煤層氣開發(fā)利用有“一箭三雕”的效果：除了能提供清潔能源、防治大氣污染之外，還可以從根本上消除煤礦瓦斯帶來(lái)的威脅，保障煤礦安全生產(chǎn)，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)的共識(shí)。煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主體地位，中國(guó)的能源國(guó)情也從側(cè)面反映出推進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要性與緊迫性。

然而與美國(guó)、澳大利亞等煤炭大國(guó)相比，盡管中國(guó)煤層氣開發(fā)利用起步不晚，但發(fā)展相對(duì)滯后。日前，由國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局科技裝備司、美國(guó)環(huán)保局煤層氣辦公室共同主辦的2019第十九屆國(guó)際煤層氣研討會(huì)在北京召開，與會(huì)代表為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展建言獻(xiàn)策，助力煤層氣產(chǎn)業(yè)“提氣”加速。

開采難度大但前景光明

煤層氣俗稱“瓦斯”，主要成分為甲烷，因賦存于煤層之間，故名煤層氣。

據(jù)中石油煤層氣公司副總經(jīng)理、煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司總經(jīng)理徐鳳銀介紹，目前，中國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)36.8萬(wàn)億立方米，集中在華北地區(qū)、西北地區(qū)、華南地區(qū)和東北地區(qū)等幾大區(qū)域，其中華北地區(qū)資源最豐富，占比46.3%，西北地區(qū)次之，占比25.9%。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，中國(guó)累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量7425億立方米，其中包括探明沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣2個(gè)超千億立方米煤層氣田;累計(jì)鉆井1.8萬(wàn)多口，建設(shè)煤層氣年產(chǎn)能90億立方米，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)量53.5億立方米。煤層氣產(chǎn)業(yè)基本形成中石油、晉煤集團(tuán)、中海油(中聯(lián)建)三足鼎立的格局。

與美國(guó)、加拿大、澳大利亞等煤層氣開發(fā)條件較好的國(guó)家相比，中國(guó)的煤層氣勘探開發(fā)顯得有些先天不足。“以美國(guó)為例，中國(guó)和美國(guó)在煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期情況基本相似，但到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展后期，中國(guó)的機(jī)理和技術(shù)發(fā)展明顯滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求。”中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司副總經(jīng)理吳建光說(shuō)。

在他看來(lái)，中國(guó)煤層氣資源成礦和儲(chǔ)存條件的特殊性，是造成中美煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展差距的主要原因。“成煤條件多樣性、成煤時(shí)代多期性、煤變質(zhì)作用疊加性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多幕性和復(fù)雜性是中國(guó)煤層氣資源成礦和儲(chǔ)存條件的主要特點(diǎn)，構(gòu)造煤、深部等難采資源量約占70%，I類優(yōu)質(zhì)煤層氣儲(chǔ)量的比率僅為15%，煤層氣開采難度大。”吳建光說(shuō)。

特殊的煤層氣資源成礦和儲(chǔ)存條件，導(dǎo)致中國(guó)煤層氣開采難以照搬國(guó)外利用模式，探索一條具有中國(guó)特色的煤層氣開采利用之路勢(shì)在必行。

“目前，中國(guó)在高階煤煤層氣勘探選區(qū)評(píng)價(jià)理論和技術(shù)方法、煤層氣鉆完井工程技術(shù)、集輸工藝技術(shù)方面日益成熟，在活性水?dāng)y砂壓裂技術(shù)體系、煤層氣井‘穩(wěn)定、連續(xù)、緩慢、長(zhǎng)期’的排采生產(chǎn)原則方面不斷完善，中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，煤層產(chǎn)業(yè)進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展初級(jí)階段，前景廣闊。”吳建光說(shuō)。

先進(jìn)技術(shù)助力“加油清障”

盡管中國(guó)煤層氣資源豐富，但產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率低、資源動(dòng)用率低、單井產(chǎn)量低等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題長(zhǎng)期存在，提高煤層氣開采技術(shù)的適用性和成熟度，用先進(jìn)技術(shù)助力煤層氣產(chǎn)業(yè)“加油清障”是與會(huì)代表熱議的話題。

