中國(guó)煤層氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵性問(wèn)題及前景

      煤層氣是賦存于煤層中的自生自?xún)?chǔ)式非常規(guī)天然氣, 是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料, 是21 世紀(jì)的重要接替能源之一。開(kāi)發(fā)利用煤層氣, 對(duì)緩解常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況、實(shí)施國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)大氣環(huán)境等均具有十分重要的意義[ 1～5 ] 。中國(guó)煤層氣資源豐富, 據(jù)新一輪全國(guó)煤層氣資源預(yù)測(cè)結(jié)果, 在中國(guó)陸上煤田埋深2 000m 以淺范圍內(nèi)擁有的煤層氣資源量為31 ×1012 m3 , 居世界第二位, 與中國(guó)陸上常規(guī)天然氣資源量(30 ×1012 m3 ) 相當(dāng)。在全國(guó)21 個(gè)大氣田中, 16 個(gè)為煤成氣氣田,煤成氣大氣田占到全國(guó)大氣田總儲(chǔ)量的86.86 % , 同時(shí)是全國(guó)天然氣總儲(chǔ)量的51.94 % , 而大部分煤成氣田都是由煤層氣運(yùn)移形成的。因此, 在中國(guó)發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)既是客觀需要, 也具有雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 　煤層氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素

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

    2) 可采性　根據(jù)我國(guó)10 多年來(lái)煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和煤層氣地質(zhì)研究成果, 可采性所包含的關(guān)鍵地質(zhì)因素有: 含氣飽和度、滲透性、儲(chǔ)層壓力、壓力飽和度等[7 ] 。我國(guó)煤層氣單井產(chǎn)氣量比較低, 與含氣飽和度比較低有很大關(guān)系, 制約了我國(guó)煤層氣的商業(yè)性開(kāi)發(fā)。從已有的資料來(lái)看, 我國(guó)有一部分含煤盆地煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度低于70 % , 嚴(yán)重影響了煤層氣的開(kāi)發(fā)。安徽淮北地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的含氣飽和度一般在80 %～90 %, 單從含氣飽和度來(lái)看, 淮北地區(qū)基本具備了煤層氣開(kāi)發(fā)的地質(zhì)條件。從滲透性來(lái)分析, 我國(guó)煤層氣單井產(chǎn)氣量比較低, 與滲透率比較低也有很大關(guān)系。在基本地質(zhì)特性相同的情況下, 一般中、低變質(zhì)程度煤層氣儲(chǔ)層的滲透性要好于高變質(zhì)程度的煤層氣儲(chǔ)層。根據(jù)我國(guó)煤層氣地質(zhì)特性, 中變質(zhì)程度煤層氣儲(chǔ)層的滲透率一般大于1 ×10 - 3μm2 , 高變質(zhì)程度的滲透率在1 ×10 - 3μm2左右就可以考慮進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)[8 ] 。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層在常壓和/ 或接近常壓, 壓力飽和度90 %以上時(shí),儲(chǔ)層條件比較好, 可以進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)。我國(guó)煤層氣可采性主要地質(zhì)控制因素參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為: 含氣飽和度大于70 %; 中變質(zhì)程度煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般大于1 ×10 -3μm2 , 高變質(zhì)程度的在1 ×10 - 3μm2 左右;煤層氣儲(chǔ)層為常壓和/ 或接近常壓, 壓力飽和度大于90 %。　

    3) 我國(guó)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)　趙慶波等[ 9 ] 提出的煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)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(qū)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(wú)煙煤; 煤層頂板有大于10 m 的封閉性直接蓋層, 無(wú)剝蝕現(xiàn)象。

2 　煤層氣開(kāi)發(fā)新技術(shù)

    1) 低傷害技術(shù)　煤層是一種有機(jī)質(zhì)高度富集的可燃有機(jī)巖石, 微細(xì)孔隙發(fā)育, 對(duì)水、添加劑、微細(xì)固體顆粒等十分敏感。而當(dāng)前, 在中國(guó)煤層氣井施工中, 鉆井均采用回轉(zhuǎn)式水基鉆井液鉆井工藝, 儲(chǔ)層強(qiáng)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(shù)很容易對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生嚴(yán)重傷害,致使煤層氣井很難獲得理想的氣產(chǎn)量。沖擊式空氣循環(huán)鉆井工藝, 泡沫壓裂液攜砂的儲(chǔ)層強(qiáng)化工藝, 對(duì)煤層的傷害比較輕微, 在美國(guó)已廣泛應(yīng)用, 取得了良好的效果[10～12 ] 。中國(guó)則由于設(shè)備、資金等方面的原因, 至今連試驗(yàn)都尚未進(jìn)行, 更談不上應(yīng)用了, 這種落后狀況急待改變。

