中國煤層氣發展戰略探討
——以中石油煤層氣有限責任公司為例

溫聲明 周 科 鹿 倩

0 引言

中石油煤層氣有限責任公司（以下簡稱中石油煤層氣公司）自2008年成立以來，立足鄂爾多斯盆地東緣，持續加大煤層氣勘探開發力度，加強煤層氣開發瓶頸技術攻關，在“十二五”末，建成了鄂爾多斯盆地東緣國家級煤層氣產業示范基地，具備了年產百萬噸級生產能力，形成了中低煤階煤層氣勘探開發理論和配套技術，為促進我國煤層氣產業化發展，增加清潔能源供應量，保護生態環境，作出了重要貢獻。進入“十三五”以來，按照“立足鄂東、突破新疆、發展內蒙（古）、探索新區”的發展思路，大力實施增儲上產，持續攻關煤層氣與煤系地層天然氣綜合開發技術，勘探開發技術持續得到優化和完善，產銷量年均增長50×104t油當量，2019年即將建成年產200×104t非常規氣田，煤層氣開發進入規模發展新階段。

近年來我國煤層氣產業增速放緩，為促進產業發展，增加清潔能源供應量，亟需圍繞做大做強我國煤層氣產業這一重大課題開展研究工作。為此，筆者系統梳理了中石油煤層氣公司在煤層氣產業取得的勘探開發進展，探究了我國的煤層氣產業發展戰略，提出了有利于煤層氣產業發展的5大主攻方向。

1 勘探開發概況

近年來，中石油煤層氣公司堅持立足鄂爾多斯盆地東緣國家煤層氣產業示范基地建設，實施滾動勘探開發、增儲上產。同時，積極探索新區新領域，在新疆準噶爾、吐哈、三塘湖盆地等外圍區塊進行煤層氣勘探，推進煤系氣綜合開發利用。主要取得了3個方面的進展和成效。

1.1 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發穩步推進，儲量產量規模不斷擴大

1.1.1 儲量規模超過 5 000×108m3

中石油煤層氣公司成立以來累計提交煤層氣地質儲量超過 5 000×108m3，其中近 3 年提交的地質儲量占總量的60%。2018年，新增煤層氣地質儲量超過千億立方米，在鄂爾多斯盆地東緣保德區塊提交了國內首個煤層氣探明儲量復算報告并順利通過原國土資源部評審，使保德氣田成為我國第一個大型中低煤階煤層氣田。

1.1.2 年產量規模超過 20×108m3

在鄂爾多斯盆地東緣累計實施8個產能建設項目，累計完成產能建設32×108m3。2018年年產量22×108m3，生產水平超過 150×104t油當量，預計2019 年產能將達到 25×108m3，具備 200×104t油當量生產能力。

1.2 鄂爾多斯盆地東緣煤系氣勘探開發取得突破性進展

近幾年，持續推進煤系地層立體勘探開發和資源綜合利用，累計提交探明儲量超過2 000×108m3。探明并規模開發了山西省第一大超千億立方米煤系氣整裝大氣田，目前年產能超過10×108m3。

1.3 新疆地區煤層氣勘探取得重要進展

“十三五”以來，圍繞如何做大我國煤層氣產業這一重大課題，中石油煤層氣公司在穩步推進鄂爾多斯盆地東緣煤層氣產業基地建設的同時，努力尋找煤層氣優質資源戰略接替區。在充分總結國外和我國煤層氣成功開發經驗的基礎上，確定了以中低煤階煤層氣資源為戰略接替主攻方向，將新疆地區作為建設我國第三大煤層氣生產基地的首選戰略接替區。突出加大了新疆地區煤層氣勘探工作力度，在準噶爾盆地的硫磺溝和后峽區塊開展了二維地震和探井等實施工作；與中國石油天然氣股份有限公司吐哈油田公司及新疆油田公司合作，先后在和什托洛蓋區塊、吐哈—三塘湖盆地的馬朗凹陷，部署實施了探井、評價井組、老井壓裂和老井復排等工作，開展了綜合研究，基本摸清了各區塊煤層氣的基本地質條件和勘探潛力。

