中国煤层气开发模式分析及开发技术研究

房 超陈贵峰

(1.中国矿业大学(北京),北京市海淀区,100083;2.煤炭科学研究总院,北京市朝阳区,100013)

中国煤层气开发模式分析及开发技术研究

房 超1陈贵峰2

(1.中国矿业大学(北京),北京市海淀区,100083;2.煤炭科学研究总院,北京市朝阳区,100013)

结合煤层气的分布特征,对比分析了目前我国煤层气开发的不同模式,指出我国今后发展煤层气的有利区块,并结合典型的煤层气产区,提出了对应的开发模式与开发技术。最后从煤层气发展的社会效益和经济效益等方面出发,指出大规模开发利用煤层气的时机已然成熟。

煤层气开发 开发模式 开发技术 有利区块

中国不仅是煤炭资源生产和消费大国,同时也是煤层气资源大国。随着煤矿开采深度的增加和煤层气涌出量的不断增大,煤矿安全问题和煤层气资源利用问题形势严峻。2008年,在中国能源消费结构中,天然气占3.6%,煤炭占70.2%,预计到2020年天然气需求量为2930亿m3,缺口达1000亿m3以上。中国明确提出加大煤层气的开发利用力度,以便从根本上解决煤矿安全问题,把煤层气作为第二煤炭资源开发。开展对煤层气开发有利区块研究,加强对开发技术研发,有利于加速煤层气开发进程,切实提高煤层气抽采量,推动煤层气产业化发展。

1 煤层气资源概况

据最新一轮煤层气资源评价结果,中国埋深2000 m以浅的煤层气资源总量为36.81万亿m3,与陆上常规天然气资源量相当。中国煤层气资源量占世界总量约13%,居世界第3位,仅次于俄罗斯和加拿大。世界煤层气资源分布见图1。

图1 世界煤层气资源分布

2 煤层气开发模式

根据煤层气资源赋存特点,中国煤层气的开发模式主要有两类:一类是煤矿区煤层气的开发,侧重煤矿安全和能源开发,与采煤息息相关;另一类是非矿区煤层气的开发,仅侧重能源开发,与采煤无关。其中,煤矿区煤层气开发占煤层气开发的70%。

2.1 煤矿区煤层气开发现状

中国煤矿区煤层气抽采是从建国后开始的。1952年,抚顺矿务局的龙凤矿开始较大规模在开采层抽采煤层气。20世纪50年代仅在抚顺、阳泉、天府和北票等6个矿进行煤层气抽采,总量约为60 Mm3。20世纪60年代相继在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等20个矿井进行煤层气抽采。从20世纪80年代开始,我国煤矿抽采煤层气迅猛发展。截至2008年底,煤矿区煤层气抽采量已达53亿m3,抽采瓦斯的矿井数达283个,与20世纪50年代相比,抽采瓦斯的矿井数增加约47倍。1992-2008年来国有重点煤矿煤层气抽采量和抽采矿井数见图2。

图2 1992-2008年国有重点煤矿煤层气抽采量和抽采矿井数

2.2 非矿区煤层气开发现状

截至目前,全国有煤层气有效矿权113个,总面积达65520 km2。其中,煤层气探矿权106个,总面积达65285 km2,主要分布在17个省区,各省区煤层气探矿权面积分布比例见图3。煤层气采矿权7个,总面积235 km2,主要分布在山西、辽宁和陕西省。

图3 省区煤层气探矿权面积分布比例

煤层气探矿权人25个,包括3家中直企业(中联煤、中石油和中石化)和22家地方煤层气企业(晋煤集团、阳煤集团等)。采矿权人为中联煤层气有限责任公司、中国石油天然气股份有限公司和辽宁省铁法煤业集团有限责任公司等6家公司。

