中國煤層氣開發模式分析及開發技術研究

房 超陳貴峰

(1.中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083;2.煤炭科學研究總院,北京市朝陽區,100013)

中國煤層氣開發模式分析及開發技術研究

房 超1陳貴峰2

(1.中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083;2.煤炭科學研究總院,北京市朝陽區,100013)

結合煤層氣的分布特征,對比分析了目前我國煤層氣開發的不同模式,指出我國今后發展煤層氣的有利區塊,并結合典型的煤層氣產區,提出了對應的開發模式與開發技術。最后從煤層氣發展的社會效益和經濟效益等方面出發,指出大規模開發利用煤層氣的時機已然成熟。

煤層氣開發 開發模式 開發技術 有利區塊

中國不僅是煤炭資源生產和消費大國,同時也是煤層氣資源大國。隨著煤礦開采深度的增加和煤層氣涌出量的不斷增大,煤礦安全問題和煤層氣資源利用問題形勢嚴峻。2008年,在中國能源消費結構中,天然氣占3.6%,煤炭占70.2%,預計到2020年天然氣需求量為2930億m3,缺口達1000億m3以上。中國明確提出加大煤層氣的開發利用力度,以便從根本上解決煤礦安全問題,把煤層氣作為第二煤炭資源開發。開展對煤層氣開發有利區塊研究,加強對開發技術研發,有利于加速煤層氣開發進程,切實提高煤層氣抽采量,推動煤層氣產業化發展。

1 煤層氣資源概況

據最新一輪煤層氣資源評價結果,中國埋深2000 m以淺的煤層氣資源總量為36.81萬億m3,與陸上常規天然氣資源量相當。中國煤層氣資源量占世界總量約13%,居世界第3位,僅次于俄羅斯和加拿大。世界煤層氣資源分布見圖1。

圖1 世界煤層氣資源分布

2 煤層氣開發模式

根據煤層氣資源賦存特點,中國煤層氣的開發模式主要有兩類:一類是煤礦區煤層氣的開發,側重煤礦安全和能源開發,與采煤息息相關;另一類是非礦區煤層氣的開發,僅側重能源開發,與采煤無關。其中,煤礦區煤層氣開發占煤層氣開發的70%。

2.1 煤礦區煤層氣開發現狀

中國煤礦區煤層氣抽采是從建國后開始的。1952年,撫順礦務局的龍鳳礦開始較大規模在開采層抽采煤層氣。20世紀50年代僅在撫順、陽泉、天府和北票等6個礦進行煤層氣抽采,總量約為60 Mm3。20世紀60年代相繼在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等20個礦井進行煤層氣抽采。從20世紀80年代開始,我國煤礦抽采煤層氣迅猛發展。截至2008年底,煤礦區煤層氣抽采量已達53億m3,抽采瓦斯的礦井數達283個,與20世紀50年代相比,抽采瓦斯的礦井數增加約47倍。1992-2008年來國有重點煤礦煤層氣抽采量和抽采礦井數見圖2。

圖2 1992-2008年國有重點煤礦煤層氣抽采量和抽采礦井數

2.2 非礦區煤層氣開發現狀

截至目前,全國有煤層氣有效礦權113個,總面積達65520 km2。其中,煤層氣探礦權106個,總面積達65285 km2,主要分布在17個省區,各省區煤層氣探礦權面積分布比例見圖3。煤層氣采礦權7個,總面積235 km2,主要分布在山西、遼寧和陜西省。

圖3 省區煤層氣探礦權面積分布比例

煤層氣探礦權人25個,包括3家中直企業(中聯煤、中石油和中石化)和22家地方煤層氣企業(晉煤集團、陽煤集團等)。采礦權人為中聯煤層氣有限責任公司、中國石油天然氣股份有限公司和遼寧省鐵法煤業集團有限責任公司等6家公司。

