我国煤层气开采及综合利用研究进展

2015-05-28陈艳娜

中国科技纵横 2015年9期

关键词：煤层气钻井勘探

陈艳娜

(神华地质勘查有限责任公司,北京 100087)

我国煤层气开采及综合利用研究进展

陈艳娜

(神华地质勘查有限责任公司,北京 100087)

煤层气又称煤层甲烷或煤层瓦斯,是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气,是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。本文介绍了我国煤层气的资源开发利用近况,归纳了我国煤层气勘探开发工程技术手段,分析了煤层气综合利用对我国发展新能源的战略性意义,总结了我国煤层气开发及综合利用的机遇与挑战。预见了我国即将开辟煤层气勘探开发及综合利用的新篇章。

煤层气开采综合利用

到目前为止，全球已探明煤层气资源储量为89.4×1012m3，可开采量13.5×1012m3，这已经相当于常规天然气储量。美国、澳大利亚、加拿大、俄罗斯等国家已进入了工业化开采阶段，我国即将开辟煤层气勘探开发及综合利用的新篇章[1]。

1　我国煤层气资源开发利用现状

我国煤矿开采时，80%都是由瓦斯事故引起。早期主要采用直接排放的方式防范，但是，CH4在空气中的化学及辐射效应不容小觑，直接排放到空气中的危害较大。

随着煤层气工业的发展，煤层气的开发价值逐渐显现出来。我国是煤炭储量、生产及消费大国，同时也是煤层气储量的大国。新一轮的全国煤层气资源评价显示，中国埋深小于2000m的煤层气地质资源量约为36.81×1012m3，相当于520×109t标煤[2]。而其中95%的煤层气资源分布在新疆、晋陕蒙、冀豫皖和云贵川渝4个地区[1]。那么，如何合理的开发利用我国蕴藏的煤层气资源是我们目前面对的重大课题。

我国煤层气的勘探、开发及综合利用进展分为3个阶段:即1952-1989年矿井瓦斯抽放发展阶段、1989-1995年现代煤层气技术引进阶段及1996年后的煤层气产业逐渐形成发展阶段[2]。目前，中石油、中联等企业均有涉足煤层气产业。其中较为突出的是山西省沁水县端氏煤层气开发示范工程，其第一口水平羽状井DS-01获得成功，对我国高效开发利用煤层气资源，特别是针对高瓦斯矿区在采矿之前能够快速抽采煤层气资源，遏制煤矿重大瓦斯爆炸事故方面都具有十分重要的意义。

2　煤层气开发技术发展现状

钻井技术:直井钻井技术。针对煤储层及其煤系低压、低渗、吸附性强等特征，通过敏感性分析和储层保护技术研究，形成了以空气钻井为核心的直井钻井技术。

钻井技术:多分支水平井钻井技术。针对煤储层及其煤系质软、易破碎、易坍塌等特征，通过改进钻井循环介质特性，形成的多分支水平井/U型井钻井技术。该技术集钻井、完井和增产于一体，是开发低压、低渗煤层的主要手段。

钻井技术:丛式井钻井技术。受地形地貌和土地局限，通过克服弯曲井段排采等技术难题，形成了以定向钻进为核心的丛式井钻井技术。

压裂技术:针对煤储层质软、塑性强、天然裂隙发育、吸附性强等特点，通过对煤岩石力学和水力压裂裂缝扩展机理实验研究以及大规模的压裂实践，形成了以活性水、大排量、中砂比为核心的煤层气井水力压裂技术体系。

排采技术:针对煤层气井排采过程中煤粉伤害和应力敏感伤害而导致产量锐减等难题，通过多年的伤害机理与产出机理研究及大规模排采实践，形成的排采技术体系。

气田集输技术:针对煤层气集输面临的井口压力超低、波动巨大等技术瓶颈，通过集输工艺研究及多方实践，形成了 “以低压集输为核心的煤层气集输工艺技术体系”。

3　煤层气勘探开发工程技术进展

煤层气资源勘探技术主要包括地球物理、地球化学、钻探三类方法，以及依靠地质分析和选区相结合的综合技术手段[3]。其中，地球物理探测包括遥感、测井和地震三大技术系列。而其中的钻井成本对煤层气开发总体思路和规划起着决定性的作用。