1.3.1 后峽區塊煤層氣勘探進展

后峽區塊位于準噶爾盆地南側，屬新疆天山褶皺帶北麓，為一獨立的小型山間盆地，呈現“三凹兩凸”的基本構造格局，面積568 km2。2017年通過實施二維地震和探井，初步明確了區塊的煤層氣地質特征。區塊主要發育侏羅系西山窯組和八道灣組煤層。西山窯組具有煤層層數多、累計厚度大的特點，探井A1井揭示了91 m厚的煤層，該井投排3個月見套壓，4個月開始產氣，顯示出良好的產氣潛力。經評價優選有利區煤層氣資源量 1 800×108m3，勘探開發前景廣闊。

1.3.2 三塘湖盆地煤層氣勘探進展

三塘湖盆地位于新疆維吾爾族自治區東部，面積5 400 km2，發育4個富煤凹陷，其中馬朗和條湖凹陷勘探程度較高，基本被三維地震覆蓋，區內有油氣探井350口，煤層段取心井4口，煤層段壓裂試氣井5口。2017年以來，中石油煤層氣公司與中國石油吐哈油田公司合作，共同開展煤層氣勘探，部署實施了探井和井組，在馬朗凹陷實施的T1井，獲取41.9 m厚煤層巖心，圍繞T1井實施的7口井井組單井揭示42～48 m的厚煤層。經綜合評價優選，4個凹陷埋深2 000 m以淺的煤層氣有利區總面積為2 100 km2，預測煤層氣資源量為 2 500×108m3。

2 勘探開發技術發展情況

從“十一五”以來，中石油煤層氣公司依托國家和中石油煤層氣科技重大專項，以鄂爾多斯盆地東緣中高煤階、中低煤階煤層氣和煤系地層天然氣為目標，持續開展勘探開發技術攻關，不斷優化和完善配套技術，為鄂爾多斯盆地東緣煤層氣示范基地建設提供了有效的技術支撐。

在“十二五”末，中石油煤層氣公司形成了中低煤階煤層氣勘探開發2項基礎理論和勘探開發7大技術系列。2項基礎理論包括中低煤階層氣“多源共生”富集地質理論、中低煤階多層均衡降壓開發理論；7大技術系列包括中低成本地震勘探配套技術、煤層氣地質綜合評價配套技術、低成本鉆完井配套技術、高效煤層改造增產壓裂配套技術、定量化排采方法及設備配套技術、低成本自動化監控及設備配套技術、低壓管線建設及橇裝化設備配套技術。上述基礎理論和技術支撐建成了鄂爾多斯盆地東緣我國首個國家級中低煤階煤層氣產業基地，“十二五”成果成為國家科技重大專項“大型油氣田開發及煤層氣開發”7大標志性成果之一。

“十三五”以來，中石油煤層氣公司圍繞完善推廣中低煤階煤層氣勘探開發技術和攻關深層煤層氣、煤系地層天然氣勘探開發技術3大主題，通過組織開展“十三五”國家科技重大專項“煤層氣高效增產及排采技術研究”和“鄂東緣深層煤層氣與煤系地層天然氣整體開發示范工程”，初步形成了深層煤層氣、煤系地層天然氣綜合開發配套技術體系，在公司煤層氣和煤系地層天然氣產業快速發展中發揮了重要的支撐作用，對于推動我國同類資源的高效開發、加快煤層氣產業發展，具有重要的示范和引領作用。

2.1 地質勘察技術

鄂爾多斯盆地東緣總體屬于中低煤階，與國外規模開發的低階煤層氣田以及國內相對技術成熟的沁水盆地高煤階煤層氣田地質條件存在較大差異，缺乏可借鑒的地質評價技術；同時由于鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發起步相對較晚，在中石油煤層氣公司成立之初，即在“十一五”的后2年，主要是借鑒國內相對成熟的中高煤階富集區預測技術開展鄂爾多斯盆地東緣地質選區評價工作，以實施常規二維地震技術為主，初步探索煤層氣三維地震技術[1-2]。

