降文萍,张培河,刘娜娜,王 晶,杜新锋,杨 刚,何庆宏
(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054; 2.中联煤层气有限责任公司,北京 100015; 3.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西 晋城 048206)
我国煤层气资源量丰富,勘探开发已有数十年[1,2]。21世纪以来,煤层气研究及勘探开发程度更是日益受到重视,2002—2009年,科技部先后启动国家煤层气973计划项目“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究”“高丰度煤层气富集机制及提高开采效率基础研究”,此后又相继开展了“十一五”“十二五”“十三五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”,在煤层气勘探开发基础理论和技术装备等方面取得了丰硕的成果。但截至目前,我国煤层气资源探明程度和产能仍很低,2020年年产量仅102.3亿m3,产业总体仍处于发展初级阶段。如何推动煤层气产业快速发展,是现今我国煤层气领域面临的主要问题。
标准化工作是实现产业安全、快速、可持续发展的基础和保证,是协调开发活动、规范市场秩序的重要手段,已在很多行业领域发挥了重要作用。作为世界第三大煤层气资源储备国,虽在煤层气技术标准的研究和制定方面走在了世界前列,但仍存在技术标准缺乏、标准体系不健全等问题;并且煤层气勘探开发各个环节的技术标准仍主要沿用石油天然气领域[3-8],存在针对性不足、适应性差等问题[9-14]。近年来,煤层气资源开发、煤矿区煤层气抽采、废弃矿井煤层气抽采利用等方面[15-21]涌现了一批新型技术,已经取得了非常好的示范效果,但由于没有及时制定发布有效的标准规范,导致这些技术一直没有达到大规模推广应用的态势。
国家能源局先后在不同政府文件中强调了煤层气标准的重要性。2013年,国家能源局颁布的《煤层气产业政策》第十七条指出应“加快科技成果转化,推广空气钻进、大排量高效压裂、低压集输等先进技术,推进煤层气开采信息化建设;建立健全煤层气标准体系,加快出台勘查开发、生产加工、集输利用标准”。2016年,国家能源局发布了《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》明确“建立健全煤层气标准体系,加快制订一批勘探开发、输送利用和安全质量等方面的标准规范”。 梳理煤层气现行标准状况和存在问题、构建系统的标准体系、查漏补缺相关的技术标准,应该成为当前煤层气工作的重中之重[22]。2018年,科技部在国家重点研发计划专项“国家质量基础的共性技术研究与应用”(NQI)中立项 “煤层气、页岩气及现代煤化工关键技术标准研究” 课题,旨在研发一批煤层气、页岩气及煤化工能源领域技术标准的同时,分别建立这些领域的标准体系。煤层气课题组依据国内标准体系编制要求[23],在认真总结、分析国内外煤层气标准化工作的基础上,构建了煤层气标准体系框架和组成系统。
早在1989年,原国家能源部就在沈阳召开了第一次“开发煤层气研讨会”,标志着我国煤层气勘探研究工作全面展开[9,10]。随着煤层气开发的不断推进和《煤层气含量测定方法》(编号GB/T 19559—2004,已修订为GB/T 19559—2008,第二轮修订标准即将发布)的发布,也将我国煤层气技术标准的研发提升至世界领先水平。2008年,全国煤炭标准化技术委员会煤层气工作组成立,挂靠山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,主要负责煤层气领域国家标准的制定、修订工作。2011年,经国家能源局批准,我国能源行业煤层气标准化技术委员会(NEA/TC 13)成立[11]。多年来,我国煤层气工作者基本上掌握了全国煤层气的地质与资源情况,并在开发技术及工艺流程等方面积累了成熟的经验,为实现技术向标准的转换创造了条件。
