它曾是巷道里的“礦工殺手”，一個(gè)意外的火花就可能釀成一場(chǎng)礦難悲劇。而隨著人類對(duì)其認(rèn)識(shí)的逐步深入，它被從地下大規(guī)模開采出來，不僅有效保障了礦工等地下作業(yè)人員的生命安全，而且通過管道進(jìn)入城市、工廠和鄉(xiāng)村，成為人們生產(chǎn)生活中常見的清潔能源之一。它就是“煤層氣”。
改革開放40年來，中國(guó)在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，以一系列技術(shù)突破為先導(dǎo)，煤層氣產(chǎn)業(yè)從無到有、從小到大迅速發(fā)展，大幅改善了煤礦安全生產(chǎn)環(huán)境，大大提高了采煤效率，率先發(fā)展成為大規(guī)模商業(yè)化開采和使用的非常規(guī)天然氣之一，成為驅(qū)動(dòng)“中國(guó)號(hào)”快速前進(jìn)的澎湃動(dòng)力。
優(yōu)質(zhì)清潔高效 儲(chǔ)量豐富分布廣
煤層氣，又被稱為“煤礦瓦斯”，是賦存在煤層和煤系地層的烴類氣體，主要成分為甲烷，是煤的伴生礦產(chǎn)資源。當(dāng)其在空氣中濃度達(dá)到5%-16%時(shí)，遇明火會(huì)爆炸，曾是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，它也因此得過“礦工殺手”惡名。 另一方面，煤層氣是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。1立方米煤層氣大約相當(dāng)于9.5度電、1.13千克汽油、1.21千克標(biāo)準(zhǔn)煤。煤層氣的熱值是通用煤的2至5倍，燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是當(dāng)之無愧的“優(yōu)質(zhì)”清潔能源。
在采煤之前，先行開采伴生其間的煤層氣，不僅可以把煤礦瓦斯爆炸率降低70%到85%，從根本上提高煤礦安全環(huán)境，而且可以獲得一種重要而豐富的清潔能源，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
煤層氣資源目前主要有兩種開發(fā)方式：一是地面鉆井開采;二是井下抽采。井下抽采意味著先采煤后采氣，或者邊采煤邊采氣，抽放的煤層氣絕大部分仍然排入大氣，得不到合理利用。而地面鉆井開采則是先采氣后采煤，為利用煤層氣創(chuàng)造前提，也有利于改善煤礦的安全生產(chǎn)條件。顯而易見，地面鉆井開采是更為先進(jìn)優(yōu)良的方式，更能促進(jìn)對(duì)能源資源的高效利用。
煤層氣雖與煤炭伴隨而生，但也有其自身獨(dú)特的性質(zhì)，不能完全按照油氣勘探開發(fā)的方法對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，而是需采用符合其特點(diǎn)的方法。目前煤層氣的排采機(jī)理為：抽排煤層承壓水，降低煤儲(chǔ)層壓力，促使吸附態(tài)甲烷解吸為大量游離態(tài)甲烷，并在地層壓力和井筒壓力差的作用下運(yùn)移至井口。
煤層氣是一種儲(chǔ)量豐富且分布范圍較廣泛的能源。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球埋深小于2000米的煤層氣資源約為240萬億立方米，是常規(guī)天然氣探明儲(chǔ)量的兩倍多。中國(guó)是煤層氣資源豐富的國(guó)家，儲(chǔ)量位居世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大。據(jù)勘查，埋深小于2000米的煤層氣總儲(chǔ)量約為37萬億立方米，大致相當(dāng)陸上常規(guī)天然氣資源量，其中，可采資源量超12萬億立方米。
勘探開發(fā)經(jīng)4階段 挺進(jìn)180億立方米
很多國(guó)家和地區(qū)把煤層氣勘探開發(fā)作為重要的能源政策方向，其中美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、俄羅斯等不僅起步早，而且發(fā)展快。國(guó)家能源委咨詢專家委員會(huì)委員孫茂遠(yuǎn)以美國(guó)為例介紹說，早在上世紀(jì)30年代，該國(guó)在阿巴拉齊亞盆地進(jìn)行了煤層氣商業(yè)開發(fā)，之后在圣胡安盆地的煤層氣也被開采出來，并形成了一定產(chǎn)能。進(jìn)入上世紀(jì)80年代，美國(guó)在黑勇士盆地和圣胡安盆地的煤層氣開采試驗(yàn)取得重大突破，推動(dòng)了該國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)大發(fā)展，產(chǎn)量從1981年的1.3億立方米提升至1989年的26億立方米。在其后十多年間，每年增產(chǎn)40億—50億立方米，到2001年，產(chǎn)量超440億立方米。完善、成熟的煤層氣產(chǎn)業(yè)在美國(guó)建立起來并引發(fā)了國(guó)際煤層氣開采熱潮。
中國(guó)煤層氣開發(fā)利用已經(jīng)有超過50年歷史，大致可劃分為井下抽放——試驗(yàn)勘探——技術(shù)引進(jìn)——規(guī)模開發(fā)4個(gè)階段。上世紀(jì)50年代到70年代，中國(guó)開始了煤層氣的開采工作，但鑒于技術(shù)因素制約，當(dāng)時(shí)主要采取的是井下抽放煤層氣的開采方式，主要著眼點(diǎn)是減少煤礦瓦斯安全事故。期間，在河南焦作、山西陽(yáng)泉、遼寧撫順等煤礦鉆下幾十口煤層氣井。1970年至1990年間，中國(guó)煤層氣進(jìn)入試驗(yàn)勘探階段，政府和科研機(jī)構(gòu)積極嘗試對(duì)煤層氣進(jìn)行勘探開發(fā)以及利用，并在個(gè)別條件較好的礦區(qū)進(jìn)行了試采，為以后的煤層氣開發(fā)提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。
1990年至2005年，中國(guó)處于技術(shù)引進(jìn)實(shí)踐階段，以中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司(中聯(lián)公司)為代表的中方企業(yè)大力引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行煤層氣勘探。1998年1月，中聯(lián)公司與一家美國(guó)公司簽署了合作開發(fā)安徽省淮北煤層氣田的產(chǎn)品分成合同，這也是中國(guó)第一個(gè)煤層氣開發(fā)對(duì)外合作合同。
