中國煤層氣資源開發的關鍵性問題及前景

      煤層氣是賦存于煤層中的自生自儲式非常規天然氣, 是一種新型的潔凈能源和優質化工原料, 是21 世紀的重要接替能源之一。開發利用煤層氣, 對緩解常規油氣供應緊張狀況、實施國民經濟可持續發展戰略、保護大氣環境等均具有十分重要的意義[ 1～5 ] 。中國煤層氣資源豐富, 據新一輪全國煤層氣資源預測結果, 在中國陸上煤田埋深2 000m 以淺范圍內擁有的煤層氣資源量為31 ×1012 m3 , 居世界第二位, 與中國陸上常規天然氣資源量(30 ×1012 m3 ) 相當。在全國21 個大氣田中, 16 個為煤成氣氣田,煤成氣大氣田占到全國大氣田總儲量的86.86 % , 同時是全國天然氣總儲量的51.94 % , 而大部分煤成氣田都是由煤層氣運移形成的。因此, 在中國發展煤層氣產業既是客觀需要, 也具有雄厚的物質基礎。

1 　煤層氣開發的關鍵地質控制因素

    1) 煤層氣資源量　煤層氣資源量是煤層氣開發最基本的物質基礎, 是煤層氣開發最關鍵的地質控制因素[6 ] 。煤層氣資源量的主要地質控制因素包括煤儲層的三維幾何特征和煤層含氣性等。煤儲層的三維幾何特征包括煤層層數及其間隔距離、單層厚度及其展布形態、煤層累計厚度和煤層埋深等。而煤層含氣性的好與壞直接關系到能否進行煤層氣的開發。根據我國煤層氣儲層的地質特性, 一般而言, 中變質程度煤層氣儲層(我國的氣煤瘦煤, Ro ,max = 0.65 %～1.9 %; 美國的煙煤, Ro ,max = 0.47 %～2.05 %)的含氣量應大于10m3 / t , 以大于15m3 / t 為最佳; 高變質程度煤層氣儲層(我國的貧煤無煙煤, Ro ,max> 1.9 %; 美國的無煙煤, Ro ,max > 2.05 %) 的含氣量應大于15m3 / t 。

    2) 可采性　根據我國10 多年來煤層氣勘探、開發的實踐經驗和煤層氣地質研究成果, 可采性所包含的關鍵地質因素有: 含氣飽和度、滲透性、儲層壓力、壓力飽和度等[7 ] 。我國煤層氣單井產氣量比較低, 與含氣飽和度比較低有很大關系, 制約了我國煤層氣的商業性開發。從已有的資料來看, 我國有一部分含煤盆地煤層氣儲層含氣飽和度低于70 % , 嚴重影響了煤層氣的開發。安徽淮北地區煤層氣儲層的含氣飽和度一般在80 %～90 %, 單從含氣飽和度來看, 淮北地區基本具備了煤層氣開發的地質條件。從滲透性來分析, 我國煤層氣單井產氣量比較低, 與滲透率比較低也有很大關系。在基本地質特性相同的情況下, 一般中、低變質程度煤層氣儲層的滲透性要好于高變質程度的煤層氣儲層。根據我國煤層氣地質特性, 中變質程度煤層氣儲層的滲透率一般大于1 ×10 - 3μm2 , 高變質程度的滲透率在1 ×10 - 3μm2左右就可以考慮進行煤層氣開發[8 ] 。我國煤層氣儲層在常壓和/ 或接近常壓, 壓力飽和度90 %以上時,儲層條件比較好, 可以進行煤層氣開發。我國煤層氣可采性主要地質控制因素參數標準為: 含氣飽和度大于70 %; 中變質程度煤層氣儲層滲透率一般大于1 ×10 -3μm2 , 高變質程度的在1 ×10 - 3μm2 左右;煤層氣儲層為常壓和/ 或接近常壓, 壓力飽和度大于90 %。　