在“十二五”期間針對鄂爾多斯盆地東緣煤層氣的地質特點，形成了中低煤階煤層氣富集理論和開發地質評價技術，解決了甜點區優選和井位優化難題：①形成了中低煤階煤層氣富集理論，提出了煤層吸附氣與生物氣補給共存、含氣量與滲透率優勢疊合富集高產的“多源共生”中低煤階煤層氣富集地質理論，有效指導了保德氣田的發現和鄂爾多斯盆地東緣中低煤階煤層氣的規模勘探開發；②形成了有效煤儲層評價分類方法，將反映煤巖可改造性的煤體結構、固結程度等關鍵指標納入煤層氣儲層評價指標，構建了煤層氣儲層評價指標體系；③形成了經濟有效的煤層氣三維地震評價技術，采用高精度模型技術優化設計三維地震采集參數，在確保資料高質量的同時采集成本降低50%；④采用綜合層析反演方法，形成了黃土山地復雜區淺層煤層氣地震處理技術，解決了復雜地表校正與成像關鍵技術瓶頸，分辨率提高10%以上；⑤采用疊前、疊后多種方法進行煤儲層物性和含氣性預測，形成了煤層氣儲層地震預測技術，有效指導了煤層氣井的高效部署[3-5]。

進入“十三五”以來，針對鄂爾多斯盆地東緣縱向上煤層與煤系地層多層疊置的特點，形成了煤系多目的層甜點評價技術，建立了煤系地層儲層分類評價標準和富集“甜點”分類評價指標體系。

2.2 鉆完井技術

鄂爾多斯盆地東緣位于呂梁山脈與黃河夾持的山前地帶，屬于黃土山地區，溝壑縱橫，地形復雜起伏大，地表條件復雜，在“十一五”期間以單直井規模開發煤層氣難以滿足不同地質、地面條件，且開發成本高。

“十二五”期間形成了煤層氣叢式井淺造斜鉆井技術，研發了煤層氣定向井軌道設計與控制系統，建立了煤層氣叢式井設計方法，很好地解決了煤層氣儲層埋藏淺、井眼軌跡三維空間嚴重受限等技術難題，煤層氣叢式井鉆完井技術的規模推廣應用，徹底改變了我國煤層氣開發以單直井為主的傳統模式，有效解決了煤層氣低成本鉆井開發的難題[3]。進入“十三五”以來，建立起了煤層氣叢式井工廠化作業的方法體系：①建立集群化建井、批量化實施、流水線作業、一體化管理作業體系，大幅縮短了鉆井周期；②提出新的軌跡優化設計方法與井身質量控制標準，減少管桿偏磨。該技術的成功應用，既大大加快了鉆井進程，又大幅度節約了井場占地，有效地降低了工程成本。上億立方米產能建設工程井場數量減少4/5、占地面積減少3/5、地面集輸管網減少2/3、鉆井周期縮短45%、排采人工費節省1/2、綜合成本降低30%。

深層煤層氣水平井鉆完井技術日趨成熟，已成為深層煤層氣規模開發的現實路徑。2011年以來，中石油煤層氣公司在大寧—吉縣煤層氣區塊分步實施了10口水平井，研究試驗了煤層氣水平井優化部署、鉆完井新工藝新方法，形成了水平井套管固井完井＋定向射孔＋分段壓裂工藝技術，TP-02井應用該技術，投排1年后日產氣量穩定在12 000 m3以上，突破了深層煤層氣開發的技術瓶頸，2015年底滾動實施的3口L形水平井，目前累計產氣量已超過 2.5×104m3，產氣趨勢良好。

