技术：从依赖走向自主

□ 文/本刊记者 李天星

“煤层气（煤矿瓦斯）开发利用基础研究薄弱。现有煤层气勘探开发技术不能适应复杂地质条件，钻井、压裂等技术装备水平较低，低阶煤和高应力区煤层气开发等关键技术有待研发。煤与瓦斯突出机理仍未完全掌握，深部低透气性煤层瓦斯抽采关键技术装备水平亟待提升。”《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划》提出的技术关键，为煤层气发展提出了攻坚攻关课题。

影响和制约煤层气大发展的关键还是技术问题。如果能够形成适合我国煤层气地质特点的整套成熟技术，企业广泛应用，煤层气产业就会呈现大规模发展的喜人局面。

技术滞后的制约

《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划》指出，我国煤层气赋存条件区域性差异大，多数地区呈低压力、低渗透、低饱和特点，除沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘外，其他地区目前实现规模化、产业化开发难度大。高瓦斯和煤与瓦斯突出的矿井多，随着开采深度加大，地应力和瓦斯压力进一步增加，井下抽采难度增大。这些复杂的煤层气地质条件，无疑是对煤层气高效开发的挑战。

兆金/供图

“煤层气最大的难点还是在于开采技术。”业内人士指出，技术研发和技术创新滞后，已经成为制约煤层气产业发展的瓶颈和关键因素。

在基础理论研究方面，目前对煤与瓦斯突出机理还没有充分认识，尚未建立起符合我国地质条件的煤层气存储、渗流、开发等地质理论。时至如今，国内专门从事这方面研究的单位依然很少，相关院校也没有设置这样的专业学科。

据了解，美国已经形成了关于煤层气资源勘探开发的系统理论技术，包括排水采气技术、储层激励增产技术和储层模拟技术等。例如，美国早已利用地面钻孔水力压裂技术开采煤层气资源，这是目前世界上最先进的开采技术，而我国这种技术还处于试验阶段。

资料显示，由于我国煤层气地质条件复杂，且普遍存在渗透率低、煤层软等特点，造成煤层气地面开发只在局部富集区优选区块取得成功，且单井产量低。主要原因是未能找到适合我国煤层气地质条件的生产技术和工艺。一方面，井下抽采难度大，抽采瓦斯浓度低（<30%）；另一方面，虽然我国已经研发出低浓度瓦斯输送和利用技术，但目前尚未大规模推广应用，导致当前大量低浓度瓦斯没有得到有效利用。

近几年，我国部分企业虽然也对煤层气开采技术进行过自主创新，并在实践中进行了很多尝试，但关键技术还没有完全掌握。因此，我国的煤层气开采技术一直存在两个方面的依赖：一是一直以引进为主，对外合作依赖程度比较高；二是沿用石油和天然气开采技术，对传统油气开发技术的依赖程度比较高。

科技攻关的努力

面对煤层气地质情况复杂、开采技术要求高的状况，我国煤层气企业、科研院校、相关部门等都在不断进行技术探索和重点攻关，并已初步解决了一些技术难题，见到了一些成效。

我国“十一五”期间启动和实施的《大型油气田与煤层气开发》国家重大科技专项，经过努力攻关，已经取得了一批重大成果。这是我国目前唯一由企业牵头组织实施的国家科技重大专项，旨在围绕国家能源战略目标，通过核心技术突破和资源集成，在大型油气田及煤层气开发领域，完成重大战略产品、关键共性技术开发和重大工程，以求更快突破中国煤层气发展的技术瓶颈，

沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程全面竣工投产。2009年10月，中联公司实施的国家级示范工程项目——沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程，全面竣工投产并开始商业售气。中联公司建成我国第一个商业化规模开发的煤层气田并实现盈利，标志着我国煤层气地面开发正式进入快速发展的大规模商业化运营阶段。该工程在2010年11月16日被国家发改委授予“国家高科技产业示范工程”荣誉称号。

产学研结合，提高自主创新能力。2009年，由国家科技部和发改委制定的国家十大科技重大专项启动，煤层气田地面工艺与集输技术研究作为其一的“大型油气田和煤层气开发”专项的十个子项课题之一，由中国石油辽河工程有限公司负责，与中国矿业大学、中科院研究生院理化研究所等开展合作，严格按照国家标准，依托沁南煤层气现场建设开发情况，进行产、学、研一体化研究。