    3) 我國煤層氣選區評價指標　趙慶波等[ 9 ] 提出的煤層氣選區評價的主要參考原則如下: 煤層埋深一般以800～1500m 為最佳; 煤層單層厚度大于0.6m , 總厚度大于10m ; 含氣量大于10m3 / t , 含氣飽和度大于50 %; 煤層滲透率(注入/ 壓降法) 大于1 ×10 - 3μm2 ; 最好解吸壓力接近原始地層壓力; 處于承壓區的水壓封堵氣藏和壓力封閉的高壓氣藏最佳; 煤階為氣煤焦煤最佳( Ro = 0.7 %～1.5 %) ,可探索無煙煤; 煤層頂板有大于10 m 的封閉性直接蓋層, 無剝蝕現象。

2 　煤層氣開發新技術

    1) 低傷害技術　煤層是一種有機質高度富集的可燃有機巖石, 微細孔隙發育, 對水、添加劑、微細固體顆粒等十分敏感。而當前, 在中國煤層氣井施工中, 鉆井均采用回轉式水基鉆井液鉆井工藝, 儲層強化改造基本上全部采用水基壓裂液攜砂的壓裂工藝。這種工藝技術很容易對煤儲層產生嚴重傷害,致使煤層氣井很難獲得理想的氣產量。沖擊式空氣循環鉆井工藝, 泡沫壓裂液攜砂的儲層強化工藝, 對煤層的傷害比較輕微, 在美國已廣泛應用, 取得了良好的效果[10～12 ] 。中國則由于設備、資金等方面的原因, 至今連試驗都尚未進行, 更談不上應用了, 這種落后狀況急待改變。

    2) 注氣升壓技術　通過煤層氣井向煤層內注入N2 或CO2 降低煤儲層中CH4 的分壓以加快CH4的解吸, 或將CH4 從煤層中置換出來。這種技術是由美國和加拿大在20 世紀90 年代開發的, 取得了很好的增加煤層氣產量的效果。該技術有利于增加低滲低壓煤層氣藏的產量和采出率, 在中國有很好的應用前景。

    3) 采氣采煤一體化技術　采氣采煤一體化是將煤層氣開發與煤炭開采緊密結合, 各種煤層氣開采方式配套使用, 達到既降低煤層氣生產成本、又能充分開發煤層氣, 從而大大改善煤礦安全生產條件優越性的雙重目的。這一技術是將各煤層氣開發方式進行整合, 使采氣和采煤活動有機銜接, 并不需要過多的投資, 但需要煤層氣開發與煤炭開發相互協調、加強統一規劃, 需要觀念的更新和利益的平衡。

    4) 極小曲率半徑鉆井( TRD) 技術　在地面垂直井的煤層段用專門裝置造一個直徑約18m 的洞穴, 在洞穴內通過高壓管線由地面向煤層中注入高壓射流水柱, 在煤層中形成具一定規模的水平井段,從而實現排水開采煤層氣的目的。該項技術是由澳大利亞研制成功的, 可在一口地面垂直井的同一煤層施工多個呈放射狀分布、深度可達180m 的水平孔段。對于煤層氣開發井的增產強化, TRD 技術是一個潛在有效手段, 其作業成本僅為水力壓裂的1/ 2 , 而增產效果卻是水力壓裂的2 倍,具有良好的推廣應用前景。中國的晉城、陽泉、鐵法、銅川等礦區的條件適合于應用此項技術。

3 　煤層氣地質研究面臨的問題

    1) 煤層氣成藏的地質過程與動力學機制　研究煤層氣成藏的地質過程與動力學機制, 以揭示生氣性和儲氣性的協調發展關系, 查明復雜地質條件下煤層氣藏的形成機理、成藏類型和分布規律。煤層氣主要以氣體吸附態存在于煤儲層中, 并因此導致煤層氣成藏的機制和開發技術與常規天然氣截然不同?，F行煤層氣理論主要是在對簡單地質歷史盆地研究的基礎上建立起來的, 而地質歷史的復雜性則正是導致其具有高度局限性的根本原因。復雜地質歷史條件下影響各種地質過程的時空配置特征, 直接制約著煤層氣成藏條件的各種地質場的互動關系, 進而導致包括高煤級煤氣藏在內的煤層氣成藏類型顯現出多樣性。深入剖析煤層氣成藏的這種宏觀動力學條件, 實現以建模反演技術來恢復煤層氣成藏的地質歷史選擇過程, 進而探尋煤層氣富集成藏的機理與規律, 是國內外該領域廣泛關注的重要基礎問題。

