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作為煤炭資源大國，我國煤層氣資源豐富，據自然資源部2022年最新統(tǒng)計數據，埋深2000米以淺的地質資源量約為30.05萬億立方米，可采資源量約為12.5萬億立方米，其中，高煤階、中煤階、低煤階煤層氣資源結構完整，地質資源量各約占1/3。2000米以深的地質資源量為40.71萬億立方米，可采資源量為10.01萬億立方米。
我國煤層氣資源在鄂爾多斯、沁水、吐哈、準噶爾、松遼、塔里木、四川等盆地均有分布，地質資源總量接近26萬億立方米。其中，中國石化探區(qū)內煤層氣地質資源量約為10萬億立方米，占全國煤層氣地質資源總量的1/7，主要分布在鄂爾多斯、四川、準噶爾盆地。
煤層氣：一種優(yōu)質的清潔能源
煤層氣又稱煤礦瓦斯，是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，屬非常規(guī)天然氣。
煤層氣在煤礦開采行業(yè)中以“奪命瓦斯”為人熟知，當煤層氣在空氣中的濃度為5%~16%時，遇明火就會爆炸，這是造成煤礦瓦斯爆炸事故的根源。此外，若煤層氣直接排放到大氣中，其產生的溫室效應約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。
然而，煤層氣本質上是一種優(yōu)質的清潔能源，1立方米煤層氣的熱值約40兆焦耳，與常規(guī)天然氣接近，相當于1.13千克汽油、1.21千克標準煤的熱值。煤層氣燃燒的產物為水和二氧化碳，幾乎不產生其他廢氣，是較為優(yōu)質的工業(yè)和民用燃料。因此，開發(fā)利用煤層氣一舉多得：有利于煤礦安全生產，降低瓦斯爆炸風險；有利于優(yōu)化能源結構，支撐能源接替；有利于實現“雙碳”目標，助力節(jié)能降碳。
01煤層氣勘探開發(fā)進展
國外煤層氣勘探開發(fā)主要集中在美國、加拿大與澳大利亞等國家。
美國是煤層氣產業(yè)與技術的發(fā)源地，自20世紀80年代開始，先后在圣胡安、黑勇士、粉河等盆地實現煤層氣規(guī)模商業(yè)開發(fā)，2008年產量達556.71億立方米，之后由于頁巖氣產業(yè)的興起，煤層氣投資和勘探開發(fā)工作量銳減，產量逐年下滑，目前年產量規(guī)模在200億立方米左右。
2000年，加拿大改進美國的理論技術體系，實現了煤層氣商業(yè)開發(fā)，2009年產量達95億立方米，后因多方面原因，產量持續(xù)下降，2018年降為51億立方米左右。
澳大利亞自2014年以來重點關注煤層氣與致密砂巖氣多氣共采，大幅度降低了勘探開發(fā)成本，實現單井產量大幅提升，2018年產量約393億立方米，取代美國成為全球煤層氣最大生產國。目前，煤層氣年產量超過400億立方米，居全球首位。
我國煤層氣的探索始于20世紀80年代，前期主要針對1500米以淺的煤層氣資源開展評價和勘探?！傲濉逼陂g，我國首次組織開展全國瓦斯資源大調查。之后，中聯(lián)煤層氣公司、藍焰煤層氣公司、煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心、煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、中國石油煤層氣公司等相繼成立，煤層氣產業(yè)發(fā)展得到極大推動。
然而，受資源稟賦、開發(fā)理論技術等因素影響，“十一五”到“十三五”期間，我國煤層氣產業(yè)發(fā)展緩慢。“十一五”為規(guī)模起步期，產量年平均增速達140%，“十二五”進入調整期，產量年平均增速為23.8%，“十三五”產業(yè)發(fā)展進入瓶頸期，產量年平均增速僅為7.5%，2020年產量為67億立方米。