2008年底,地面煤層氣開發實現產能15億m3、產量 5億 m3、利用量約 3億 m3的生產、銷售和利用,其中非礦區煤層氣開發量占地面煤層氣開發量的35%。

2.3 煤礦區煤層氣與非礦區煤層氣開發對比

煤層氣井下抽采量逐年遞增,抽采非常活躍;地面煤層氣開發從無到有,2005年實現了零的突破。煤層氣兩種開發模式歷年開發量對比見圖4。

圖4 兩種煤層氣開發模式1993-2009年開發量對比

3 中國煤層氣開發有利區塊

山西沁水盆地南部、陜西鄂爾多斯盆地東緣地區是目前煤層氣開發重點地區,是煤層氣開發最有利區塊。

3.1 山西沁水盆地南部

沁水盆地是當今我國煤層氣勘探開發程度最高的盆地,含煤地層主要是上石炭統太原組和下二疊統山西組;煤層厚度大、分布穩定,熱演化程度高,生氣量大;煤儲層割理發育,構造線交匯部位裂隙發育,煤層氣產出條件好;煤層上覆有效厚度較大,水動力條件好,煤層氣保存條件有利;新一輪全國煤層氣資源評價結果表明,盆地風化帶至煤層埋深2000 m以淺區煤層氣地質資源量為39500.42億 m3,資源豐度為1.46億m3/km2,可采資源量為11216.22億 m3。其中上石炭統太原組和下二疊統山西組煤層氣地質資源量分別為23397.99億 m3、16102.43億 m3,占地質資源總量的59.23%和40.77%。

目前,中石油、中聯煤、晉城煤業集團、亞美大陸、格瑞克能源(國際)公司、奧瑞安等國內外公司相繼在沁南煤層氣田展開勘探開發。截止到2009年底,在沁南煤層氣田共施工各類煤層氣井達3034座,年產量10億m3。

3.2 陜西鄂爾多斯盆地東緣

鄂爾多斯盆地東緣是鄂爾多斯盆地煤層氣主要富集區帶,也是我國最有利的煤層氣勘探開發地區之一。盆地東緣的含氣面積達到1.63萬km2,資源豐度1.53億m3/km2。煤層埋深適中,為500～1500 m,滲透率較高,一般達到1 mD,煤層單層厚度3～8 m,累計厚度8～13 m,含氣量高,以肥、焦煤為主,有少量貧、瘦煤,資源豐富,區位條件優越,且有較好的開發基礎。

到目前為止,已施工煤層氣共400余座。韓城、柳林和三交3個區塊的煤層氣開發具有優勢。

4 中國煤層氣開發技術

煤礦區煤層氣的開發,正逐漸改變過去單一的井下抽采方式,開展了地面開發和井下抽采相結合的技術研究。非礦區煤層氣的開發主要是采用地面開發技術。

4.1 井下抽采

煤層氣井下抽采技術主要包括本煤層、鄰近層、采空區等多種抽采方法,見表1。

目前,中國已進入綜合抽采煤層氣階段,即采前預抽、邊采邊抽及采后采空區抽采等多種方法在一個采區內綜合使用。在時空上為煤層氣抽采創造更多的有利條件,在工藝上將鉆孔抽采與巷道抽采相結合、井下抽采與地面鉆孔相結合、常規抽采與強化抽采相結合以及垂直短鉆孔抽采與水平長鉆孔抽采相結合。

4.2 地面開發技術

煤層氣地面開發可分為2種開發方式。一種是地面預采技術,主要開發未采動煤層中的煤層氣,所采用的技術與常規天然氣生產技術相似,對于滲透率低的煤層往往采取煤層壓裂增產措施。另一種是地面采動開采技術,主要包括生產礦井采動區和采空區開采煤層氣,因采動影響,煤層和含氣巖層的滲透率明顯提高,煤層氣大量解吸,抽氣容易,不需要進行煤層壓裂處理。

4.2.1 地面垂直井開采技術

地面垂直井開發模式始于20世紀70年代,美國一些煤礦業主借用石油天然氣工業的開發技術,通過排水降壓使煤層中的吸附氣解吸出來,由井筒流到地面。這種開采方式具有產氣量大、資源回收率高、機動性強特點,可形成規模效益。但要求有厚度較大的煤層或煤層群、煤儲層的滲透性較好以及較有利的地形等條件。

