碳中和愿景下中國煤層氣開發現狀與展望

王圣程，蘇善杰，黃蘭英，宋雪娟

(徐州工程學院 土木工程學院,江蘇 徐州 221018)

在力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和[1]的愿景下，以煤為主導的能源體系將逐步發生改變.現有研究表明，天然氣的碳排放量遠低于煤炭等高碳化石能源，大力發展天然氣產業有助于促進碳達峰、碳中和目標的實現[2]，因而以天然氣為代表的低碳能源將實現快速發展.煤層氣，是一種非常規天然氣，在我國埋深2 km以淺的煤層氣資源總量約為36.81×1012m3，可采煤層氣資源量為11.2×1012m3，占世界煤層氣資源總量的13.7%，其資源儲量位居世界第三，與陸上常規天然氣儲量基本相當[3-4].需要注意的是，煤層氣作為煤體的伴生氣體資源，也是煤礦安全生產的“第一殺手”和主要的溫室氣體之一[5-6]，故而加強煤層氣的抽采與利用是保證高瓦斯煤礦安全生產、減少溫室氣體排放和增加低碳能源使用的重要手段，也是助力碳中和的重要舉措.

1 煤層氣產業現狀及分析

1.1 煤層氣資源特征

煤體滲透率是煤層氣高效開發難易程度的關鍵因素之一，對于煤層滲透性較大的礦區，一般具有較好的煤層氣開發前景.研究表明，中國煤層滲透率較低，滲透率小于0.1×10-3μm2的煤層占35%，滲透率為(0.1～1.0)×10-3μm2的煤層占37%，滲透率大于1.0×10-3μm2的煤層占28%，大于10×10-3μm2的煤層較少[7].由于中國超過70%的煤層不適合地面煤層氣開發[8]，因此對煤層氣的開發應采用井下抽采與地面煤層氣抽采相結合的方式，以保證煤層氣的開發與煤礦安全生產的緊密結合與相互促進.

1.2 煤層氣產業現狀

圖1為2006—2018年中國煤層氣抽采量，在此期間中國煤層氣產業發展主要受國內外經濟、開發技術等方面的影響.

圖1 2006—2018年中國煤層氣抽采量

1)政策的制約.目前，扶持煤層氣開采的財政補貼、稅收優惠政策幾乎還是按2006年左右的物價水平進行測算的，近些年并未根據經濟的增長、物價攀升等成本提高而提高[9-10]，導致相關政策的激勵效果與日俱降.此外，礦權、資質和投資回收期等原因制約了煤層氣資源開發領域的資本進入.

2)全球經濟發展的影響.在2008年，經濟危機沖擊下的煤礦行業受到嚴重影響，低效煤礦逐漸被淘汰而關閉.目前，在復雜的全球經濟狀況下，煤層氣開發投資銳減，也導致煤層氣產業緩慢發展.

3)開發效益欠佳.經濟效益是推動煤層氣產業發展的原動力，造成目前煤層氣開發經濟效益欠佳的原因有：屬于邊際資源屬性的煤層氣，本身就具有低經濟效益的本質；我國最早實現煤層氣地面開發產業化的典型區域為沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東部，然而中國大多數高瓦斯含量煤層呈低滲透率、低飽和度等特征，特別是構造煤發育區，開發難度大，很難將煤層氣高產地區的開發技術直接應用到其他區域，造成了煤層氣高效開發的瓶頸.

2 煤層氣開發技術現狀

2.1 煤礦井下煤層氣開發技術現狀

煤礦井下煤層氣抽采的主要目的是減少煤礦瓦斯事故的發生，確保煤礦開采過程的安全.以煤層開采時間為依據，煤層氣開發主要分為預抽、邊采邊抽和和采后抽采.

1)形成了以鉆孔為核心的抽采方法.根據鉆孔的布置形式，分為順層鉆孔抽采、穿層鉆孔抽采、交叉鉆孔抽采、密集鉆孔抽采等.受煤層滲透率低的影響，這些方法存在抽采時間長、濃度衰減快、鉆孔流量小等問題，不能滿足煤層回采的安全與時間要求.

2)形成了以提高煤體滲透率為核心的強化煤層氣抽采的方法.根據增透的位置，將強化煤層氣抽采技術分為兩大類，一是煤層外部增透技術，二是煤層內部增透技術.

其中煤層外部增透技術主要用于開采保護層，煤層的采動引起周圍巖層地應力封閉的破壞、層間巖層封閉的破壞以及地質構造封閉的破壞，三者綜合作用導致圍巖及其煤層的透氣性系數大幅度增加[11].該技術的應用需要滿足煤層群賦存并符合煤層間距適中等開采條件.

據不完全統計，我國單一煤層產量約占中國煤炭產量的15%，煤層內部增透成為了必然選擇[12].根據增透介質的不同大體分為了水力化增透措施和無水增透措施.水力化增透措施包括水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等.2014年，中國礦業大學舉辦的全國深部煤層水力化區域瓦斯治理關鍵技術研討會上提出水力化技術是未來煤層瓦斯治理特別是深部煤層瓦斯治理的發展方向.但不同的煤層增透方法適應性不同，且我國煤儲層特性存在差異，致使煤層水力化增透方法在以下幾個方面仍存在不足：對于松軟煤層，煤層中的黏土礦物和有機質極易遇水膨脹[13]，增透形成的“體積改造”效果差，水力化措施常導致水進入煤體后不易排出，產生“水鎖”效應，使煤層滲透率明顯降低[14]，因而如何解決“水鎖”效應成為了目前研究的關鍵點；水力化增透措施需要消耗大量水資源，且20%～85%滯留于井下，我國大型煤炭基地主要分布在干旱半干旱地區，水力資源有限[15]，嚴重制約煤層氣的大規模工業開發；水力化措施使用的化學添加劑會對地下水造成一定的污染和生態破壞[16]，給當地人民的生產生活帶來負面影響.