形成煤層氣小曲率半徑定向井技術。將小曲率半徑定向井的技術方法與鄂爾多斯盆地東緣地區地質特點相結合，對入靶井斜角、造斜率和煤層進尺等關鍵軌跡參數進行優化設計，形成了煤層氣小曲率半徑定向井的設計方法和井型井網設計技術（圖1）。該技術具有2大突出特點：①造斜點深，在煤層以上100 m左右造斜，入層井斜角介于84°～88°，煤層進尺由常規定向井的6 m左右增加到100 m左右，大大增加了煤層的泄壓面積，有利于提高單井產量；②在煤層氣直井段內下泵，能夠有效降低因管桿偏磨導致的修井頻次。

圖1 煤層氣小曲率半徑定向井與常規定向井軌跡對比示意圖

2.3 增產改造技術

針對煤層滲透率低、煤巖機械強度低、壓敏突出的特點，通過對試驗成果的不斷總結，壓裂工藝理念由“十一五”的“大液量、大排量、大砂量”，逐步改進為“適度液量、變排量、適度砂比”；研究形成了針對煤層的水基清潔壓裂液，摩阻降低60% ，攜砂能力提高10倍；研發煤層壓裂復雜裂縫三維模擬軟件，優選壓裂液和支撐劑，精細確定各項施工參數，實施效果得到了明顯改善（圖2）。借鑒頁巖氣體積壓裂理念，創新形成了煤層氣水平井分段壓裂技術和“連續油管＋定向噴砂射孔＋帶底封拖動”的分級壓裂工藝，配套研制了連續油管帶底封拖動的多種連續油管專用噴砂器。

圖2 煤層氣井大規模壓裂、定量化壓裂裂縫擴展示意圖

2.4 排采技術

針對鄂爾多斯盆地東緣煤層氣儲層敏感性強，照搬國外多峰型排采模式導致的產量下降快、出煤粉卡泵頻繁、煤層氣上產穩產難等問題，在“十二五”期間提出了面積降壓理念，形成了分階段量化排采控制技術（圖3）。“十三五”以來，針對排采不連續和常規修井放產周期長等問題，研究形成了配套的防煤粉、防偏磨技術和高效修井技術，開展了新型無桿舉升工藝現場試驗，形成了煤層氣增強型氣舉排水采氣工藝。

煤層氣氣藏工程技術不斷完善。為獲取煤層氣開發中的單層動、靜態信息，研發了小直徑、小排量、寬量程生產測試儀器，解決了煤層氣井筒內流體流向復雜、環空測試空間狹小等難題。形成了反褶積試井解釋方法，解決了煤層氣滲透率、泄流半徑等滲流參數獲取困難等問題，提出了定量化計算井間干擾程度的新方法，對精細排采管理、優化井網部署等具有重要指導意義[6]。

圖3 分階段量化排采控制示意圖

2.5 地面集輸技術

針對在煤層氣開發初期，沒有系統的煤層氣地面集輸建設標準，地面建設成本較高，建設周期較長等問題，結合煤層氣多井、低產、低壓、低成本的特點，通過“十二五”攻關，建立了煤層氣地面設計方法和管網建設思路，簡化、優化了工藝流程，形成“一站多井、井間串接、低壓集氣”的地面工程低成本建設模式，流程簡單實用，方法先進可行。研發了動態露點裝置和恒溫露點裝置，能滿足煤層氣輸氣管道的氣質輸送要求，實現集氣站交氣的目的和低成本氣質控制。在采出水處理方面，建成了“同溝敷設、氣水分輸、集中處理”煤層氣地面集輸系統；研發和推廣應用一體化、橇裝化裝置，推進全自動橇裝集氣站建設，建成國內煤層氣行業首個無人值守集氣站（圖4）。

圖4 保4集氣站全橇裝無人值守場站照片

3 下一步重點發展方向

當前，在國家能源政策、能源安全保障以及非常規天然氣對常規天然氣進行主動接替的發展形勢下，迫切要求非常規天然氣產量快速增加，為煤層氣產業發展提供新的歷史機遇。

總的來說，機遇包括6個方面：①美麗中國建設奠定了天然氣開發和利用的總基調；②天然氣發展規劃、煤改氣、城鎮化等重大政策推動的藍天計劃；③2020年天然氣在一次能源中消費比例將提高到10%的能源結構變化；④實現煤礦本質安全生產，須貫徹落實“先采氣后采煤”的安全開發理念；⑤相同熱值氣/油價格比不斷攀升，財政補貼延續和范圍增加的政策利好；⑥2018年我國天然氣產量1 610×108m3，消費量 2 803×108m3，對外依存度達42.6%，且天然氣消費量增速高于產量增速的能源需求形勢[7-10]。