表1 煤層氣井下抽采技術一覽表

由于我國各地資源條件和開發條件差異,地面預采煤層氣增產措施有所不同,主要為裸眼擴徑、洞穴完井和水力壓裂。鑒于煤層滲透率較低,只能采用壓裂技術進行增產改造。目前國內地面直井煤層氣日產量大約為15000 m3,適合此種開發模式的礦區主要為煤儲層滲透率較高的沁水盆地南部地區和鄂爾多斯盆地的河東煤田。

4.2.2 多分支水平井開采技術

多分支水平井技術主要適用于煤層厚度大且分布穩定,煤層滲透率較低的煤儲層。多分支水平井開采技術與采用射孔完井和水力壓裂增產的常規直井相比,具有得天獨厚的優越性,主要表現為增加有效供給范圍、提高導流能力、減少對煤層的傷害、單井產量高、經濟效益好和有利于環境保護等優點。

目前,我國共施工近150座多分支水平井,主要集中在沁水盆地的晉城、壽陽、端氏和大寧等地區。在沁南的潘莊區塊,由奧瑞安公司設計施工的多分支水平井的單井日產量突破10萬m3,約是相鄰地區常規垂直井單產的50倍。

中國自2003年引進并吸收此項技術,中聯煤層氣公司成功實施的第一座水平井DS-01井,累計完成進尺6526 m,產量將達到3～4萬 m3/d,約相當于10座煤層氣直井的產量。

5 結論

據國家煤礦安監局統計,2008年與2005年相比,煤礦瓦斯事故下降 56%,死亡人數減少64%,瓦斯抽采量增加130%,利用量增加160%。加大煤層氣能源的開采力度符合目前低碳、環保、清潔能源及可持續發展的大環境,更為目前煤礦開采提供了有利的安全保障。煤礦區煤層氣開發逐漸從單純井下抽采技術向地面井下相結合的抽采技術發展,抽采量大幅提高。非礦區煤層氣受中國特有的地質條件限制,開發進度曾一度緩慢,但隨著近年來國家政策的大力支持及地面煤層氣鉆探技術的提高,非礦區地面開采煤層氣正在上升到一個新的高度。目前,中國煤層氣的發展亦采用兩條腿走路的策略,即煤礦區煤層氣開發和非礦區煤層氣開發同時發展,但目標各有側重。只有分類指導管理,針對各自具體的地質構造條件和煤儲層特征,因地制宜地選擇適用的開發技術,才能取得好的開發效果。隨著國家對煤礦安全重視程度的加大以及清潔能源的提倡,“先采氣后采煤”的地面開采煤層氣技術必將引領今后十年的煤層氣發展。

[1]張群.關于我國煤礦區煤層氣開發的戰略思考[J].中國煤炭,2007(11)

[2]王魁軍,羅海珠等.礦井瓦斯防治技術優選—瓦斯涌出量預測與抽放[M].江蘇:中國礦業大學出版社,2008

[3]林建浩,胡愛梅.中國煤層氣開發產業化對策研究[M].北京:石油工業出版社,2007

(責任編輯 張毅玲)

The Comparison and development study of China’s CBM development models

Fang Chao1,Chen Guifeng2
(1.China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China;2.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

According to the CBM distribution characteristics,this paper comparatively analyses the different development model of China’s current CBM and point out the favorable districts for our future development of CBM.Besides,the corresponding CBM development model and the development technology are proposed combined with the typical coal bed methane production areas.At last,it is pointed out that the opportunity for large-scale development and utilization of CBM is ripe from the social and economic benefits of CBM development.

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TD712

B

房超(1983-),男,工程師,現為中國礦業大學(北京)2009級地理信息工程專業在讀研究生,曾在中聯煤層氣有限責任公司、中聯煤層氣國家工程研究中心從事過煤田地質勘探設計、科研和地理信息工程等工作。