“十四五”以來，我國深層煤層氣勘探開發(fā)取得突破性進展，煤層氣年產量再次提速，2021年產量77億立方米，增速14.9%；2022年產量98億立方米，增速27.3%；2023年產量117億立方米，增速20.5%。煤層氣開發(fā)利用規(guī)?？焖僭鲩L，已經成為補充天然氣供應的區(qū)域性氣源。
我國煤層氣資源賦存條件復雜，煤儲集層品質差、非均質性強，開發(fā)技術難度大。經過40余年的探索與實踐，煤層氣勘探開發(fā)理論與技術取得顯著進展，在“十二五”和“十三五”國家科技重大專項和中國石油、中國石化、中國海油、新華燃氣等企業(yè)重點項目支撐下，地質、鉆井、壓裂、排采四大關鍵核心技術體系不斷突破，針對沁水淺層高階煤層氣、鄂爾多斯深層中高階煤層氣、準噶爾深層中低階煤層氣、四川深薄層煤層氣提出了多套煤層氣富集模式與選區(qū)方案，形成了煤層氣儲層測試-測井-地震精細描述技術體系、直井-定向井-多分支井水平井鉆完井技術體系、理論計算物理模擬-施工工藝-裂縫監(jiān)測儲層改造技術體系、精細排采控制技術體系。目前，我國已建成沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產業(yè)基地，已發(fā)現潘莊、樊莊、韓城、柳林、延川南、大吉、神府等多個煤層氣田。
02深層煤層氣勘探取得戰(zhàn)略性突破
深層煤層氣通常指埋藏深度超過1500米的煤層氣資源。深層煤層氣資源豐富，勘探領域廣闊，我國埋深大于1500米的深層煤層氣資源量可達50萬億立方米，占全國煤層氣資源量的70%，中國石化油氣礦權內深層煤層氣資源量超7萬億立方米。
與淺層煤層氣不同，深層煤層氣具有儲層壓力大、含氣量高、游離氣豐富等特點。研究表明，80%以上淺層煤層氣為吸附氣，含氣量一般為10~20立方米/噸，深層煤層氣含氣量高達40立方米/噸，是淺層煤層氣含氣量的2~3倍，吸附氣占比較低，游離氣占比最高可達50%，具備高產穩(wěn)產的基礎。但深層煤儲層地應力高、有效應力大、滲透率差，需要通過水平井分段壓裂技術才能有效動用，開發(fā)成本高、技術難度大。
目前，深層煤層氣勘探已在多個盆地取得戰(zhàn)略性突破，形成了增儲建產的新陣地?！笆奈濉币詠恚袊谘哟蠀^(qū)塊年產煤層氣4億立方米，累計產氣28.8億立方米，實現了中-深層煤層氣商業(yè)規(guī)模開發(fā)；2023年，在大牛地氣田陽煤1HF井與南川區(qū)塊陽2井取得了深層煤層氣勘探重大突破，水平井陽煤1HF井峰值日產達10.4萬立方米，6個月累計產氣1373萬立方米，直井陽2井峰值日產1.8萬立方米，7個月累計產氣253萬立方米，展示了深層煤層氣良好的勘探開發(fā)前景。中國石油在鄂東大寧吉縣提交探明儲量1122億立方米，2023年產量超10億立方米，2025年產量將達50億立方米。中國海油在鄂東北神府區(qū)塊提交探明儲量超1100億立方米，2023年產量超1億立方米。
通過系統(tǒng)總結深層煤層氣典型井區(qū)的成藏特征與改造效果，初步形成了一定的理論認識和技術成果。
第一，初步落實了不同盆地主力煤層展布與煤質特征。我國主要發(fā)育石炭-二疊系海陸過渡相和侏羅-白堊系河流-湖泊相煤層，其中，石炭-二疊系海陸過渡相煤層以鄂爾多斯、四川、渤海灣等盆地為代表，為海相、海陸過渡相沉積環(huán)境，分布面積廣；侏羅-白堊系煤層以準噶爾、吐哈、塔里木盆地為代表，屬河-湖相沉積環(huán)境，局部富集。此外，明確了緩慢穩(wěn)定海侵背景下形成的煤層單層厚度大、煤質較好；持續(xù)快速海侵背景下形成的煤層單層厚度小、層數多、煤質好；濱湖沉積背景下形成的煤層單層厚度大、煤質一般。