而煤層氣作為清潔能源，具有能源、安全和環保3大屬性，在把握歷史機遇的同時，通過深入分析煤層氣業務實現效益發展所面臨的重大問題，認為在煤層氣增儲、增產、增效上主要面臨3大挑戰：

1）煤層氣發展區域很不均衡，急需尋找后備接替區。我國煤層氣資源主要集中分布在我國中西部的8個大型聚煤盆地，目前煤層氣勘探開發主要集中在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣和蜀南地區，其余煤層氣資源富集的盆地均未進行規模勘探開發，勘探開發程度極不均衡。

2）煤層氣開發技術適應性不夠，單井產量亟待提高。目前煤層氣探明儲量的平均動用率僅為30%，除鄂爾多斯盆地保德和沁水盆地樊莊區塊外，其他區塊產能到位率不足50%，亟需進一步研究低產井制約關鍵因素，探索相適應的主體開發配套技術，提高儲量動用率，提高煤層氣單井產量。

3）煤層氣開發體制機制不健全，配套政策有待完善。目前，煤層氣開發項目手續繁瑣，辦理周期長，據統計，煤層氣開發項目從開展前期工作到正式投入生產，需辦理4大類73項手續，環評和用地審批仍然是重要難題，嚴重制約了產能建設速度。同時，煤層氣產出的自身特點決定了從勘探到開發周期長，是慢活、細活和難活，具有投入大，回報周期長，投資風險大等特點，影響投資者積極性，且現行制度條件下還存在地區保護主義現象，特別需要政府加大政策支持力度。

面對上述“三大挑戰”，必須在著力突破規模優質儲量發現、提高單井產量、創新管理體系等方面狠下功夫，才能實現煤層氣規模效益開發[10-14]。

3.1 加快新疆地區中低煤階煤層氣戰略接替規模突破

“十三五”以來，中石油煤層氣公司在充分總結國內外和我國保德區塊煤層氣成功開發的經驗基礎上，對中石油礦權區域的煤層氣資源進行了全面評價，最終確立了“立足鄂東、突破新疆、發展內蒙、探索新區”的發展思路，通過對新疆地區煤層氣地質條件的全面深入評價，明確了準噶爾、吐哈—三塘湖盆地是我國當前建設第3個煤層氣產業基地的現實地區，具有以下3個方面的有利條件。

1）準噶爾、吐哈—三塘湖盆地為大型侏羅系聚煤盆地，煤層分布廣，厚度大，據第4次資源評價結果，該區域煤層氣資源量分別占全疆和全國的77.4%和19.4%，占全國低階煤層氣資源的56.5%，具備形成大型煤層氣田的地質條件和優質資源基礎。

2）中石油煤層氣公司在鄂爾多斯盆地東緣持續攻關形成的中低煤階煤層氣勘探開發理論和技術，為新疆地區提供了較成熟的煤層氣勘探開發技術條件。

3）國家能源局《煤層氣勘探開發行動計劃》、新疆地區煤層氣發展規劃、美麗中國建設、“一帶一路”戰略以及煤改氣等政策的實施為新疆地區煤層氣等清潔能源加快發展帶來了新的歷史機遇，提供了良好的煤層氣勘探開發社會環境。

