山西省煤成氣勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及探索

龔杰立 ，李國(guó)富 ，李德慧 ，劉亮亮 ，王 爭(zhēng) ，徐 云 ，王旭超

(1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；2.山西省礦產(chǎn)資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030024；3.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030031；4.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120)

我國(guó)富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)，不利于社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展[1]。2010 年我國(guó)天然氣對(duì)外依存度不足10%，近年來(lái)伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，2020 年我國(guó)天然氣對(duì)外依存度已達(dá)到43%[2]。

山西省在2019 年被確定為能源革命綜合改革試點(diǎn)地區(qū)，與煤炭伴生的煤成氣資源成為山西省進(jìn)行能源革命的重要抓手之一。煤成氣包括煤層氣、頁(yè)巖氣和致密砂巖氣，“三氣并舉”有助于實(shí)現(xiàn)全省轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。自2017 年國(guó)家通過(guò)《礦業(yè)權(quán)出讓制度改革方案》，將煤層氣探礦權(quán)和采礦權(quán)下放至煤層氣資源稟賦較好的山西、新疆、貴州等6 個(gè)省區(qū)開(kāi)展試點(diǎn)以來(lái)[3]，山西在煤層氣開(kāi)發(fā)利用方面取得較大發(fā)展。為積極響應(yīng)國(guó)家增儲(chǔ)上產(chǎn)七年行動(dòng)計(jì)劃，目前全國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)正如火如荼進(jìn)行，但均面臨或經(jīng)歷著山西在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)方面的發(fā)展問(wèn)題，突出體現(xiàn)在：煤層氣和煤炭?jī)煞N資源重疊導(dǎo)致的矛盾；資源條件復(fù)雜且成功經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)移植性差；企業(yè)效益不佳，利潤(rùn)低，投資步伐緩慢；地面治理效果不及預(yù)期等；以上種種因素導(dǎo)致我國(guó)煤層氣(瓦斯)經(jīng)多年發(fā)展仍未達(dá)預(yù)期[4-6]。眾多學(xué)者針對(duì)我國(guó)煤層氣產(chǎn)量多年未達(dá)預(yù)期的問(wèn)題開(kāi)展了深入研究。介丁非等[7]針對(duì)我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)從政策、技術(shù)、資源、地質(zhì)、增產(chǎn)等多個(gè)方面進(jìn)行了研究；張遂安等[8]結(jié)合中國(guó)煤層氣增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了裂縫非線性動(dòng)態(tài)擴(kuò)展機(jī)理、地應(yīng)力場(chǎng)反演與重定向理論、壓裂液的流變調(diào)控和微地震數(shù)據(jù)噪聲甄別等6 項(xiàng)亟需攻關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，展望了中國(guó)煤層氣增產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。孫欽平等[9]分析了國(guó)內(nèi)外煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成功經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)，從影響我國(guó)煤層氣產(chǎn)量增長(zhǎng)方面探討當(dāng)前產(chǎn)業(yè)存在的若干問(wèn)題，分析未來(lái)中國(guó)煤層氣持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域和方向，提出我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展5 項(xiàng)對(duì)策建議。2020 年，山西省打響煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)三年行動(dòng)大會(huì)戰(zhàn)，國(guó)家非常規(guī)天然氣基地建設(shè)全面提速，在此新形勢(shì)下，筆者通過(guò)對(duì)山西省煤成氣勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、勘查開(kāi)采管理制度改革、煤成氣地面開(kāi)發(fā)與煤礦瓦斯治理方面的有益探索及取得的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，為全國(guó)煤成氣開(kāi)發(fā)利用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 山西省煤成氣勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 煤成氣資源勘查

山西是煤炭資源大省，煤炭中蘊(yùn)藏豐富的煤層氣，其中，沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣為國(guó)內(nèi)各大煤層氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的長(zhǎng)期主要勘探開(kāi)發(fā)區(qū)[6]。根據(jù)2021 年9 月18 日自然資源部發(fā)布的《全國(guó)石油天然氣資源勘查開(kāi)采通報(bào)(2020 年度)》，2020 年全國(guó)煤層氣新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量673.13 億m3，同比增長(zhǎng)950.5%，新增探明儲(chǔ)量來(lái)自沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣。至2020 年底，全國(guó)歷年累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量7 259 億m3，探明技術(shù)可采儲(chǔ)量3 633 億m3，其中山西省探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量6 465 億m3，占比超全國(guó)的89%，探明技術(shù)可采儲(chǔ)量3 232 億m3，占比為全國(guó)的近89%。

山西省在深部煤成氣勘查方面實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)突破，其中2017 年榆社?武鄉(xiāng)區(qū)塊煤層氣、頁(yè)巖氣綜合勘查項(xiàng)目，初步預(yù)測(cè)煤層氣、頁(yè)巖氣資源總量約5 000 億m3，屬于超大型氣田[10]。鄂爾多斯盆地東緣歷年累計(jì)探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量2 772 億m3，其中臨興氣田1 796.75 億m3。鄂爾多斯盆地東緣歷年累計(jì)探明煤層氣、致密砂巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量5 314 億m3，延川南區(qū)塊歷年累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量208 億m3。保德區(qū)塊歷年累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量615 億m3。

