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煤层气:从“夺命瓦斯”到“澎湃动力”

来源:国家能源局贵州监管办公室 时间:2018-08-16 00:53:42浏览量:278

它曾是巷道里的矿工杀手,一个意外的火花就可能酿成一场矿难悲剧。而随着人类对其认识的逐步深入,它被从地下大规模开采出来,不仅有效保障了矿工等地下作业人员的生命安全,而且通过管道进入城市、工厂和乡村,成为人们生产生活中常见的清洁能源之一。它就是煤层气。

  改革开放40年来,中国在煤层气勘探开发领域取得了举世瞩目的成就,以一系列技术突破为先导,煤层气产业从无到有、从小到大迅速发展,大幅改善了煤矿安全生产环境,大大提高了采煤效率,率先发展成为大规模商业化开采和使用的非常规天然气之一,成为驱动中国号快速前进的澎湃动力。

  优质清洁高效 储量丰富分布广

  煤层气,又被称为煤矿瓦斯,是赋存在煤层和煤系地层的烃类气体,主要成分为甲烷,是煤的伴生矿产资源。当其在空气中浓度达到5%-16%时,遇明火会爆炸,曾是煤矿安全生产的主要威胁之一,它也因此得过矿工杀手恶名。 另一方面,煤层气是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。1立方米煤层气大约相当于9.5度电、1.13千克汽油、1.21千克标准煤。煤层气的热值是通用煤的2至5倍,燃烧后几乎不产生任何废气,是当之无愧的优质清洁能源。

  在采煤之前,先行开采伴生其间的煤层气,不仅可以把煤矿瓦斯爆炸率降低70%到85%,从根本上提高煤矿安全环境,而且可以获得一种重要而丰富的清洁能源,产生巨大经济价值。

  煤层气资源目前主要有两种开发方式:一是地面钻井开采;二是井下抽采。井下抽采意味着先采煤后采气,或者边采煤边采气,抽放的煤层气绝大部分仍然排入大气,得不到合理利用。而地面钻井开采则是先采气后采煤,为利用煤层气创造前提,也有利于改善煤矿的安全生产条件。显而易见,地面钻井开采是更为先进优良的方式,更能促进对能源资源的高效利用。

  煤层气虽与煤炭伴随而生,但也有其自身独特的性质,不能完全按照油气勘探开发的方法对其进行开发,而是需采用符合其特点的方法。目前煤层气的排采机理为:抽排煤层承压水,降低煤储层压力,促使吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷,并在地层压力和井筒压力差的作用下运移至井口。

  煤层气是一种储量丰富且分布范围较广泛的能源。根据相关统计,全球埋深小于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米,是常规天然气探明储量的两倍多。中国是煤层气资源丰富的国家,储量位居世界第三位,仅次于俄罗斯和加拿大。据勘查,埋深小于2000米的煤层气总储量约为37万亿立方米,大致相当陆上常规天然气资源量,其中,可采资源量超12万亿立方米。

  勘探开发经4阶段 挺进180亿立方米

  很多国家和地区把煤层气勘探开发作为重要的能源政策方向,其中美国、德国、澳大利亚、俄罗斯等不仅起步早,而且发展快。国家能源委咨询专家委员会委员孙茂远以美国为例介绍说,早在上世纪30年代,该国在阿巴拉齐亚盆地进行了煤层气商业开发,之后在圣胡安盆地的煤层气也被开采出来,并形成了一定产能。进入上世纪80年代,美国在黑勇士盆地和圣胡安盆地的煤层气开采试验取得重大突破,推动了该国煤层气产业大发展,产量从1981年的1.3亿立方米提升至1989年的26亿立方米。在其后十多年间,每年增产40亿50亿立方米,到2001年,产量超440亿立方米。完善、成熟的煤层气产业在美国建立起来并引发了国际煤层气开采热潮。

  中国煤层气开发利用已经有超过50年历史,大致可划分为井下抽放试验勘探技术引进规模开发4个阶段。上世纪50年代到70年代,中国开始了煤层气的开采工作,但鉴于技术因素制约,当时主要采取的是井下抽放煤层气的开采方式,主要着眼点是减少煤矿瓦斯安全事故。期间,在河南焦作、山西阳泉、辽宁抚顺等煤矿钻下几十口煤层气井。1970年至1990年间,中国煤层气进入试验勘探阶段,政府和科研机构积极尝试对煤层气进行勘探开发以及利用,并在个别条件较好的矿区进行了试采,为以后的煤层气开发提供了宝贵的数据和经验。

