中国煤层气利用问题分析

2013-08-15杨慧中陈思顺赵静康丁明洁

河南化工 2013年13期

杨慧中，陈思顺，赵静康，丁明洁

(1.平顶山市燃气有限责任公司，河南平顶山 467000 ;2.漯河职业技术学院轻工系，河南漯河 462002 ;3.河南城建学院化学与化学工程系，河南平顶山 467044)

0 引言

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷(CH4)，是与煤炭伴生的、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2～5 倍，可以与天然气混输混用［1］。我国埋深2 000 m 以浅煤层气地质资源量约36.81 万亿m3，居世界第三位［2］。

煤层气也是化石资源的重要组成部分。如常规天然气一样，煤层气是洁净的工业生产和居民生活的燃料和化工原料，用途非常广泛。煤层气氢含量高，燃烧后CO2排放量比煤炭低。煤层气作为化工原料，经过转化和调制，可以生产出几乎所有的碳一化学工业的产品。受资源赋存条件制约，中国石油及天然气供需矛盾突出，对外依存度逐年攀升，煤层气开发利用可有效增加国内能源供应，优化能源结构，提高资源利用效率，具有广阔的发展前景。

另一方面，煤层气在空气中浓度达到5%～16% 时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21 倍，对生态环境破坏性极强。据计算，每利用1 亿标方的煤层气，相当于减排150 万t二氧化碳。煤层气的开采利用是煤矿安全生产和地球生态安全的需要。

由上分析，在采煤之前先开采煤层气，可以减少瓦斯事故，还能有效减排温室气体，减少环境污染，同时又得到了有价值的优质能源和工业原料，节约能源，还具有显著的经济效益。可见，煤层气的开发利用具有一举多得的功效，对缓解石油及天然气资源危机、煤炭矿山安全生产及地球生态安全都有着重要的意义［3-4］，但其前提是煤层气开采及利用技术的研发。本文综述了中国煤层气开采利用的现状，分析了存在的问题，并提出了今后的研究方向。

1 中国煤层气利用现状及问题分析

国家高度重视煤层气开发利用和煤矿瓦斯防治工作，出台了一系列政策以推进煤层气的开采利用工作。2006 年，国务院办公厅印发了《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》［5］。2007年以来，有关部门相继出台了打破专营权、煤炭生产安全费用提取、财政补贴、煤层气抽采利用企业税费减免、煤矿瓦斯先抽后采、瓦斯发电上网及加价、人才培养等扶持政策［6-11］，煤层气开发利用政策框架初步形成。

1.1 在国家政策引导下，行业取得了迅速发展［12］

1.1.1 重点煤层气企业加快发展，煤层气行业实现规模化和商业化

十一五期间，国家启动沁水盆地、鄂尔多斯盆地东源两大煤层气产业化基地的建设，施工煤层气井5 400 余口，形成产能31 亿m3，煤层气产业从无到有，初步实现商业化和规模化。

1.1.2 煤矿瓦斯抽采利用取得重大进展，煤矿瓦斯防治形势稳步好转

国家强力推进煤矿瓦斯“先抽后采、抽采达标”的工作，煤矿生产区(煤炭采矿权范围内)实行“先抽后采、采煤采气一体化”政策，煤矿瓦斯抽采量逐年上升，煤矿瓦斯防治工作取得显著成效，2010 年，煤矿瓦斯抽采量75 亿m3，比2005 年增长226%。

1.1.3 煤层气开发利用技术水平进一步提高

实施大型煤层气开发国家科技重大专项，攻克了多分支平井钻完井等6 项重大核心技术和井下水平定向钻孔钻进等47 项技术。组建了煤矿瓦斯治理国家工程研究中心和煤层气开发利用家工程研究中心。完成国家科技支撑计划“煤矿瓦斯、火灾与顶板大灾害防治关键技术研究”，“973”计划“预防煤矿瓦斯动力灾害治关键技术研究”等项目，实施10 项瓦斯治理技术示范工程和8 项技术与装备研发，获得了煤与瓦斯突出机理的新认识，取得了低透性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术等一批重大成果。