针对煤层气低压、低产、多井、井距小的问题，对其集气工艺、集输半径、增压设置等进行研究，以形成在满足安全生产和环境保护要求的前提下，降低成本、提高经济效益，满足生产要求、低成本的低压集输工艺技术。

目前，子项研究已经完成“十一五”规划，形成的适合煤层气田特点的“多点接入、柔性集输”煤层气集输工艺技术，已达到了国内领先、国际先进水平。“十二五”期间，将进一步加强该课题成果在煤层气开发中经济性和适用性的研究，全面提升科技自主创新能力，争取将这一成果在国内外煤层气田广泛推广应用。

无烟煤煤层气开发技术取得突破性进展。2010年12月，经中国煤炭工业协会和中国煤炭学会专家鉴定，历时近20年组织开展的“无烟煤煤层气开发利用关键技术与产业化示范”科研项目达到国际领先水平，被授予中国煤炭工业科学技术特等奖。

据悉，这项由晋煤集团、煤炭科学研究总院西安研究院和中国石油大学（北京）共同完成的科研成果，在两项理论上取得突破：一是首次在国际上建立了无烟煤煤层气高产开发潜力评价技术；二是提出并成功实践了采煤采气一体化和地面井下综合抽采煤层气模式。围绕降低煤层气开发成本和提高煤层气利用效益，晋煤集团在8项关键技术上取得创新成果，并建成全国规模最大的地面煤层气开发示范工程、全国最大的井下煤层气抽采工程、全国最大的煤层气燃料供应系统、全国最大的煤层气液化厂、世界最大规模的瓦斯发电厂等6大抽采利用工程。另有渗流模拟实验装置、煤层气的热力开发方法、废弃水基钻井液的固化处理方法及其固化剂等3项发明获得专利。晋煤集团煤层气开发利用及其技术成果的推广应用，实现了采煤采气一体化、地面井下煤层气抽采一体化、煤炭与煤层气协调开发利用和二者相互促进的目标。

中国低阶煤煤层气勘探开发技术实现重大突破。2011年12月28日，“低阶煤、多煤层、薄煤层煤层气开采压裂组合及投球分压关键技术研究”项目通过了专家鉴定，标志着中国低阶煤区煤层气勘探开发技术实现突破。据了解，该项目依据埋深、厚度及顶底板等特征，在国内首次研究了适用低阶煤、多煤层、薄煤层地区煤层气井的限流射孔优化技术，提出了选用不同孔密的射孔方案。此外，在国内首次研究适用于低阶煤、多煤层、薄煤层地区的煤层气投球分压限流压裂技术。同时，经吉林省珲春煤田3口井排采实践证明，单井日产气量达3000立方米以上，具有商业性开发价值。这项由吉林省延边耀天集团和沈阳煤层气研究中心合作，历时3年完成的成果，是中国在低阶煤地区煤层气勘探开发的重大突破，其技术在该领域属首创，对中国低阶煤区煤层气勘探开发具有指导意义。该技术的推广应用，将进一步优化中国低阶煤煤层气抽采技术，加速实现低阶煤煤层气的产业化开发利用。

中高浓度煤层气利用技术相对成熟。据介绍，目前我国煤层气利用主要途径有民用、发电、工业燃料、燃气的机动车辆和化工等。甲烷含量大于30%的中高浓度煤层气主要用于民用、发电、燃料、液化。2010年，民用用户达到150万户，瓦斯发电装机容量约达150万KW，全国约有18个省已开展瓦斯发电。山西太原、晋城、长治等地区，中高浓度的煤层气被用于出租车、柴油车等燃柴油车辆。截至2010年底，晋城市区出租车和公交车全部使用上了煤层气。山西港华煤层气液化项目利用地面开发煤层气，甲烷浓度大于92%，液化装置全部国产化，生产规模达到90万立方米/天。目前，我国中高浓度煤层气利用技术相对成熟，但装备的大型化、成套化、装置运行稳定性还需进一步攻关。

自主创新的重点

直接照搬国外技术不可能完全解决中国煤层气的发展难题。因为我国的地质条件和美国有所区别，美国技术并不完全适合中国煤层气的开采。所以，自主创新是提高我国煤层气技术水平的关键。