    2) 注氣升壓技術(shù)　通過(guò)煤層氣井向煤層內(nèi)注入N2 或CO2 降低煤儲(chǔ)層中CH4 的分壓以加快CH4的解吸, 或?qū)H4 從煤層中置換出來(lái)。這種技術(shù)是由美國(guó)和加拿大在20 世紀(jì)90 年代開(kāi)發(fā)的, 取得了很好的增加煤層氣產(chǎn)量的效果。該技術(shù)有利于增加低滲低壓煤層氣藏的產(chǎn)量和采出率, 在中國(guó)有很好的應(yīng)用前景。

    3) 采氣采煤一體化技術(shù)　采氣采煤一體化是將煤層氣開(kāi)發(fā)與煤炭開(kāi)采緊密結(jié)合, 各種煤層氣開(kāi)采方式配套使用, 達(dá)到既降低煤層氣生產(chǎn)成本、又能充分開(kāi)發(fā)煤層氣, 從而大大改善煤礦安全生產(chǎn)條件優(yōu)越性的雙重目的。這一技術(shù)是將各煤層氣開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行整合, 使采氣和采煤活動(dòng)有機(jī)銜接, 并不需要過(guò)多的投資, 但需要煤層氣開(kāi)發(fā)與煤炭開(kāi)發(fā)相互協(xié)調(diào)、加強(qiáng)統(tǒng)一規(guī)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(shù)　在地面垂直井的煤層段用專(zhuān)門(mén)裝置造一個(gè)直徑約18m 的洞穴, 在洞穴內(nèi)通過(guò)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(guī)模的水平井段,從而實(shí)現(xiàn)排水開(kāi)采煤層氣的目的。該項(xiàng)技術(shù)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(gè)呈放射狀分布、深度可達(dá)180m 的水平孔段。對(duì)于煤層氣開(kāi)發(fā)井的增產(chǎn)強(qiáng)化, TRD 技術(shù)是一個(gè)潛在有效手段, 其作業(yè)成本僅為水力壓裂的1/ 2 , 而增產(chǎn)效果卻是水力壓裂的2 倍,具有良好的推廣應(yīng)用前景。中國(guó)的晉城、陽(yáng)泉、鐵法、銅川等礦區(qū)的條件適合于應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。

3 　煤層氣地質(zhì)研究面臨的問(wèn)題

    1) 煤層氣成藏的地質(zhì)過(guò)程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制　研究煤層氣成藏的地質(zhì)過(guò)程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制, 以揭示生氣性和儲(chǔ)氣性的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系, 查明復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣藏的形成機(jī)理、成藏類(lèi)型和分布規(guī)律。煤層氣主要以氣體吸附態(tài)存在于煤儲(chǔ)層中, 并因此導(dǎo)致煤層氣成藏的機(jī)制和開(kāi)發(fā)技術(shù)與常規(guī)天然氣截然不同。現(xiàn)行煤層氣理論主要是在對(duì)簡(jiǎn)單地質(zhì)歷史盆地研究的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的, 而地質(zhì)歷史的復(fù)雜性則正是導(dǎo)致其具有高度局限性的根本原因。復(fù)雜地質(zhì)歷史條件下影響各種地質(zhì)過(guò)程的時(shí)空配置特征, 直接制約著煤層氣成藏條件的各種地質(zhì)場(chǎng)的互動(dòng)關(guān)系, 進(jìn)而導(dǎo)致包括高煤級(jí)煤氣藏在內(nèi)的煤層氣成藏類(lèi)型顯現(xiàn)出多樣性。深入剖析煤層氣成藏的這種宏觀動(dòng)力學(xué)條件, 實(shí)現(xiàn)以建模反演技術(shù)來(lái)恢復(fù)煤層氣成藏的地質(zhì)歷史選擇過(guò)程, 進(jìn)而探尋煤層氣富集成藏的機(jī)理與規(guī)律, 是國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域廣泛關(guān)注的重要基礎(chǔ)問(wèn)題。