2011年,国际标准化组织煤层气技术委员会(ISO/TC 263)落户我国,分别由中国煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、煤层气开发利用国家工程研究中心承担委员会主席单位、秘书处单位工作,这进一步彰显了我国煤层气产业的进步和国际标准化工作能力的增强。目前,ISO/TC 263成立后,已发布国际标准2项,分别为《煤层气含量测定方法》(ISO 18871:2015)和《煤层气勘探与开发——术语和定义》(ISO 18875:2015)。
统计截止2020年12月底,我国煤层气行业发布国家标准与各类行业标准共87项,其中国家标准16项、行业标准71项。各标准归口单位共17个,其中归口全国煤炭标准化技术委员会的国家标准与行业标准共17项,归口全国安全生产标准化技术委员会的行业标准7项,归口能源行业煤层气标准化技术委员会的行业标准43项(见表1)。在现行的16项国家标准中,标龄超过10年的有7项,占总数的9.72%;不到5年的有45项,占总数的31.25%。在现行的71项行业标准中,标龄超过10年的有23项,占比为31.94%;不到5年的有46项,占63.89%。可见,现有煤层气标准主要为近5年内制定。
对17个归口单位发布的87项标准进行了标准类别划分,其中基础类标准有14项,方法类标准有22项,管理类标准46项,产品类标准5项。16项国家标准中,基础类标准5项、方法类标准7项、管理类标准2项、产品类标准2项。71项行业标准中,其中基础类标准有9项、方法类标准15项、管理类标准44项、产品类标准3项(表2)。
表1 现有煤层气标准归口管理情况
表2 现有煤层气标准分类情况
综上分析,我国煤层气标准研究方面还存在很多问题。煤层气虽具有能源效应,但在煤矿区又是一种致灾性气体,不同单位从不同的出发点制定了相应的技术标准,导致技术标准归口单位众多(目前统计有17个单位),也造成了很多标准重复或技术内容不一致的问题,致使市场应用过程中存在很多难以选择的现象,比如气含量测试的基础标准,分别有4个国家标准、2个行业标准,各标准虽有所侧重,但在气含量快速测试方法等方面又有所差别。此外,现有标准总体技术水平不平衡,方法类和管理类标准偏多(两者数量达68项,占比超过78%),产品类少(仅5项);很多关键工艺环节尚未制定统一的标准,规模化产能建设和地面工程建设方面标准更是严重缺乏,一些新型技术与装备[15-20]的技术标准基本为空白。统计也发现,现行煤层气标准化工作大部分由一些科研单位承担,大多数企业没有作为主体参与标准制定工作。这些问题对煤层气标准化工作的开展和标准执行十分不利,大大制约了煤层气开发利用系统工程的建设强度,严重阻碍了我国煤层气的商业化发展[11-14]。
通过对统计的煤层气国家标准(16项)、行业标准(71项)进行整理,分析了已有标准层次及其标准之间的相互关系,认为目前煤层气标准基本上是在全国通用基础标准、行业通用基础标准、管理标准、技术标准及产品标准等层面制定。通过研究各类标准的系统性、协调配套性、完整性以及适用性等方面,构建了煤层气事实标准体系框架,如图1所示。
图1 煤层气事实标准框架
事实标准框架共分四层,各层之间是包含与被包含的关系。体系采用树形结构,第一梯层为基础标准,有1项国家标准,为煤层气(瓦斯)术语标准,为全国通用的属于规范;第二梯层为生产与市场管理标准,共包含标准57项,国家标准4项,其他主要为行业标准,主要包括煤层气地质分析、资源勘查、地震勘探、钻井、测井、录井、压裂、排采、集输、安全等设计及作业规范,以及煤矿地面瓦斯抽采、安全等方面的设计规范;第三梯层为各类实验方法、技术工艺等的标准,共24项,其中国家标准9项、各类行业标准15项,主要包括煤层气含气量、气成分、储层参数等的样品采集与测试方法,煤层气开发工艺如钻井、压裂、排采、输送环节的性能评价与效果评价方法,煤矿瓦斯预测、参数测试、抽采效果评价等方法;第四梯层为各类产品技术条件及质量要求等标准,共包含5项标准,其中国家标准2项、各类行业标准3项,主要包括煤层气钻机、压缩机、民用等产品的质量要求等。
按照当前国内煤层气行业科学技术发展水平和实际需求,以及我国煤矿区煤层气地面抽采现状,确定了煤层气标准体系的总框架,如图2所示。体系总框架分为6个专业,分别为煤层气地质与资源勘查专业、煤层气钻井工程专业、煤层气水力压裂工程专业、煤层气排采工程专业、煤层气地面集输利用专业、煤矿区煤层气地面抽采专业等。该框架基本覆盖了相关标准化技术委员会涉及的各个技术领域。煤层气地质与资源勘查专业已有标准32项,其中国家标准10项、行业标准22项,煤层气钻井工程专业已有15项行业标准,煤层气水力压裂工程专业已有7项行业标准,煤层气排采工程专业已有14项行业标准,煤层气地面集输利用专业已有国家标准3项、行业标准12项,煤矿区煤层气地面抽采专业已有国家标准3项、行业标准1项。
