我国煤层气的开发与利用

李朝阳，彭 磊，乔伟彪，刘勇峰，刘林远，贾晓琳

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司，四川 成都 610041;2.中机国际工程设计研究院有限公司 华东分院，江苏 南京 210049)

0 前言

煤层气(俗称瓦斯)是一种近二十年来被普遍认识、成分与常规天然气基本相同、是在成煤过程中生成并储集于煤层中的非常规天然气［1－5］。主要成分甲烷，具有无色、无味、无毒、易燃、易爆等特性。煤层气是一种优质的化工和能源原料，热值几乎与天然气相同，比普通煤大。我国虽然是第三大煤层气储藏国，但目前利用率较低［6－10］。

制约煤层气利用的因素主要有两个:一是我国煤层开采条件差;二是开发技术落后［10－12］。目前世界各国进入对煤层气开发利用的高潮，美国等西方国家已经实现了工业化的煤层气开发，我国也已经进入煤层气产业化初级阶段，但绝大部分矿区技术问题需要解决［13－17］。煤层气开发是一种高投入、高技术、高风险的产业，煤层气必将成为一种新型的战略资源［18－19］。因此研究其相关的基础理论及勘探开发技术尤为重要，同时开发利用煤层气在煤矿瓦斯安全和保护环境方面具有十分重要的意义。

1 国内外煤层气开发利用现状

1.1 国外煤层气发展现状

20世纪80年代美国率先取得了煤层气商业开发成功，2004年年产煤层气超过我国同年天然气年产量，达500亿m3。加拿大、俄罗斯、澳大利亚等国家近年来煤层气产业探索出了适合本国煤层气开采条件的勘探开发工艺，2009年加拿大年产煤层气100亿m3、澳大利亚年产煤层气50亿m3。

1.2 国内煤层气发展现状

20世纪80年代我国煤层气开始探索地面勘探开发。我国埋深在2 000 m以内浅的煤层气资源量超30×1012m3，主要分布在山西晋城、陕西韩城、辽宁省的抚顺、阜新、铁法地区，居世界第三位。目前全国，探明煤层气地质储量2000×108m3。已开采4 000余口煤层气井，年开采煤层气10×108m3，但我国煤层气开发仅有辽宁的阜新、铁法矿区接近发达国家水平。

2 我国煤层气资源及特征

我国煤层气资源十分丰富，将煤层气赋存深度划分为3区。资源埋藏分布见表1。表1表明我国埋深1 500 m以内的煤层气资源量是煤层气资源总量的60%，有利于煤层气资源的勘探开发。

表1 煤层气埋藏深度分布

我国各煤田煤层含气性差异较大，根据中国实际情况和煤层气勘探开发的需要，将煤层含气量划分为贫气、含气和富气3个品级。我国煤层气除滇藏煤层气聚气区以外的其它4个煤层气聚气区一般属于含气和富气。

3 我国煤层气可采性分析

3.1 中国煤层气目前主要开采技术

中国煤矿中普遍采用利用钻孔抽放本层煤层气方法。此法适用于单一煤层，具有钻孔速度快、费用低等优点，但抽出率低。低透气性煤层，可采高效率钻机，密集钻孔，强力抽放，以及人为卸压措施强化抽出。透气性较好的煤层，可采用地面钻孔、水力压裂等措施提高抽出率。

3.2 我国历年煤层气开采量分析

我国煤层气发展缓慢。1977年我国煤层气抽取矿井有58口，抽取量2.32亿m3;到2004年增加到287口，抽取量达到18.66亿m3，2005年我国煤层气井口数增长非常迅猛，新增煤层气矿井超过历史累计施工井数总和，抽取量达30亿m3。但2005年煤层气抽采率为26.5%，这说明我国煤层气抽取率仍较低。

3.3 中外煤层气开采技术产生差距的主要原因与对策分析

我国的煤层气地质情况复杂。我国中新生代岩浆，尤其是燕山期岩浆具有沿多个纬向构造带和北东－北北方向构造带侵入的方向性。被岩浆侵入的煤田不仅煤层变质形成了低煤级煤，而且叠加了区域岩浆热变质。更重要的是，经受区域岩浆热变质的煤在煤级提高时煤层发生“叠加生烃”，增加了煤层气含量。煤层割理数量增加，从而改善了煤层的渗透率与运移性，致使所含煤层气长期逸散而残余量不多;煤层经长时期压实，渗透率低，不利于成藏。我国有近1 500个县存在煤资源，若煤厚等条件适宜，有可能发现更多富集高渗的煤层气。我国煤层气资源量的增加和勘探区的选择，应首先分析煤的叠加变质作用对煤层气成藏机理;其次要在区域岩浆热变质煤中寻找煤层气勘探区;再次应重视西北地区低煤级煤。

4 煤层气选区评价技术

我国煤层气的选区评价主要以美国的选区标准为参考，国内勘探单位制定了各自不同的评价标准。该标准针对中阶煤制定，根据不同盆地的地质特征，采用不同的完井方式。通过多年来在沁水盆地、淮南淮北、鄂尔多斯盆地东缘、宁武盆地等地对煤层气资源的不断探索勘探开发，我国煤层气开发勘探技术不断进步。但当前我国煤层气开发尚未形成适合我国煤层气资源开发的勘探开发技术。

我国煤层气选区技术主要包括以下几种:

(1)绳索取芯技术，特别是取芯率高达在95%，可快速提升，能准确获取目标煤层各项特征和各项物理参数;能保证煤心完整性;