目前，中國(guó)已經(jīng)初步形成了一套適宜沁水盆地南部高階煤、鄂爾多斯盆地東緣中階煤的較為成熟的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)，這兩大區(qū)域的煤層氣開采技術(shù)在一定程度上代表著中國(guó)煤層氣開采的技術(shù)水平。

“沁南煤層氣產(chǎn)業(yè)基地支撐了全國(guó)80%左右的煤層氣產(chǎn)量，套管完井、活性水壓裂、穩(wěn)控精細(xì)排采、低壓多井集輸?shù)戎黧w技術(shù)體系日益完善。鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開采的低傷害完井和水平井篩管完井技術(shù)以及可控破膠清潔壓裂液、高效支撐壓裂技術(shù)成果比較突出。”吳建光說(shuō)。

以沁水盆地南部潘莊區(qū)塊煤層氣開采為例，針對(duì)15號(hào)煤層煤層薄、構(gòu)造煤發(fā)育等特性，潘莊區(qū)塊依托單支水平井工藝、篩管完井，平均單井日產(chǎn)氣量1.07萬(wàn)立方米;鄂爾多斯盆地東緣柳林區(qū)塊首創(chuàng)了斜井連通的多煤層、多分支水平井鉆井和完井技術(shù)，單井日產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)1萬(wàn)立方米，最高日產(chǎn)量可達(dá)1.6萬(wàn)立方米。

煤層氣單井產(chǎn)量低的問(wèn)題一直制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是一些煤層氣田生產(chǎn)了十幾年，逐漸進(jìn)入產(chǎn)量衰減期，面臨著開發(fā)難度大、產(chǎn)量低、成本高的實(shí)際問(wèn)題，加強(qiáng)老氣田綜合治理，加速推進(jìn)煤層氣田穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)研究和產(chǎn)能接續(xù)研究成為推進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新課題。

“鄂東氣田韓城區(qū)塊低產(chǎn)低效井占比較大，產(chǎn)氣效果較差主要是由于韓城區(qū)塊井網(wǎng)不完善、井距偏大無(wú)法形成井網(wǎng)干擾、壓裂改造不充分和后期排采制度不合理導(dǎo)致的，通過(guò)完善井網(wǎng)、挪鉆水平井、間接壓泵改造等措施，韓城區(qū)塊單井煤層氣產(chǎn)量有所提升，綜合治理成效初顯。”徐鳳銀介紹。

“三氣共采”激發(fā)企業(yè)積極性

在含煤巖系中，除了煤層氣資源外，還共生有豐富的頁(yè)巖氣、致密砂巖氣資源，這些資源同樣具有開發(fā)潛力。目前，美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了煤層氣、致密砂巖氣的合采開發(fā)，綜合效益顯著。

與會(huì)專家表示，實(shí)現(xiàn)煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣“三氣共采”，可以實(shí)現(xiàn)一口井的綜合開發(fā)利用，能夠彌補(bǔ)單一抽采的虧損，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，由此能夠進(jìn)一步激發(fā)企業(yè)開采投資的積極性，對(duì)推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展大有裨益。此外，實(shí)現(xiàn)“三氣共采”還有利于從根本上防治煤礦瓦斯事故，能夠有效減排煤炭開采時(shí)釋放的溫室氣體，在保障煤礦安全生產(chǎn)和環(huán)保方面具有積極意義。

在鄂爾多斯盆地，含煤巖系非常規(guī)氣“三氣共采”已經(jīng)積累了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，開辟了煤層氣高效開發(fā)新途徑。據(jù)了解，鄂爾多斯盆地含煤巖系的沉積特點(diǎn)，使得縱向上煤層、致密砂巖層等儲(chǔ)層多層疊置，橫向上連續(xù)成藏，雖然單層厚度小，但累積厚度大，總體呈厚層狀復(fù)合天然氣產(chǎn)層。