图2 构建的煤层气标准体系
标准体系是由一定系统范围内具有内在联系的标准组成的科学有机整体。考虑到煤层气地质与开发特点,所建的标准体系各个专业均应从管理、技术和产品三个类别制定标准,从而形成完整科学的煤层气标准体系,达到体系本身的最佳秩序和最好的经济效益。依据现今煤层气标准现状,并按照《标准体系表编制原则和要求》(GB/T 13016—2009)[23],将煤层气标准体系划分为五个层次,第五层为个性标准(产品类标准),从第五层提取出来的门类通用标准为第四层,从第四层提出来的专业通用标准为第三层,从第三层提出来的行业通用标准为第二层,从第二层提出来的全国通用标准为第一层。每一个专业的标准体系均按这几个层次进行编写,每一层次的标准类型由基础、管理、技术(方法)、产品、质量要求等类型构成。
对6个专业进行了门类划分(表3)。煤层气地质与资源勘查专业主要包括地震勘探、参数测试、试井、水文地质勘探、开发评价等,煤层气钻井工程专业主要包括钻井设计、钻井作业、测井作业、录井作业、固井作业、完井作业、钻井质量评价等门类,煤层气水力压裂工程专业主要包括压裂设计、射孔作业、压裂作业、压裂材料、压裂效果评价等,煤层气排采工程专业主要包括排采设计、排采设备、工程管理、HSE管理等,煤层气地面集输利用专业主要包括集输、压缩、液化、民用、发电、化工利用等,煤矿区地面煤层气抽采专业主要包括煤炭采前煤层气地面预抽、煤炭采中煤层气地面抽采、煤炭采后煤层气地面抽采、煤矿区地面煤层气抽采效果评价等门类。
表3 煤层气技术标准体系专业门类分类
对构建的煤层气标准体系6个专业已有标准情况进行了分类统计,并对未来五年标准进行了分类规划(表4)。已有标准中,国家标准(GB)第一层次全国通用类1项、第二层次行业通用和第三层次专业通用类各2项、第四层次专业门类通用9项,第五层次产品类2项;行业标准(HB)第一层次全国通用类0项、第二层次行业通用2项、第三层次专业通用类4项、第四层次专业门类通用62项,第五层次产品类3项。规划各类专业国家标准13项和行业标准46项,共59项。国家标准中第二层次行业通用类2项、第三层次专业通用类1项、第四层次专业门类通用8项,第五层次产品类2项。规划的行业标准中,第二层次行业通用2项、第三层次专业通用类3项、第四层次专业门类通用37项、第五层次产品类4项。
表4 煤层气标准体系统计及规划表
未来五年,煤层气地质与资源勘查专业规划国家标准1项、行业标准7项,主要涉及煤层气参数测试、开发评价方面;煤层气钻井工程专业规划1项国家标准、11项行业标准,主要涉及煤层气钻井工艺管理、固井和完井工艺管理等方面;煤层气水力压裂工程专业规划3项国家标准、5项行业标准,主要涉及煤层气井射孔、压裂作业和压裂效果评价管理等方面;煤层气排采工程专业规划2项国家标准、7项行业标准,主要涉及煤层气排采设计、工程管理等方面;煤层气地面集输利用专业规划国家标准4项、行业标准7项,主要涉及煤层气集输安全管理、煤层气液化、煤层气发电和化工利用等方面;煤矿区煤层气地面抽采专业规划国家标准2项、行业标准9项,主要包括煤层气与煤炭一体化开采、协调化开采评价方法,煤矿区地面煤层气井“一井三用”技术规范等管理规范,煤炭采中和采后的煤层气地面抽采等技术规范。综合已有和规划标准数量,国家标准共29项、行业标准共117项,累计煤层气标准总数将达到146项。
1)全面系统的分析了我国煤层气标准状况,统计现行煤层气标准共有87项,包括16项国家标准、71项行业标准,确定了煤层气标准事实体系框架。
2)构建了我国煤层气标准体系,设置了煤层气地质与资源勘查专业、煤层气钻井工程专业、煤层气水力压裂工程专业、煤层气排采工程专业、煤层气地面集输利用专业、煤矿区煤层气地面抽采专业的6个专业标准系统,并对各专业下设门类进行了设计划分。
3)根据煤层气产业发展现状和技术需求,规划制定了59项技术标准,包括国家标准13项、行业标准46项,突出了煤层气产业的重点领域、重点技术,具有一定的科学性、适用性和可操作性,可作为今后煤层气标准化工作的参考依据。