對此，專家學者轉而采用不同相態的二氧化碳、液氮、氮氣等代替水作為增透介質來規避或解決這些問題，無水致裂技術進而得到迅速發展及廣泛應用.目前研究較多的無水致裂措施包括超臨界二氧化碳致裂技術、超低溫液氮凍融循環致裂技術、注氮氣致裂并驅替煤層氣技術、注二氧化碳置換煤層氣技術、高溫氮氣致裂煤體技術、連續與間歇注空氣致裂煤體并驅替煤層氣技術、深孔爆破致裂技術、高壓空氣爆破致裂增透技術等.現有研究表明：不同無水增透技術對煤體的增透效果不同；無水增透技術所產生的裂隙網絡密集而復雜，壓裂范圍大，破裂壓力小.

2.2 地面煤層氣開發技術現狀

為實現地面煤層氣高效開發，應盡可能地提高煤體的滲透率.現有的提高地面煤層氣開發效率的方法分為兩大類：一是結合煤礦井下煤體采動強化煤層氣抽采，二是通過地面鉆井進行壓裂強化煤層氣抽采.

煤礦井下煤體采動后，應力釋放，煤儲層滲透率急劇增大，產生大量的煤變形顆粒間的連通孔隙和裂隙，形成煤層氣在煤體中滲流通道.例如，寧夏烏蘭礦采用保護層開采與地面鉆井相結合的煤層氣增產方式，如圖2所示.保護層開采后，3#煤層和2#煤層卸壓區域的滲透率均增加了約2 000倍，煤層的煤層氣抽采率達到了65%以上[17].

圖2 保護層開采與地面鉆井結合進行煤層氣抽采

壓裂提高地面鉆井煤層氣產能技術涉及壓裂增產改造技術、水平井鉆井完井技術、徑向水力噴射鉆井技術和洞穴井技術等.壓裂增產改造技術已形成了活性水壓裂技術、間接壓裂技術、水平井分段壓裂技術、頂板壓裂技術和造穴復合壓裂技術、等離子脈沖壓裂技術和新型氮氣泡沫壓裂技術，但這些技術存在煤層壓敏效應強、煤層軟造縫短、壓裂液與煤粉對煤儲層有傷害等問題[18].水平井壓裂技術的核心包括地質與鉆完井工程設計技術、鉆完井工程技術、配套工具與儀器研發技術、氮氣泡沫解堵技術和水平井重入技術.徑向水力噴射鉆井技術和洞穴井技術目前正在測試與試驗中.

3 煤層氣高質量開發展望

3.1 煤層氣產業發展政策展望

考慮煤層氣的銷售價格與開發成本等因素，建議提高煤層氣開發利用的中央財政補貼標準，制定煤層氣企業的增值稅“即征即返”辦法，擴大煤層氣開發企業增值稅的進項稅抵扣范圍，以提升煤層氣抽采利用的市場競爭力和可持續發展能力，充分調動企業進行煤層氣開發利用的積極性.為解決企業煤層氣開發存在的礦權等問題，根據《礦產資源法》及其配套法規中關于礦業權的排他性的規定，支持煤炭采礦礦權人實施煤層氣抽采全覆蓋，此類地面抽采不再辦理煤層氣探礦權和采礦權，支持煤層氣礦權人全面實施“探采一體化”.此外，可以借鑒國外煤層氣開發成功經驗，建立煤層氣開發投融資機制，解決煤層氣開發的投資問題.

3.2 煤層氣高質量開發技術展望

在碳中和愿景下，未來煤層氣高質量開發技術應立足于煤與煤層氣的協調開發.目前，中國80%以上的煤炭產能集中在了“晉陜蒙新”的大型礦井，這對煤層氣井上與井下開發的高效化、模塊化提出了更高的要求.以淮南、淮北礦業為代表的東部地區，煤炭開采深度不斷提高，深部開采中面臨高煤層氣壓力、高地溫、高地應力等現象，井下煤層氣開發的難度與風險與日俱增.小煤礦的關停導致廢棄礦井數量急劇增加，然而廢棄礦井賦存的煤層氣資源豐富，其高質量開發利用已經成為煤礦區煤層氣開發利用的重要一環.

未來煤層氣高質量開發技術主要從以下幾個方面進行突破：1)突出新建礦井碎軟煤層煤層氣地面模塊化高質量高效開發；2)煤礦采動區煤層氣分區聯動煤層氣井的連續抽采及多次增產技術；3)廢棄礦井煤層氣富集區探測、煤層氣井設置及高效抽采；4)井下與井上定向鉆孔分段高效壓裂及無水增透，合適條件下與CO2封存同時進行；5)井下智能化設備的開發，助力鉆井災害防控與煤層氣高效抽采；6)低濃度煤層氣資源化高效利用，開發經濟適用的煤礦區煤層氣梯級利用新技術，包括煤層氣含氧深冷液化技術、低濃度煤層氣變壓濃縮吸附技術與極低濃度煤層氣蓄熱氧化技術[19].

4 結語

碳達峰、碳中和的目標將引發能源領域新的發展，煤層氣作為一種非常規天然氣，其高質量的開發既能助力“雙碳”目標，又能減少溫室氣體的排放及保證煤礦的安全開采.我國煤體滲透率整體偏低，通過分析發現中國煤層氣發展受到政策制約、全球經濟發展、開發效益欠佳等因素的影響.對煤礦井下和地面開發煤層氣的技術現狀總結與對煤層氣高質量開發的展望可為碳中和技術的研究提供借鑒.