(2)清水携砂压裂技术，适合于储层应力较差、富含水份，内外生裂隙极其发育的煤层，对煤层伤害程度较低;

(3)清洁压裂液携砂压裂适合的储层与清水携砂压裂基本相同，其携砂能力更强，但相应费用也较高;

(4)氮气泡沫压裂技术主要适合于水分含量少，水敏性强，内外生裂隙发育但很致密的煤层。氮气泡沫压裂井的气产量是水力携砂压裂井气产量的3倍左右;

(5)欠平衡钻井技术适用于高渗弱胶结地层;含有对水基钻井滤液敏感成分的地层;接近束缚水饱和度的脱水地层，具有减轻储层伤害，提高钻井效率，降低钻井成本;避免井漏等特点。

(6)多分支水平井适用于低压、低渗透率、低流体动能的煤储层。在较高阶煤发育的凹陷盆地具备施工多分支水平煤层气井的条件，陆相断陷盆地一般不具备多分支水平井施工条件。

(7)洞穴完井技术常适合于低阶煤煤层气开发。

5 我国煤层气行业存在的主要问题

我国缺乏国家统一计划来开发勘探煤层气资源，加之管理责任不明确，使煤层气开发项目手续复杂。如何划分资源，最优化资源以保证煤层气项目正常进行，是近阶段煤层气产业面临的主要问题。

煤层气资源存在“三低”现象以及地质变动的特殊性，中国煤层气输送管网少，缺少一套完整的天然气网络和健全的配套基础设施，制约了我国煤层气产业的发展。

我国煤层气开发国家经济支持有待提高。煤层气开发存在投入高、难度大、单井产量低、投资回收期长等特点，煤层气产业竞争力相比天然气产业竞争力较低。这就需要国家加快煤层气产业优惠政策的制定。

6 我国煤层气勘探开发前景展望

我国煤层气资源潜力巨大，埋深1 500 m以内的煤层气19亿m3。经过近几年的勘探开发实践，中国煤层气勘探已经取得了很大进展。不光在地质理论、勘探技术和煤层气资源评价等方面获得了大量成果，而且在试验区获得了可喜的成果。

未来我国能源问题将非常突出，能源供需矛盾将激化，清洁能源将得到开发应用。开发利用煤层气不仅能缓解温室效应，同时可改善煤矿生产条件、遏制矿井瓦斯灾害的发生。目前我国天然气缺口巨大，作为一种性质等接近天然气的能源，煤层气将能有效的缓解天然气供需缺口带来的一系列问题。

［1］徐志强，唐井峰，宋英东.我国煤层气发电技术现状研究［J］.节能技术，2011，29(2):118 －122.

［2］周劲，张力，闫云飞，等.旋流片开槽深度对低热值煤层气燃烧特性的影响［J］.热能动力工程，2012，27(3):312 －317.

［3］蔡松，张力，蒲舸，等.低热值煤层气燃烧器结构优化的实验研究［J］.热能动力工程，2012，27(2):202 －206.

［4］孙茂远，范志强.中国煤层气开发利用现状及产业化战略选择［J］.天然气工业，2007，27(3):1 －6.

［5］杨鑫，张力，杨仲卿.低热值煤层气部分预混式旋流燃烧器结构优化研究［J］.热能动力工程，2012，27(6):695 －701.

［6］王志林.煤、气矿权之争:法律困局的解析与反思［J］.经济问题，2007，(12):29 －31.

［7］徐波，李敬含，谢东，等.中石油探区主要盆地页岩气资源分布特征研究［J］.特种油气藏，2011，18(4):1 －6.

［8］邵珠福，钟建华，于艳玲，等.从成藏条件和成藏机理对比非常规页岩气和煤层气［J］.特种油气藏，2012，19(4):21－24.

［9］傅雪海，秦勇，韦重韬，等.煤层气地质学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007:10.

［10］李铭，楚泽涵，卢颖忠.煤层气测井评价［J］.特种油气藏，2000，7(1):4 －9.

［11］黄籍中.四川盆地页岩气与煤层气勘探前景分析［J］.岩性油气藏，2009，21(2):116 －120.

［12］姚国欣，王建明.国外煤层气生产概况及对加速我国煤层气产业发展的思考［J］.中外能源，2010，15(4):25 －33.

［13］RICHARD H，GROSHONG Jr，JACK C，et al.Structural controls on fractured coal reservoirs in the southern Appalachian Black Warrior foreland basin［J］.Journal of Structural Geology，2009(31):874 －886.

［14］宋立军，赵靖舟.中国大陆煤层气盆地双层次类型划分［J］.煤炭科学技术，2009，37(10):100 －104.

［15］杨敏芳，孙斌，张丽琳，等.鹤岗盆地煤层气赋存特征及勘探开发潜力［J］.天然气工业，2010，30(11):26 －29.

［16］宋岩，秦胜飞，赵孟军.中国煤层气成藏的两大关键地质因素［J］.天然气地球科学，2007，18(4):545 －553.

［17］杨永利.鹤岗鸟山勘探区地质构造及煤层赋存规律研究［J］.煤炭技术，2010，29(9):140 －141.

［18］甘华军，王华，严德天.高、低煤阶煤层气富集主控因素的差异性分析［J］.地质科技情报，2010，29(1):56 －60.

［19］陈振宏，王一兵，宋岩，等.不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比［J］.天然气工业，2008，8(3):30－32.