“国家对传统能源有自己的配套技术、自己的发展战略，但煤层气产业对技术的要求比较高，特别是对煤层、储存都要有深刻的认识，钻井技术也要达到相当的标准。”山西煤层气行业协会会长张亮认为，国内垂直井压裂和多分支水平井工艺，以及液氮压裂、二氧化碳注入、洞穴完井等多是在借鉴国外的工艺技术基础上发展起来的，并不完全成熟。

专家认为，煤层气开发技术在国外比较成熟，但每个地方的地质条件不同，国外的技术拿到中国来，必须根据中国的地质特征不断进行摸索、改进、完善，甚至是再创造。从2005、2006年以来，采气、打井这些技术基本得到了解决。垂直井我们自己可以打，投入比较小。未来的发展方向是多分支水平井，以前这项技术主要用在石油开采上。虽然中国石油也在探索，但其现有的技术还不是特别成熟，希望未来获得突破。虽然目前中国的钻井技术还不能与外国技术同日而语，但经过自主创新，赶上或超越外国都是可能的。

但是，我们欣喜地看到，新一轮煤层气技术攻坚战已经打响。

“十二五”煤层气重大专项于2010年4月开始启动。2011年5月18日，在中联公司举行的“十二五”国家科技重大专项合同签订仪式上，中联公司同中国矿业大学（北京）、北京信息科技大学、中国石油大学（华东）、中国石油大学（北京）、西南石油大学、中国科学院研究生院、中国科学院理化技术研究所、中油辽河工程有限公司、北京派特森科技发展有限公司、廊坊开发区中油化油气技术服务有限公司、北京力会澜博能源技术有限公司、中国科学院科技政策与管理科学研究所、成都理工大学、中国地质大学（北京）、华北科技学院、大连理工大学、天脊煤化工集团股份有限公司、西安航天动力研究所签订了“十二五”国家科技重大专项合同书。

据悉，此次签约通过甲乙方模式在科研工作中引入了市场机制，争取把沁水盆地打造成煤层气、致密砂岩气和页岩气“三气合采”的实验区，将我国非常规天然气开发技术推向更高水平。为此，中联公司与18家合作单位围绕需要重点攻关的关键技术编制了27份任务合同书。此次任务合同书的签订，有利于统筹安排课题任务和攻关内容，有利于主要技术难题攻关与生产需求的紧密结合，有利于形成有形化的研究成果和自主知识产权。

“煤层气产业技术创新战略联盟”试点工作已经开始。根据2010年国家科技部《关于选择部分产业技术创新战略联盟开展试点工作的通知》精神，经国家科技部认真审核，已正式选定以中联公司为理事长单位的“煤层气产业技术创新战略联盟”作为全国56个符合条件的产业技术创新战略联盟之一，开展试点工作。通过试点工作，将在煤层气产业领域建立产学研合作的信用机制、责任机制和利益机制，承担与煤层气有关的国家重大技术创新任务的组织模式和运行机制，整合相关资源，构建为企业服务的煤层气产业技术创新平台，发挥行业技术创新的引领和支撑作用以及积极落实国家自主创新政策等方面进行探索，推动我国煤层气产业产学研相结合的技术创新体系建设。

低浓度煤层气是今后发展的重点。甲烷浓度大于5%但小于或等于30%的是低浓度煤层气，主要应用于细水雾输送及发电技术、低浓度煤层气浓缩反应技术。低浓度煤层气利用技术是今后发展的重点，虽取得一定进展，但安全输送、除氧、浓缩富集等技术还需要加强研究与突破。

极低浓度煤层气利用率需要提高。甲烷含量小于1%的是极低浓度煤层气，用于辅助燃料技术和逆流热/催化氧化反应技术。作为辅助燃料的煤层气，要求主要燃料燃烧能够产生引燃低浓度瓦斯所需要的温度，用风地点靠近回风井，减少输送费用。使用极低浓度瓦斯作为辅助燃料，可节约主要燃料8%-10%，减少瓦斯排放量20%-80%。目前美国、澳大利亚等国进行了相关研究利用，我国应用较少。辅助燃料技术的极低浓度煤层气利用主要存在的问题是，风排瓦斯在发动机燃料中所占比例较小，导致风排瓦斯利用率很低。

煤层气水平井技术需要快速提升。要大力推广应用羽状水平井新技术，这种技术与井下水平定向钻井技术广泛应用于煤层气勘探抽采、采动区和采空区抽采结合，可以有效解决煤矿瓦斯灾害问题.。应用二氧化碳注入，提高煤层气产量技术，也有待于突破。