下一步中石油煤層氣公司將加大新疆地區中低煤階煤層氣勘探開發力度，首選在準噶爾盆地南緣及后峽、準噶爾盆地東部五彩灣、三塘湖盆地3個有利區帶開展規模增儲和產能建設，加快建設我國第3個煤層氣產業基地。技術層面在借鑒應用鄂爾多斯盆地東緣中低煤階煤層氣勘探開發技術的同時，亟需針對新疆地區煤層厚、層數多、傾角陡等地質特點，圍繞高傾角煤層支撐劑填充困難、厚煤層的充分改造困難、高傾角煤層排采工藝和低煤階煤層氣排采控制等問題，重點開展高傾角、多煤層、低煤階煤層產氣潛力評價、高效壓裂、順煤層井壓裂、舉升工藝優化和排采控制技術等攻關和試驗，加快形成適應新疆地區中低煤階煤層氣地質條件的技術系列。

3.2 持續攻關已開發區增產和提高采收率技術，大幅提升開發效益

目前，在鄂爾多斯盆地東緣煤層氣主產區，除保德區塊外，其他區塊的平均單井日產氣量都偏低，產能到位率普遍低于50%。亟需針對以下技術開展攻關研究：①不同地質單元低產成因、產量主控因素不明確；②壓裂工藝與井網井距匹配性差、單井控制面積小、二次壓裂成功率低；③排采工作制度對產能影響未進行量化；④缺乏有效提高采收率的技術。重點開展低產井制約關鍵因素、開發區未動用甜點預測、高效建產區綜合評價、低產恢復、面積耦合降壓提高單井產量、注熱蒸汽、注氣驅替提高采收率等技術攻關研究，以提高單井產量，改善開發效果。

3.3 強化深部煤層氣及煤系地層天然氣綜合開發，提高資源綜合利用率

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發實踐證實煤系地層具有多套含氣地層疊置賦存的特征（圖5），要加大煤層氣、致密氣及頁巖氣綜合勘探開發力度，圍繞綜合開發缺乏關鍵的采氣工藝、地面集輸配套工藝、生產管理機制等問題，重點開展煤層氣與煤系地層天然氣綜合開發地質甜點評價、層位組合優選、增產改造工藝、排水采氣工藝、多通道控制、生產動態監測、開發技術政策、地面配套工藝等技術攻關研究，形成配套技術體系，大幅度提高煤系氣資源利用效率和效益，推動煤層氣產業可持續發展[15-17]。

3.4 建立基于人工智能和大數據的煤層氣田智能信息技術，提升煤層氣田開發水平

煤層氣井數多、單井產量低、生產周期長，與常規氣田相比，開發管理更加復雜，要實現煤層氣田更大規模商業開發，必須持續創新開發管理模式。要重點圍繞受低成本限制，開發管理水平遠低于常規氣田；各種智能分析及輔助決策系統相互獨立，造成勘探開發生產鏈中數據流不連續，增加了人工和管理成本，降低了生產效率等問題，攻關建立大數據智能預測甜點區技術、智能型煤層氣壓裂工作平臺、智能化排采控制技術，研究形成統一的模擬分析及輔助決策一體化平臺，提高開發生產智能化水平，實現降本增效。

3.5 開展煤層氣效益開發創新管理體系研究，為煤層氣效益開發提供科學的制度保障

針對煤層氣前期投入高、建產周期長、投資回報慢的特點，要重點開展煤層氣產業政策、管控模式、管理機制、經濟評價方法、銷售體制、標準體系的梳理與研究，建立與煤層氣效益開發相適應的創新管理體系，提高效率，降低成本，為企業制度和國家煤層氣產業政策制定提供科學依據。同時要積極尋求國家和地方各級政府的大力支持，共同促進煤層氣產業的穩健發展[18-19]。

圖5 鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤層與煤系地層配置關系示意圖

4 結束語

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣的規模開發為國家提供了寶貴的清潔能源，為煤礦安全生產、節能減排提供了新路徑、做出了新貢獻。縱觀世界能源格局變化，非常規天然氣開發已成為油氣行業的主攻方向之一，煤層氣等非常規天然氣資源豐富，勘探開發潛力巨大，應持續推進管理創新和技術創新，突出加快在新疆地區建設我國第3個煤層氣產業基地，做大做強做優煤層氣業務，促進我國煤層氣產業加快發展。