  1990年至2005年,中国处于技术引进实践阶段,以中联煤层气有限责任公司(中联公司)为代表的中方企业大力引进国外先进技术进行煤层气勘探。1998年1月,中联公司与一家美国公司签署了合作开发安徽省淮北煤层气田的产品分成合同,这也是中国第一个煤层气开发对外合作合同。

  煤层气开发被列入了国家十一五和十二五能源发展规划,一系列鼓励政策相继出台,推动煤层气开发利用进入新阶段,产量从2007年的约34亿立方米,增长至2017年的约180亿立方米。

  立足自主技术突破 打造示范项目

  中国通过对外合作,引进外资,一方面加快了本国煤层气开发技术发展,欠平衡钻井技术、多分支以及单分支水平井钻井技术、U型井钻井技术等很快应用到开采实践,加速了产业进程。另一方面,中国煤层气成矿和储存条件的特点也决定了引进技术是远远不够的,必须探索出一条具有本国特色的煤层气勘探开发道路。与美国、加拿大、澳大利亚等煤层气开发条件较好国家相比,中国的煤层气勘探开发存在许多先天问题:地质环境多变,经历过多期次构造运动,煤层受到严重的挤压破坏,煤层气藏具有低压、低饱和、低渗透、瓦斯含量高、煤质松软的特点;开采过程中煤层气放散速度快,易诱发瓦斯爆炸。

  中国能源科技工作者不畏艰难,不断推进煤层气勘探开采科技创新,实现了一系列突破。据中国煤炭科工集团西安研究院郝世俊研究员介绍,从20世纪90年代以来,在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》等支持下,中国煤层气钻井技术与装备得到长足发展,逐步形成了以空气钻井和PDC钻头+螺杆马达复合钻井为核心的直井钻井技术、以定向钻井为核心的丛式井钻井技术、以地质导向钻井为核心的水平井钻井技术,以及以欠平衡钻井和屏蔽暂堵为核心的钻井过程储层伤害控制技术,形成了沁水盆地南部的深煤层勘探开发技术体系和贵州的多煤层勘探开发技术体系,打造了数个国家级煤层气开发利用示范工程。

  从2004年末开始,中联煤层气有限责任公司在山西省东南部的沁水盆地,致力于建设首个国家级煤层气开发利用示范工程。据中联煤层气有限责任公司总工程师吴建光介绍,该工程经国家发改委批准后,第一批40口井先导性试验工程于当年就正式开工,到2005年11月,完成了钻井、压裂、排采和地面集输工程,建设了4座阀组、1个集气站和1个供气站,开始商业性试生产。到2009年10月,完成了沁南示范工程一期全部150口井的钻井、压裂、排采和地面集输工程,建设了国家煤层气开发利用示范工程潘河增压站,标志着示范工程正式投入商业化生产阶段,成为中国煤层气产业化发展的一个里程碑。

  沁南示范工程建设过程中,实现了一系列技术创新,其中包括空气钻井技术微珠低密度固井技术清水加砂压裂技术氮气泡沫压裂技术分片集输一级增压地面集输技术稳控精细排采技术等8项。同时,形成4项技术和安全规范、规程,开创了中国煤层气重大建设项目的技术、工艺体系和规范化管理的先河。此外,还进行了新材料、新装备的试验。

  对沁南示范工程进行的技术创新和取得的建设成就,国家能源委咨询专家委员会委员孙茂远撰文评价说,沁南示范工程建成投产10年来,224口直井平均单井产量稳定在3400至4700立方米,高于资源条件类似的美国黑勇士盆地平均单井产量,推动中国煤层气开发迎来快速发展期。

  《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用十三五规划》提出,到2020年,建成2至3个煤层气产业化基地;煤层气抽采量达到240亿立方米,其中地面煤层气产量100亿立方米,利用率90%以上;煤矿瓦斯抽采140亿立方米,利用率50%以上;煤矿瓦斯发电装机容量280万千瓦,民用超过168万户。在孙茂远看来,完成上述目标并不容易,他建议继续加大国家重大科技专项对煤层气研发的支持力度,出台鼓励煤层气、页岩气等合采政策。(郭艳艳 张保淑)

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