第二，建立了巖芯觀測-CT掃描-測井響應煤巖類型綜合評價技術、深層煤儲層關鍵參數精細描述技術體系、煤儲層吸附-游離氣預測方法，明確了深層中高階光亮-半亮煤生氣量大、裂隙發(fā)育、吸附性好、含氣量與游離氣占比高，是優(yōu)先突破方向。數據顯示，鄂爾多斯盆地與四川盆地中高階煤層蘭格繆爾體積為7.8~21.7立方米/噸，含氣量為11.2~46.7立方米/噸，準噶爾盆地低階煤層蘭格繆爾體積為4.59~9.4立方米/噸，含氣量為5.9~17立方米/噸，顯著低于中高階煤層含氣量，利用水平井與大排量體積壓裂改造后，單井可試獲超10萬立方米的峰值日產，遠超淺層煤層氣產量。
第三，針對深層煤層氣富含游離氣的特點，提出了深層煤層氣“煤巖煤質、保存條件、埋藏深度”控氣機理，揭示了有利煤巖煤質（較高演化程度的低灰半亮-光亮煤）是基礎，控制煤的生烴能力與儲集性能；良好保存條件（構造穩(wěn)定區(qū)、灰?guī)r與泥巖頂板）是關鍵，有利于煤層氣聚集成藏；適宜埋藏深度（臨界深度以下，游離氣占比增加）是保障，影響煤層氣賦存狀態(tài)。在此基礎上形成了深層煤層氣“生烴性、儲集性、保存性、含氣性、可壓性”一體化選區(qū)-目標-甜點評價技術，應用該技術優(yōu)選了中國石化探區(qū)內深層煤層氣有利區(qū)資源量超3萬億立方米。
第四，針對煤層“高泊松比、低彈性模量”難改造、有效支撐縫延伸較短的問題，形成了以“遠支撐”為核心理念、“大排量、大液量、大砂量”有效支撐的壓裂技術，逐步探索排量由12立方米/分提高到18立方米/分，提高縫內凈壓力，增大改造面積，提高遠端鋪砂濃度，單井液量由2000立方米逐步提高到10000立方米，充分延伸裂縫，同時，單井砂量由150立方米提高到1000立方米，實現遠距離支撐，延川南、大牛地與南川等區(qū)塊應用效果顯著。
03深層煤層氣增儲上產仍需進一步攻關
深層煤層氣已實現單井戰(zhàn)略突破，但是總體尚處于探索階段。我國深層煤層氣類型多樣，地質條件復雜，資源稟賦差異大，富集高產機理尚不明確；勘探開發(fā)工程關鍵技術尚不成熟，投資回報率低，效益開發(fā)難度大；深層煤層氣勘探程度低，礦權少，增擴礦權面臨挑戰(zhàn)。為推進深層煤層氣的增儲上產，需進一步加強以下幾方面的持續(xù)攻關：
一是加大新區(qū)新層系新領域勘探開發(fā)力度。目前，中-高階深層煤層氣已在鄂爾多斯盆地東緣實現了規(guī)模有效開發(fā)，勘探層位為太原組8號煤。山西組5號煤儲層條件與8號煤相當，中-高階深層5號煤的勘探突破對于深層煤層氣立體開發(fā)與效益增儲具有重大意義，是當前的戰(zhàn)略突破方向。鄂爾多斯盆地南緣、四川盆地及沁水盆地等地區(qū)的中-高階深層煤層氣地質資源量豐富，具有實現規(guī)模有效開發(fā)的資源基礎，發(fā)展前景廣闊。此外，我國深層低、中、高階煤層氣資源量相當，但以準噶爾、吐哈、海拉爾等盆地為代表的低階深層煤層氣尚未實現規(guī)模開發(fā)，是中國煤層氣未來發(fā)展的重要方向。
二是加強深層煤層氣富集理論與“雙甜點”區(qū)優(yōu)選研究，加強水平井優(yōu)快鉆完井技術與壓裂改造降本增效技術攻關，強化排采規(guī)律研究，促進深層煤層氣高效開發(fā)。
三是聚焦深層煤層氣勘探開發(fā)中關鍵問題和卡脖子技術，推進“中-中”深層煤層氣合作，加強深層煤層氣研討交流，聯(lián)合攻關不同地區(qū)不同煤階富集高產機理研究和鉆完井、壓裂等關鍵技術。
專家視點 深層煤層氣工程技術現
2018年以來，我國逐步開展1500米以深煤層氣勘探評價試驗，各區(qū)域結合深層煤層氣工程地質特征開展了系列工程工藝試驗，取得了較大進展：佳南1H井埋深2550米，水平段2211米，產量5.4萬立方米/日；大牛地氣田陽煤1HF井埋深2875米，水平段1030米，產量超10萬立方米/日；大寧-吉縣部署10座井場35口井，建設產能3.8億立方米/年。