2008年底,地面煤层气开发实现产能15亿m3、产量 5亿 m3、利用量约 3亿 m3的生产、销售和利用,其中非矿区煤层气开发量占地面煤层气开发量的35%。

2.3 煤矿区煤层气与非矿区煤层气开发对比

煤层气井下抽采量逐年递增,抽采非常活跃;地面煤层气开发从无到有,2005年实现了零的突破。煤层气两种开发模式历年开发量对比见图4。

图4 两种煤层气开发模式1993-2009年开发量对比

3 中国煤层气开发有利区块

山西沁水盆地南部、陕西鄂尔多斯盆地东缘地区是目前煤层气开发重点地区,是煤层气开发最有利区块。

3.1 山西沁水盆地南部

沁水盆地是当今我国煤层气勘探开发程度最高的盆地,含煤地层主要是上石炭统太原组和下二叠统山西组;煤层厚度大、分布稳定,热演化程度高,生气量大;煤储层割理发育,构造线交汇部位裂隙发育,煤层气产出条件好;煤层上覆有效厚度较大,水动力条件好,煤层气保存条件有利;新一轮全国煤层气资源评价结果表明,盆地风化带至煤层埋深2000 m以浅区煤层气地质资源量为39500.42亿 m3,资源丰度为1.46亿m3/km2,可采资源量为11216.22亿 m3。其中上石炭统太原组和下二叠统山西组煤层气地质资源量分别为23397.99亿 m3、16102.43亿 m3,占地质资源总量的59.23%和40.77%。

目前,中石油、中联煤、晋城煤业集团、亚美大陆、格瑞克能源(国际)公司、奥瑞安等国内外公司相继在沁南煤层气田展开勘探开发。截止到2009年底,在沁南煤层气田共施工各类煤层气井达3034座,年产量10亿m3。

3.2 陕西鄂尔多斯盆地东缘

鄂尔多斯盆地东缘是鄂尔多斯盆地煤层气主要富集区带,也是我国最有利的煤层气勘探开发地区之一。盆地东缘的含气面积达到1.63万km2,资源丰度1.53亿m3/km2。煤层埋深适中,为500～1500 m,渗透率较高,一般达到1 mD,煤层单层厚度3～8 m,累计厚度8～13 m,含气量高,以肥、焦煤为主,有少量贫、瘦煤,资源丰富,区位条件优越,且有较好的开发基础。

到目前为止,已施工煤层气共400余座。韩城、柳林和三交3个区块的煤层气开发具有优势。

4 中国煤层气开发技术

煤矿区煤层气的开发,正逐渐改变过去单一的井下抽采方式,开展了地面开发和井下抽采相结合的技术研究。非矿区煤层气的开发主要是采用地面开发技术。

4.1 井下抽采

煤层气井下抽采技术主要包括本煤层、邻近层、采空区等多种抽采方法,见表1。

目前,中国已进入综合抽采煤层气阶段,即采前预抽、边采边抽及采后采空区抽采等多种方法在一个采区内综合使用。在时空上为煤层气抽采创造更多的有利条件,在工艺上将钻孔抽采与巷道抽采相结合、井下抽采与地面钻孔相结合、常规抽采与强化抽采相结合以及垂直短钻孔抽采与水平长钻孔抽采相结合。

4.2 地面开发技术

煤层气地面开发可分为2种开发方式。一种是地面预采技术,主要开发未采动煤层中的煤层气,所采用的技术与常规天然气生产技术相似,对于渗透率低的煤层往往采取煤层压裂增产措施。另一种是地面采动开采技术,主要包括生产矿井采动区和采空区开采煤层气,因采动影响,煤层和含气岩层的渗透率明显提高,煤层气大量解吸,抽气容易,不需要进行煤层压裂处理。

4.2.1 地面垂直井开采技术

地面垂直井开发模式始于20世纪70年代,美国一些煤矿业主借用石油天然气工业的开发技术,通过排水降压使煤层中的吸附气解吸出来,由井筒流到地面。这种开采方式具有产气量大、资源回收率高、机动性强特点,可形成规模效益。但要求有厚度较大的煤层或煤层群、煤储层的渗透性较好以及较有利的地形等条件。