1.2 存在的主要问题

目前我国煤层气利用存在的主要问题是勘探投入不足、抽采条件复杂、抽采的煤层气利用率低、关键技术有待突破等［13-14］。

1.2.1 勘探投入不足

煤层气勘探技术要求高、风险大、投入高、投资回收期长，而国家在煤层气基础勘探上的投入资金少，探矿权人投资积极性不高，社会资金融资渠道不畅，由于这些因素，中国煤层气资源的总体勘查程度很低。我国埋深2 000 m 以浅煤层气地质资源量粗略估计约36.81 万亿m3，但经过准确探测的储量很少。目前，煤层气探明地质储量2 734 亿m3，仅为预测资源总量的0.74%。

1.2.2 不同区域赋存条件差异大，抽采条件复杂

我国煤层气资源量虽大，但地质条件差，地球力场活动频繁，不同地区地质条件差别很大，不同区域煤层气的赋存条件差异大，抽采条件复杂。除沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘外，许多地区呈低压力、低渗透、低饱和特点，适合大规模地面抽采的区域不多，在目前勘探程度和抽采技术条件下，能实现规模化、商业化开发的难度大。同时，高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井多，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。

1.3 抽采的煤层气利用率低

部分煤层气项目管道建设等配套工程滞后，下游市场不完善，地面抽采的煤层气不能全部利用。煤矿瓦斯抽采项目规模小、浓度变化大、利用设施不健全，大量煤矿瓦斯未有效利用，2010 年利用率仅为30.7%。煤层气抽出来要能应用，并且有经济收益，否则抽得越多越花钱，企业就没有积极性。

1.4 低浓度煤层气利用技术亟待开发

根据国家《煤矿安全规程》规定，甲烷含量低于30%的煤层气为低浓度煤层。中国的煤层气储量中，低浓度煤层气占三分之二以上。低浓度煤层气中甲烷浓度在5%～6%时具有爆炸危险，甲烷浓度在7%～8%时最易爆炸，当甲烷浓度在9.5%时爆炸威力最强，其速度可达2 000～3 000 m/s，同时产生巨大的能量，这是煤矿瓦斯事故的根源，也是低浓度煤层气发电的依据。

目前，中国煤矿生产每年抽采大量的煤层气，其中超过80%的是低浓度煤层气，出于安全生产考虑，主要是直接排放到大气中。如平顶山矿区2009年瓦斯抽放量约8 000 万m3、浓度在5%～30%之间，风排瓦斯2.5 亿m3、浓度0.3%～0.5%;瓦斯利用量1 400 万m3，占抽采量的17.5%，占全部排出瓦斯的4.8%。

1.5 关键技术有待突破

煤层气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。

1.6 扶持政策需要进一步落实和完善

瓦斯发电机组规模小、布局分散，部分地区瓦斯发电上网难，扶持政策落实不到位，相关的法律法规和标准规范尚不健全。煤层气开发利用经济效益差，现有补贴标准偏低。高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井开采成本高、安全投入大，需要国家在税费等方面出台扶持政策。

2 煤层气利用的研究方向

针对我国煤层气资源赋存条件的复杂性和煤层气行业存在的问题，我们必须从以下几个方面入手。

2.1 重大基础理论研究

不同地区地质条件的煤层差别很大，需要不同的煤层气抽采技术，没有万能的技术，应重点开展煤层气成藏规律、高渗富集规律、有利区块预测评价理论、低阶煤煤层气资源赋存规律、煤与瓦斯突出机理等重大基础理论研究，测定相关基础参数，确定煤层气可抽采煤层条件及相应的抽采办法。

2.2 煤层气勘探抽采关键技术装备研发

煤层气勘探和抽采技术是其利用的前提，煤层气勘探、储层保护、低阶煤测试、空气雾化钻进、煤层气模块化专用钻机、多分支水平井钻完井、水平井随钻测量与地质导向、连续油管成套装备、清洁压裂液、氮气泡沫压裂、水平井压裂、高效低耗排采、低压集输等地面开采技术与重大装备，地面钻井煤层预抽、采动卸压抽采、采空区抽采一井多用技术，煤与瓦斯突出预警和监控、瓦斯参数快速测定、深部煤层和低透气性煤层瓦斯安全高效抽采、低浓度瓦斯和风排瓦斯安全高效利用等关键技术及装备、示范区域性井上下联合抽采技术，低浓度瓦斯安全输送技术及装备，这些关键技术及装备的研发都是我国煤层气利用必须突破的难题。