煤层气抽采技术是煤层气综合利用的核心及重点。煤层气抽采技术即是通过钻孔方式，利用负压抽取煤层中的瓦斯，通过管道输送到地面，并集中储存、利用。而抽采技术又分为井下抽采和地面抽采。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，如穿层钻孔、平行钻孔、交叉布孔等本煤层瓦斯抽采方法;顶(底)板穿层钻孔、顶板水平长钻孔等邻近层瓦斯抽采。目前已发展出多种煤层气矿井抽采及煤气共采技术，包括本煤层抽采、保护层抽采和采空区抽采。多种方法在一个采区内综合使用，使煤层气抽采量及抽采率达到最高。而我国煤层气地面井规模性开采尚处于起步阶段，地面抽采主要包括地面垂直井、采动区井、多分支水平井等[4]。

通过借鉴国外煤层气勘探开发经验及自我探索，我国煤层气产业经过20余年的发展，已经逐步形成了一套适合中国煤层气地质特点的煤层气地质评价和常规勘探开发工艺技术，并且取得一定进展[4]。第一，我国已经初步形成煤层气成藏及选区评价理论，基本摸清了中国丰富的煤层气资源总量，并且基本掌握煤层气资源评价技术。例如沁水盆地和鄂尔多斯盆地。第二，我国已经建立了煤层气实验室和野外测试及分析的方法、技术、指标体系等[5]。第三，我国已经建立了煤层气垂直井钻井、测井、完井、压裂增产和排采生产的工艺技术体系及相关规范。第四，我国煤层气地面垂直井钻井技术已经相对成熟，在许多不同地质构造均已取得了一定程度的成功。最后，我国煤层气井完井等尖端技术已在试验阶段。其中包括裸眼完井技术、套管完井技术以及先期套管裸眼完井技术等顶尖技术。同时开展了一些新型的煤层气勘探开发技术的试验，主要包括欠平衡钻井技术、多分支水平井技术、清洁压裂液携砂压裂及氮气泡沫压裂技术和二氧化碳注入技术等。例如沁水盆地南部TL-003号井。

4　煤层气的综合利用对我国的重要意义

煤层气的综合利用对我国调整能源结构起到至关重要的作用。自20世纪60年代以来，石油、天然气的消费量逐年增加，而储量却是有限的。截至2000年，世界一次能源消费构成比例中，煤炭、石油和天然气分别占25%，42.8%和23%。而2011年发布的我国的能源消费结构中，煤炭所占比例更大，为68%，石油和天然气仅占19%和4.4%[6]。这说明我国的能源结构严重不合理，而煤层气的综合利用则可以有效的改善我国以煤炭为主能的能源消费模式。

煤层气的综合利用可以改善生态环境，节约能源[1]。我国是煤炭储量、开发及消费大国，煤炭的过量使用导致温室效应、酸雨等全球性的气候问题。而煤层气属于清洁能源，若将煤层气作为主要能源，每年将减少排放CH4气体3.6×1010m3/年，相当于减少SO26.8× 105t。相反，若在开采煤炭的过程中将煤层气直接排放到大气中，造成的危害及污染是惊人的。

煤层气的综合利用可以减少灾害，提高经济效益[1]。煤层气的主要成分CH4，约占80%。CH4有易爆炸的特点，直接排放易造成爆炸危险。1m3煤层气相当于1kg石油或1.3kg煤炭，可发电3kWh。煤层气的综合利用即可有效的减少煤层气直接排放所带来的危险和污染，又可充分利用煤层气的热值，提高经济效益。

5　我国煤层气开发极综合利用的机遇与挑战

我国矿井煤层气抽采工艺技术步入了自主研发的良性循环过程，引进的勘探及地面开发主体技术与装备经过消化和改良，支撑了我国煤层气地面井开发的发展，但尚未完全适应于我国的不同地质条件[3]。

为了使我国煤层气开发及综合利用达到预期效果，我们必须做到加强科学管理，运用经济评价支撑，指导合理战略选区;完善法律法规体系，保障政策执行;注重人才培养，奠定发展基础;加大技术创新，寻求关键突破;加强基础管网建设，实施管网准入制度[7]。

煤层气的开发、综合利用及发展需要新机遇、新挑战。新机遇给了煤层气新的机会，能源需求、煤矿安全生产、环境保护迫切需要加快发展煤层气;全国煤层气“十一五”发展规划已颁布实施;煤层气科技发展对煤层气产业的支撑作业逐步增强;国务院出台文件进一步规范煤层气产业的发展;煤层气示范工程的建设与成功实施将有力推动中国煤层气产业发展。而新机遇同时也面临的新的挑战。例如煤层气产业的投资严重不足;煤层气产业的经济扶持政策力度不够;煤层气开发与煤炭开采间的矛盾突出;煤层气输送管网基础设施薄弱;社会对煤层气的观念上存在诸多误区等。