深層煤層以原生結構為主，相比較非常規(guī)頁巖油氣開發(fā)，煤層井壁穩(wěn)定難度大、儲層改造要求高。
在井身結構優(yōu)化設計方面，實現了由直井向水平井、水平井叢式井組轉變，一個井臺部署2～8口水平井，同時由三級井身結構優(yōu)化為二級井身結構，一開套管下深增加，封隔易漏失層位，鉆井周期縮短39%。
在提速技術方面，實現造斜段、穩(wěn)斜段一趟鉆，著陸段+水平段一趟鉆。
在提高薄煤層鉆遇率方面，要求嚴格水平段軌跡控制，通過建立地質模型，采用近鉆頭測量工具，軌跡實時優(yōu)化及隨鉆實時決策，形成了精細化軌跡控制技術，目前平均鉆遇率達97%。
在提高井壁穩(wěn)定性技術方面，采用“強封堵、合理抑制、適宜流變、低濾失”防塌鉆井液措施，從“封堵防塌、井眼清潔、潤滑防卡”三個方面研發(fā)復合鹽水聚合物鉆井液，引入固壁劑、納米封堵劑及乳化瀝青等材料，強化對煤層的吸附能力和對微孔縫的廣譜封堵能力。
在提高深層煤層氣水平井固井質量技術方面，采用一次注雙密度雙凝水泥漿措施，尾漿采用高強韌性防竄水泥漿體系，前置液采用高效沖洗型，并配套新型旋轉浮鞋、低摩阻剛性滾珠和剛性螺旋扶正器等井下附件工具和固井施工遠程監(jiān)控與專家支持系統(tǒng)。
煤層氣經濟勘探開發(fā)的重點在儲層改造，近年來，煤層氣儲層改造技術逐步進步。理念上，借鑒頁巖氣大規(guī)模壓裂改造技術，由基質酸壓向體積壓裂轉變；技術上，由“壓得開”向充分利用割理特征實現深煤層“壓得碎”轉變；效果上，由“多造縫”向充分支撐的“多造有效縫”轉變。前期針對深部煤層煤體結構好、割理裂隙發(fā)育且多方解石填充特點，采用“剪切+溶蝕+支撐”組合縫網體積酸壓技術，擴大深部煤層氣有效泄流范圍。借鑒頁巖氣體積壓裂思路，采用極限體積壓裂，增大用液量和加砂強度，形成“超大、超密、充分支撐體積縫網”。
目前，深層煤層氣勘探取得一定突破，但要實現規(guī)模效益建產還面臨諸多挑戰(zhàn)，在基礎研究、適配性工程工藝技術及降本增效等方面需進一步攻關。
一是強化深層煤層氣基礎理論研究及設計。需要從物理、化學、力學、機械及耦合因素創(chuàng)新開展深層煤層氣井壁失穩(wěn)機理研究；開展深部煤層、巖石力學參數室內試驗，獲取關鍵地質參數；通過煤巖壓裂物理模擬試驗，采用離散元方法模擬考慮隔離面的縫網起裂與擴展，刻畫縫網形態(tài)、幾何尺寸及方位，明確縫網形成主控因素，揭示縫網形成與擴展機理；綜合考慮地質復雜、管柱強度、摩阻、水力清潔等開展設計，提升工程設計系統(tǒng)化理念；開展大數據、人工智能技術在煤層風險防控、提速提效、方案優(yōu)化等方面的應用研究，提升實時預警、隨鉆分析及區(qū)域多井分析能力，為快速決策提供依據，提升鉆完井科學化水平。
二是攻關煤層長裸眼水平井鉆井技術。采用二級井身結構水平井開發(fā)是大幅降本的有效途徑，針對長裸眼段泥巖煤層開展井壁穩(wěn)定、薄弱地層防漏、水平段有效延伸、井眼清潔、套管安全下入、長水平段固井等開展攻關，有效保障安全快速鉆進，實現優(yōu)快鉆井。
三是開展煤巖縫網壓裂工藝技術研究。在易加砂、主縫高導流、次縫能導流的支撐劑粒徑組合方面，不同條件的段簇優(yōu)化方面，低傷害、低成本的一體化壓裂液體系研發(fā)方面，加強研究，結合煤層特征、水平段長、井距、累產、綜合成本等，建立經濟壓裂評價方法，明確壓裂規(guī)模，實現高效壓裂。
四是探索集約式大井臺鉆完井模式。進行叢式井組評價分析，綜合煤層發(fā)育、鉆機擺放、壓裂作業(yè)模式等因素明確最佳井組部署方式，針對大井組大偏移距三維水平井建立綜合延伸極限預測模型，攻關大偏移距長水平段三維水平井鉆井有效延伸技術；以安全施工為前提，強化入井液處理技術研究應用，提升鉆井液、壓裂液重復利用率，實現降本增效。