煤層氣開發(fā)被列入了國(guó)家“十一五”和“十二五’能源發(fā)展規(guī)劃，一系列鼓勵(lì)政策相繼出臺(tái)，推動(dòng)煤層氣開發(fā)利用進(jìn)入新階段，產(chǎn)量從2007年的約34億立方米，增長(zhǎng)至2017年的約180億立方米。
立足自主技術(shù)突破 打造示范項(xiàng)目
中國(guó)通過對(duì)外合作，引進(jìn)外資，一方面加快了本國(guó)煤層氣開發(fā)技術(shù)發(fā)展，欠平衡鉆井技術(shù)、多分支以及單分支水平井鉆井技術(shù)、U型井鉆井技術(shù)等很快應(yīng)用到開采實(shí)踐，加速了產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。另一方面，中國(guó)煤層氣成礦和儲(chǔ)存條件的特點(diǎn)也決定了引進(jìn)技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須探索出一條具有本國(guó)特色的煤層氣勘探開發(fā)道路。與美國(guó)、加拿大、澳大利亞等煤層氣開發(fā)條件較好國(guó)家相比，中國(guó)的煤層氣勘探開發(fā)存在許多“先天問題”：地質(zhì)環(huán)境多變，經(jīng)歷過多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層受到嚴(yán)重的擠壓破壞，煤層氣藏具有低壓、低飽和、低滲透、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟的特點(diǎn);開采過程中煤層氣放散速度快，易誘發(fā)瓦斯爆炸。
中國(guó)能源科技工作者不畏艱難，不斷推進(jìn)煤層氣勘探開采科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了一系列突破。據(jù)中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院郝世俊研究員介紹，從20世紀(jì)90年代以來，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開發(fā)》等支持下，中國(guó)煤層氣鉆井技術(shù)與裝備得到長(zhǎng)足發(fā)展，逐步形成了以空氣鉆井和“PDC鉆頭+螺桿馬達(dá)”復(fù)合鉆井為核心的直井鉆井技術(shù)、以定向鉆井為核心的叢式井鉆井技術(shù)、以地質(zhì)導(dǎo)向鉆井為核心的水平井鉆井技術(shù)，以及以欠平衡鉆井和屏蔽暫堵為核心的鉆井過程儲(chǔ)層傷害控制技術(shù)，形成了沁水盆地南部的深煤層勘探開發(fā)技術(shù)體系和貴州的多煤層勘探開發(fā)技術(shù)體系，打造了數(shù)個(gè)國(guó)家級(jí)煤層氣開發(fā)利用示范工程。
從2004年末開始，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在山西省東南部的沁水盆地，致力于建設(shè)首個(gè)國(guó)家級(jí)煤層氣開發(fā)利用示范工程。據(jù)中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司總工程師吳建光介紹，該工程經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)后，第一批40口井先導(dǎo)性試驗(yàn)工程于當(dāng)年就正式開工，到2005年11月，完成了鉆井、壓裂、排采和地面集輸工程，建設(shè)了4座閥組、1個(gè)集氣站和1個(gè)供氣站，開始商業(yè)性試生產(chǎn)。到2009年10月，完成了沁南示范工程一期全部150口井的鉆井、壓裂、排采和地面集輸工程，建設(shè)了國(guó)家煤層氣開發(fā)利用示范工程——潘河增壓站，標(biāo)志著示范工程正式投入商業(yè)化生產(chǎn)階段，成為中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)里程碑。
“沁南”示范工程建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)了一系列技術(shù)創(chuàng)新，其中包括“空氣鉆井技術(shù)”“微珠低密度固井技術(shù)”“清水加砂壓裂技術(shù)”“氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)”“分片集輸一級(jí)增壓地面集輸技術(shù)”“穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)”等8項(xiàng)。同時(shí)，形成4項(xiàng)技術(shù)和安全規(guī)范、規(guī)程，開創(chuàng)了中國(guó)煤層氣重大建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)、工藝體系和規(guī)范化管理的先河。此外，還進(jìn)行了新材料、新裝備的試驗(yàn)。
對(duì)“沁南”示范工程進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新和取得的建設(shè)成就，國(guó)家能源委咨詢專家委員會(huì)委員孫茂遠(yuǎn)撰文評(píng)價(jià)說，“沁南”示范工程建成投產(chǎn)10年來，224口直井平均單井產(chǎn)量穩(wěn)定在3400至4700立方米，高于資源條件類似的美國(guó)黑勇士盆地平均單井產(chǎn)量，推動(dòng)中國(guó)煤層氣開發(fā)迎來快速發(fā)展期。
《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年，建成2至3個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地;煤層氣抽采量達(dá)到240億立方米，其中地面煤層氣產(chǎn)量100億立方米，利用率90%以上;煤礦瓦斯抽采140億立方米，利用率50%以上;煤礦瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量280萬千瓦，民用超過168萬戶。在孫茂遠(yuǎn)看來，完成上述目標(biāo)并不容易，他建議繼續(xù)加大國(guó)家重大科技專項(xiàng)對(duì)煤層氣研發(fā)的支持力度，出臺(tái)鼓勵(lì)煤層氣、頁(yè)巖氣等合采政策。