表1 煤层气井下抽采技术一览表

由于我国各地资源条件和开发条件差异,地面预采煤层气增产措施有所不同,主要为裸眼扩径、洞穴完井和水力压裂。鉴于煤层渗透率较低,只能采用压裂技术进行增产改造。目前国内地面直井煤层气日产量大约为15000 m3,适合此种开发模式的矿区主要为煤储层渗透率较高的沁水盆地南部地区和鄂尔多斯盆地的河东煤田。

4.2.2 多分支水平井开采技术

多分支水平井技术主要适用于煤层厚度大且分布稳定,煤层渗透率较低的煤储层。多分支水平井开采技术与采用射孔完井和水力压裂增产的常规直井相比,具有得天独厚的优越性,主要表现为增加有效供给范围、提高导流能力、减少对煤层的伤害、单井产量高、经济效益好和有利于环境保护等优点。

目前,我国共施工近150座多分支水平井,主要集中在沁水盆地的晋城、寿阳、端氏和大宁等地区。在沁南的潘庄区块,由奥瑞安公司设计施工的多分支水平井的单井日产量突破10万m3,约是相邻地区常规垂直井单产的50倍。

中国自2003年引进并吸收此项技术,中联煤层气公司成功实施的第一座水平井DS-01井,累计完成进尺6526 m,产量将达到3～4万 m3/d,约相当于10座煤层气直井的产量。

5 结论

据国家煤矿安监局统计,2008年与2005年相比,煤矿瓦斯事故下降 56%,死亡人数减少64%,瓦斯抽采量增加130%,利用量增加160%。加大煤层气能源的开采力度符合目前低碳、环保、清洁能源及可持续发展的大环境,更为目前煤矿开采提供了有利的安全保障。煤矿区煤层气开发逐渐从单纯井下抽采技术向地面井下相结合的抽采技术发展,抽采量大幅提高。非矿区煤层气受中国特有的地质条件限制,开发进度曾一度缓慢,但随着近年来国家政策的大力支持及地面煤层气钻探技术的提高,非矿区地面开采煤层气正在上升到一个新的高度。目前,中国煤层气的发展亦采用两条腿走路的策略,即煤矿区煤层气开发和非矿区煤层气开发同时发展,但目标各有侧重。只有分类指导管理,针对各自具体的地质构造条件和煤储层特征,因地制宜地选择适用的开发技术,才能取得好的开发效果。随着国家对煤矿安全重视程度的加大以及清洁能源的提倡,“先采气后采煤”的地面开采煤层气技术必将引领今后十年的煤层气发展。

[1]张群.关于我国煤矿区煤层气开发的战略思考[J].中国煤炭,2007(11)

[2]王魁军,罗海珠等.矿井瓦斯防治技术优选—瓦斯涌出量预测与抽放[M].江苏:中国矿业大学出版社,2008

[3]林建浩,胡爱梅.中国煤层气开发产业化对策研究[M].北京:石油工业出版社,2007

(责任编辑 张毅玲)

The Comparison and development study of China’s CBM development models

Fang Chao1,Chen Guifeng2
(1.China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China;2.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

According to the CBM distribution characteristics,this paper comparatively analyses the different development model of China’s current CBM and point out the favorable districts for our future development of CBM.Besides,the corresponding CBM development model and the development technology are proposed combined with the typical coal bed methane production areas.At last,it is pointed out that the opportunity for large-scale development and utilization of CBM is ripe from the social and economic benefits of CBM development.

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TD712

B

房超(1983-),男,工程师,现为中国矿业大学(北京)2009级地理信息工程专业在读研究生,曾在中联煤层气有限责任公司、中联煤层气国家工程研究中心从事过煤田地质勘探设计、科研和地理信息工程等工作。