    2) 煤層氣儲(chǔ)集系統(tǒng)與聚散機(jī)制　研究煤層氣儲(chǔ)集系統(tǒng)與聚散機(jī)制, 以剖析煤水氣的耦合關(guān)系與煤的儲(chǔ)層特性共同制約煤層氣的擴(kuò)散、滲流、運(yùn)移、逸散和聚集的過(guò)程。煤儲(chǔ)層含氣性和儲(chǔ)集性是煤層氣成藏的關(guān)鍵內(nèi)在因素, 嚴(yán)格受煤儲(chǔ)層本身的物質(zhì)組成、物理性質(zhì)以及煤水氣三相介質(zhì)之間耦合關(guān)系等因素的影響。煤儲(chǔ)層極強(qiáng)的非均質(zhì)性、顯著的吸附性以及水對(duì)吸附能力的影響, 導(dǎo)致煤儲(chǔ)層比常規(guī)天然氣儲(chǔ)層更為復(fù)雜多變。研究煤水氣三相介質(zhì)本身的特征以及三者之間的耦合關(guān)系, 探索它們對(duì)煤儲(chǔ)層含氣性和儲(chǔ)集性的控制機(jī)理, 剖析它們?cè)诿簩託獬刹剡^(guò)程中的作用實(shí)質(zhì), 精細(xì)描述煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性特征, 是該領(lǐng)域前緣性的研究課題。煤層氣藏動(dòng)力學(xué)的實(shí)質(zhì)是能量平衡。動(dòng)態(tài)平衡靠以煤儲(chǔ)層壓力為核心的廣義壓力系統(tǒng)來(lái)維系。一旦地質(zhì)或采動(dòng)原因變化而打破了系統(tǒng)的平衡, 原已聚集的煤層氣在自然條件下通過(guò)運(yùn)移通道或逸散使得原有的煤層氣藏遭受破壞, 或進(jìn)一步富集而強(qiáng)化原有的氣藏, 采動(dòng)條件下則發(fā)生解吸產(chǎn)出。深入研究盆地流體場(chǎng)對(duì)煤儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)的控制關(guān)系, 揭示煤儲(chǔ)層滲透性隨能量平衡系統(tǒng)的變化規(guī)律, 發(fā)展低滲煤儲(chǔ)層中煤層氣滲流、擴(kuò)散和運(yùn)移過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù), 確定煤層氣成藏類(lèi)型的關(guān)鍵依據(jù), 進(jìn)而直接指導(dǎo)低滲煤層氣藏的高效開(kāi)發(fā), 是國(guó)際煤層氣領(lǐng)域長(zhǎng)期探索而迄今尚未解決的問(wèn)題。
 

    3) 煤層氣藏經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的場(chǎng)效應(yīng)　研究煤層氣藏經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的場(chǎng)效應(yīng), 以探討地球物理場(chǎng)和地球化學(xué)場(chǎng)與人工改造、強(qiáng)化開(kāi)采間的互動(dòng)機(jī)制, 有效預(yù)測(cè)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)效果。建立在地球物理綜合測(cè)井和三維三分量多波段地震勘探基礎(chǔ)上的煤層氣藏高精度探測(cè)技術(shù), 是驗(yàn)證煤層氣藏預(yù)測(cè)結(jié)果和探測(cè)勘探開(kāi)發(fā)效果的重要手段。然而, 煤儲(chǔ)層的高度非均質(zhì)性以及飽和煤儲(chǔ)層與無(wú)氣煤層密度差異極小的特征, 使得地球物理信號(hào)對(duì)煤儲(chǔ)層包括含氣性、裂隙特征等物性的響應(yīng)難以識(shí)別, 因此對(duì)煤層氣藏探測(cè)技術(shù)提出了遠(yuǎn)比常規(guī)天然氣藏探測(cè)更高的要求。完善原有方法的信號(hào)處理技術(shù), 探索新的探測(cè)原理以開(kāi)發(fā)新的方法, 研究各類(lèi)煤儲(chǔ)層物性對(duì)不同探測(cè)方法的響應(yīng), 進(jìn)而提高探測(cè)精度, 是國(guó)際上近年來(lái)致力發(fā)展的重要方向之一。

4 　結(jié)　　語(yǔ)

    中國(guó)的煤炭資源豐富, 決定了煤層氣資源量富集, 已是不爭(zhēng)之事。近年來(lái)進(jìn)一步勘探發(fā)現(xiàn)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(yùn)移形成) , 還有的廢舊礦井中也充滿(mǎn)了可燃?xì)怏w, 都有待于開(kāi)發(fā)。中國(guó)煤層氣資源豐富, 具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。開(kāi)發(fā)煤層氣可以帶來(lái)多重效益: 改善煤礦安全, 保護(hù)全球環(huán)境, 增加新能源。中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用滯后于美國(guó), 開(kāi)發(fā)利用速度進(jìn)展緩慢, 客觀上對(duì)資源起了保護(hù)作用, 有利于實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。在中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)飛速發(fā)展之際, 能源是一切經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)和保障, 煤層氣開(kāi)發(fā)和利用是時(shí)代的需要和發(fā)展的必然趨勢(shì), 必將形成大的規(guī)模。隨著煤層氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的逐步實(shí)現(xiàn), 中國(guó)能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)都會(huì)得到有效地改觀, 進(jìn)而促進(jìn)中國(guó)城市化發(fā)展, 改善中國(guó)城鄉(xiāng)的清潔生產(chǎn), 提高人民的生活水平, 促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。由于煤層氣、常規(guī)天然氣、生物氣等的成分相近, 通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)會(huì)有可能實(shí)現(xiàn)混合輸氣和混合燃燒及合成化工產(chǎn)品。生物氣應(yīng)該說(shuō)是可再生氣體, 還有稻田沼氣、無(wú)機(jī)天然氣、天然氣水合物等。所以在管網(wǎng)建設(shè)成功后, 有必要廣泛開(kāi)發(fā)氣源、擴(kuò)大可再生氣的生成渠道, 有效實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。