiáng)互聯(lián)互通以促進(jìn)儲氣調(diào)峰、提高利用率

3.1.1 推進(jìn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營主體間互聯(lián)互通及儲氣調(diào)峰建設(shè)

以國家管網(wǎng)公司和華新燃?xì)饧瘓F(tuán)的成立為契機(jī)，完善天然氣管網(wǎng)接入機(jī)制，實(shí)現(xiàn)國家干線、省際管線、省內(nèi)管網(wǎng)開放程度。建立不同主體間的能量計(jì)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)省內(nèi)煤層氣間的高效利用及余氣外輸。提升區(qū)域儲氣調(diào)峰能力，優(yōu)化儲氣調(diào)峰設(shè)施建設(shè)規(guī)模及選址，提高清潔能源供應(yīng)能力及區(qū)域供氣保障能力。

3.1.2 出臺扶持政策，加強(qiáng)采空區(qū)資源開發(fā)利用

對于已滅失煤炭礦業(yè)權(quán)的采空區(qū)，采用招標(biāo)方式出讓采空區(qū)瓦斯資源。鼓勵煤炭企業(yè)與地面煤層氣抽采企業(yè)聯(lián)合開發(fā)利用煤炭礦業(yè)權(quán)范圍內(nèi)的采空區(qū)，促進(jìn)采空區(qū)抽采的瓦斯進(jìn)入地面煤層氣抽采企業(yè)的地面輸氣管道，以利于地面輸氣管網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，提高資源利用率。

3.2 放寬投融資環(huán)境，加強(qiáng)金融資金保障

適當(dāng)放寬能源投融資準(zhǔn)入限制，充分發(fā)揮上市公司在能源投資中的拉動作用，鼓勵民間資本進(jìn)入煤層氣(瓦斯)高效利用領(lǐng)域，鼓勵引導(dǎo)境外資本參照法律法規(guī)和外商投資產(chǎn)業(yè)政策參與投資，推進(jìn)電網(wǎng)、油氣管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施投資多元化，探索制訂區(qū)域差別性能源稅費(fèi)和產(chǎn)業(yè)政策，組建能源產(chǎn)業(yè)投資基金。

3.3 培育煤層氣下游利用市場高附加值企業(yè)

在煤層氣的利用中，第1層級是作為一種清潔燃料；第2層級是利用煤層氣生產(chǎn)高品質(zhì)的產(chǎn)品，比如陶瓷、玻璃；第3層級是利用煤層氣生產(chǎn)金剛石、石墨烯、氫能等一些更高附加值的產(chǎn)品，來提升整體煤層氣的利用價(jià)值。山西省已在煤層氣高附加值產(chǎn)品方面取得突破，要以煤層氣制納米洋蔥碳、金剛石技術(shù)研發(fā)為契機(jī)，廣泛拓展煤層氣利用優(yōu)勢領(lǐng)域產(chǎn)品。

4 發(fā)展方向

煤層氣(瓦斯)的開發(fā)利用既保障了我國基礎(chǔ)能源煤炭的安全生產(chǎn)，也有效助推了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對煤炭和煤層氣(瓦斯)兩種資源的健康可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

4.1 煤礦瓦斯高效利用發(fā)展方向

煤礦井下抽采的瓦斯由于濃度范圍較大，應(yīng)采用不同的利用途徑以實(shí)現(xiàn)高效利用，獲取較高經(jīng)濟(jì)效益。

1)濃度高于30%的煤礦瓦斯具有熱值高、價(jià)格低廉、利用范圍廣的特點(diǎn)，對適宜提純的高濃度瓦斯可經(jīng)提純后制LNG/CNG、并入天然氣管網(wǎng)或進(jìn)行高附加值轉(zhuǎn)化利用；對不適宜提純的瓦斯可按民用、工業(yè)企業(yè)和就近發(fā)電的原則進(jìn)行利用。

2)濃度高于8%且低于30%的煤礦瓦斯，可將低濃度瓦斯提純至30%以上，提升應(yīng)用范圍。

3)濃度低于8%的煤礦瓦斯，可直接與空氣或乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行摻混至濃度為1.0%～1.2%，進(jìn)行氧化供熱或燃燒空氣進(jìn)行利用。

4)風(fēng)排瓦斯由于濃度較低，難以單獨(dú)利用，但直接排放進(jìn)入大氣會造成巨大的環(huán)境問題，可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)，將風(fēng)排瓦斯與高濃度瓦斯摻混進(jìn)行利用。

5)完善政策，鼓勵將煤礦井下移動泵站抽采瓦斯通過管道輸送至地面進(jìn)行利用；盡量減少井下移動泵站抽采規(guī)模，鼓勵采用地面固定泵站抽采瓦斯并加以利用。

4.2 煤層氣高效利用發(fā)展方向

煤礦區(qū)地面抽采的煤層氣濃度可達(dá)95%以上，與井下瓦斯相比具有更廣的利用價(jià)值和前景。

1)加快燃?xì)夤芫W(wǎng)互聯(lián)互通工程建設(shè)，穩(wěn)步推進(jìn)LNG液化調(diào)峰設(shè)施及地下巖穴儲氣庫項(xiàng)目選址建設(shè)。

2)加快煤層氣利用科研立項(xiàng)工作，積極推進(jìn)煤層氣合成金剛石、納米洋蔥碳項(xiàng)目建設(shè)，推動煤層氣高附加值轉(zhuǎn)化，為高效利用提供新途徑，以提升煤層氣開發(fā)企業(yè)盈利能力。

5 結(jié)語

1)山西省煤層氣(瓦斯)抽采量和利用量在全國的占比大，但在抽采、輸送、利用方面仍存在較多問題，急需改變，以進(jìn)一步提升開發(fā)利用水平，保障商業(yè)化運(yùn)營空間。

2)在碳減排趨勢下，應(yīng)引導(dǎo)煤層氣(瓦斯)企業(yè)參與國際碳排放權(quán)交易，實(shí)現(xiàn)煤層氣(瓦斯)的市場價(jià)值，促進(jìn)煤層氣(瓦斯)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

3)從煤層氣(瓦斯)利用角度，按照瓦斯?jié)舛雀叩瓦M(jìn)行劃分，對不同濃度瓦斯進(jìn)行科學(xué)利用，降低煤層氣(瓦斯)的直接排放，同時(shí)加大創(chuàng)新力度，推動煤層氣(瓦斯)的高附加值轉(zhuǎn)化，為高效利用提供新的途徑。

4)在煤礦安全生產(chǎn)與環(huán)保形勢的雙重要求下，變“抽放”為“抽采”，堅(jiān)持“先抽后采，煤氣共采”“煤與瓦斯共采，治理與利用并重”等先進(jìn)理念。