針對(duì)這一特點(diǎn)，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以綜合效益最大化為原則，以提高資源利用率為目的，實(shí)行同井接替合采。“從技術(shù)方面看，我們通過(guò)鄰近層致密氣生產(chǎn)造成的地下壓力系統(tǒng)擾動(dòng)，促進(jìn)煤層氣解吸，降低煤層氣開發(fā)難度;從經(jīng)濟(jì)效益方面看，我們縮短了煤層氣達(dá)產(chǎn)時(shí)間，延長(zhǎng)了氣井經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)時(shí)間。我們進(jìn)行的‘三氣合采’現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，合采效果良好，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)層接替生產(chǎn)。”吳建光說(shuō)。

吳建光指出，“三氣合采”仍有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。“比如，合采產(chǎn)層組劃分標(biāo)準(zhǔn)及其有效開發(fā)方式問(wèn)題、裂縫有效穿層致裂問(wèn)題、同井筒有效分壓工藝問(wèn)題、一體化集輸問(wèn)題、兼顧多類型產(chǎn)層的儲(chǔ)層保護(hù)問(wèn)題等還未能妥善解決，‘三氣合采’仍有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。”吳建光說(shuō)。

瓦斯防治不再“談虎色變”

中國(guó)煤礦開采條件復(fù)雜，煤炭資源埋藏深，高突礦井占比多，且隨著開采深度和強(qiáng)度不斷增加，煤與瓦斯災(zāi)害愈加嚴(yán)重，各種災(zāi)害耦合疊加，使瓦斯防治難度加大，重特大瓦斯事故仍時(shí)有發(fā)生，瓦斯防治依然是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院公司安全分院瓦斯所所長(zhǎng)舒龍勇表示，瓦斯是煤礦安全的“第一殺手”，煤與瓦斯突出防治仍是世界性難題。“現(xiàn)有的煤與瓦斯突出機(jī)理研究比較抽象，關(guān)注的是影響突出的某一個(gè)或幾個(gè)因素，缺乏與工程結(jié)構(gòu)的結(jié)合，更偏重于災(zāi)變過(guò)程或?yàn)?zāi)后結(jié)果的分析，很難清晰地解釋突出孕育、啟動(dòng)過(guò)程和臨界條件，難以有效指導(dǎo)突出預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)和防治。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，煤與瓦斯突出機(jī)理研究與突出綜合防治實(shí)踐還存在相互脫節(jié)的問(wèn)題。”舒龍勇說(shuō)。

目前，舒龍勇正在進(jìn)行煤與瓦斯突出地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境特征、突出煤體的基本物理力學(xué)性質(zhì)、采掘面采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力場(chǎng)互饋?zhàn)饔脵C(jī)制、采掘面過(guò)典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū)孕災(zāi)過(guò)程分析等方面的研究，將煤與瓦斯突出機(jī)理研究與現(xiàn)場(chǎng)工程條件相結(jié)合，以期加強(qiáng)煤與瓦斯突出的防控與預(yù)測(cè)。

2019年10月1日，新修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》正式實(shí)施。在中煤科工集團(tuán)首席科學(xué)家、重慶研究院瓦斯研究分院院長(zhǎng)孫東玲看來(lái)，新修訂的《防突細(xì)則》在技術(shù)層面又有了更高的要求。

在解讀《防突細(xì)則》時(shí)，孫東玲指出，精準(zhǔn)、可靠的防突措施鉆孔施工技術(shù)、設(shè)備等相關(guān)問(wèn)題被多次提及，以技術(shù)為依托是防突的關(guān)鍵。“比如，《防突細(xì)則》第四十七條明確了深度超過(guò)120米的預(yù)抽瓦斯鉆孔應(yīng)當(dāng)每10個(gè)鉆孔至少測(cè)定2個(gè)鉆孔的軌跡，深度60米至120米的應(yīng)當(dāng)每10個(gè)鉆孔至少測(cè)定1個(gè)鉆孔的軌跡。第六十四條增加了‘定向鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施’的表述，對(duì)防突措施鉆孔施工提出了具體要求。”

除此之外，孫東玲在解讀《防突細(xì)則》時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)了信息化技術(shù)、智能化技術(shù)在煤與瓦斯突出預(yù)警、煤層氣抽采訪方面的重要作用，建議煤炭企業(yè)在遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化無(wú)人操控防突技術(shù)裝備的應(yīng)用方面持續(xù)發(fā)力。