    2) 煤層氣儲集系統與聚散機制　研究煤層氣儲集系統與聚散機制, 以剖析煤水氣的耦合關系與煤的儲層特性共同制約煤層氣的擴散、滲流、運移、逸散和聚集的過程。煤儲層含氣性和儲集性是煤層氣成藏的關鍵內在因素, 嚴格受煤儲層本身的物質組成、物理性質以及煤水氣三相介質之間耦合關系等因素的影響。煤儲層極強的非均質性、顯著的吸附性以及水對吸附能力的影響, 導致煤儲層比常規天然氣儲層更為復雜多變。研究煤水氣三相介質本身的特征以及三者之間的耦合關系, 探索它們對煤儲層含氣性和儲集性的控制機理, 剖析它們在煤層氣成藏過程中的作用實質, 精細描述煤儲層的非均質性特征, 是該領域前緣性的研究課題。煤層氣藏動力學的實質是能量平衡。動態平衡靠以煤儲層壓力為核心的廣義壓力系統來維系。一旦地質或采動原因變化而打破了系統的平衡, 原已聚集的煤層氣在自然條件下通過運移通道或逸散使得原有的煤層氣藏遭受破壞, 或進一步富集而強化原有的氣藏, 采動條件下則發生解吸產出。深入研究盆地流體場對煤儲層壓力系統的控制關系, 揭示煤儲層滲透性隨能量平衡系統的變化規律, 發展低滲煤儲層中煤層氣滲流、擴散和運移過程的數值模擬技術, 確定煤層氣成藏類型的關鍵依據, 進而直接指導低滲煤層氣藏的高效開發, 是國際煤層氣領域長期探索而迄今尚未解決的問題。
 

    3) 煤層氣藏經濟高效開發的場效應　研究煤層氣藏經濟高效開發的場效應, 以探討地球物理場和地球化學場與人工改造、強化開采間的互動機制, 有效預測煤層氣的勘探開發效果。建立在地球物理綜合測井和三維三分量多波段地震勘探基礎上的煤層氣藏高精度探測技術, 是驗證煤層氣藏預測結果和探測勘探開發效果的重要手段。然而, 煤儲層的高度非均質性以及飽和煤儲層與無氣煤層密度差異極小的特征, 使得地球物理信號對煤儲層包括含氣性、裂隙特征等物性的響應難以識別, 因此對煤層氣藏探測技術提出了遠比常規天然氣藏探測更高的要求。完善原有方法的信號處理技術, 探索新的探測原理以開發新的方法, 研究各類煤儲層物性對不同探測方法的響應, 進而提高探測精度, 是國際上近年來致力發展的重要方向之一。

4 　結　　語

    中國的煤炭資源豐富, 決定了煤層氣資源量富集, 已是不爭之事。近年來進一步勘探發現的新油氣田, 其中有一些是混合氣(油成氣和煤成氣, 由煤層氣運移形成) , 還有的廢舊礦井中也充滿了可燃氣體, 都有待于開發。中國煤層氣資源豐富, 具有巨大的開發潛力。開發煤層氣可以帶來多重效益: 改善煤礦安全, 保護全球環境, 增加新能源。中國煤層氣開發利用滯后于美國, 開發利用速度進展緩慢, 客觀上對資源起了保護作用, 有利于實施可持續發展戰略。在中國特色社會主義建設飛速發展之際, 能源是一切經濟建設的基礎和保障, 煤層氣開發和利用是時代的需要和發展的必然趨勢, 必將形成大的規模。隨著煤層氣大規模開發利用的逐步實現, 中國能源的生產和消費結構都會得到有效地改觀, 進而促進中國城市化發展, 改善中國城鄉的清潔生產, 提高人民的生活水平, 促進中國經濟的發展。由于煤層氣、常規天然氣、生物氣等的成分相近, 通過進一步實驗會有可能實現混合輸氣和混合燃燒及合成化工產品。生物氣應該說是可再生氣體, 還有稻田沼氣、無機天然氣、天然氣水合物等。所以在管網建設成功后, 有必要廣泛開發氣源、擴大可再生氣的生成渠道, 有效實施可持續發展戰略。