山西大力發(fā)展煤成氣的同時(shí)也將煤炭采空區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)作為增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要補(bǔ)充，2017 年山西省探明具開(kāi)發(fā)價(jià)值的煤炭采空區(qū)面積約2 052 km2，預(yù)測(cè)殘余采空區(qū)煤層氣資源量約726 億m3，其中西山、陽(yáng)泉、武夏、潞安、晉城、霍東和離柳7 個(gè)礦區(qū)內(nèi)的煤炭采空區(qū)煤層氣含量較高，采空區(qū)面積達(dá)870 km2，預(yù)測(cè)煤層氣資源量約303 億m3[11-12]。

1.2 地面煤成氣開(kāi)發(fā)

1.2.1煤層氣

據(jù)自然資源部發(fā)布的《全國(guó)石油天然氣資源勘查開(kāi)采通報(bào)(2020 年度)》統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)地面開(kāi)發(fā)煤層氣產(chǎn)量為57.67 億m3，同比增長(zhǎng)5.6%，產(chǎn)量主要來(lái)自沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣，當(dāng)前全國(guó)的煤層氣開(kāi)發(fā)仍主要集中于山西省，山西煤層氣產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展對(duì)中國(guó)整個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。

1.2.2致密砂巖氣

致密氣與煤層氣、頁(yè)巖氣均屬非常規(guī)天然氣，前期在臨興區(qū)塊施工的L-4 井在太2 段鉆遇厚度達(dá)11.3 m 的氣層，射孔后在未壓裂情況下測(cè)試日產(chǎn)氣量達(dá)119 520 m3，太2 段顯示出較大的勘探開(kāi)發(fā)潛力[13]。中聯(lián)煤層氣公司在規(guī)模化開(kāi)發(fā)中實(shí)行甜點(diǎn)區(qū)一體化滾動(dòng)建設(shè)，獲取的日產(chǎn)氣無(wú)阻流量平均5.8 萬(wàn)m3，建成的2 個(gè)一體化區(qū)年生產(chǎn)能力達(dá)3 億m3[14]。當(dāng)前臨興區(qū)塊已累計(jì)鉆井526 口，建設(shè)場(chǎng)站11 座，鋪設(shè)管線483 km，臨興區(qū)塊運(yùn)行229 口井，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)量近7.3 億m3，2020 年臨興區(qū)塊實(shí)現(xiàn)天然氣日產(chǎn)量超500 萬(wàn)m3，投產(chǎn)后累計(jì)供應(yīng)天然氣18.36 億m3，2021 年最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)塊某一單井日產(chǎn)氣無(wú)阻流量近百萬(wàn)m3。中石油煤層氣公司在鄂爾多斯盆地東緣山西境內(nèi)建設(shè)開(kāi)發(fā)的煤系氣整裝氣田超千億m3，年產(chǎn)能超10 億m3[15]。

1.2.3采空區(qū)煤層氣抽采

開(kāi)展廢棄礦井地面煤層氣抽采，對(duì)提高廢棄礦井煤層氣資源利用率，助力增儲(chǔ)上產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。山西省在廢棄礦井采空區(qū)地面抽采方面已建成覆蓋晉城、西山、陽(yáng)泉和晉中左權(quán)4 個(gè)礦區(qū)的廢棄礦井地面煤層氣抽采井累計(jì)100 余口，累計(jì)利用約1.3 億m3[16]。目前正在運(yùn)行的廢棄礦井地面煤層氣抽采井共70 余口，日產(chǎn)氣量達(dá)16.9 萬(wàn)m3，真正實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)煤層氣抽采項(xiàng)目從空白到規(guī)模化發(fā)展。

2 山西省煤成氣開(kāi)發(fā)利用探索

2.1 煤層氣勘查開(kāi)發(fā)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

前期山西省在煤層氣勘查開(kāi)發(fā)方面取得了較大成效，但隨著深部煤成氣勘查開(kāi)發(fā)成為重點(diǎn)發(fā)展方向，煤成氣勘查開(kāi)發(fā)政策、深部煤成氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)等問(wèn)題亟待解決，以提高煤層氣開(kāi)發(fā)主體的勘探開(kāi)發(fā)積極性，實(shí)現(xiàn)山西省非常規(guī)天然氣基地建設(shè)目標(biāo)。

2.1.1政策滯后性

首先是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)主體在辦理煤層氣資源勘查開(kāi)采行政許可的過(guò)程相對(duì)滯后，辦證所需要件多、手續(xù)辦理復(fù)雜繁瑣，以煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目建設(shè)為例，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中需辦理各項(xiàng)手續(xù)批復(fù)文件、證書(shū)等73 項(xiàng)。其次是現(xiàn)行煤層氣扶持優(yōu)惠政策出臺(tái)較早，無(wú)法適應(yīng)山西省進(jìn)行深部煤成氣勘查開(kāi)發(fā)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)主體激勵(lì)性偏低，煤層氣開(kāi)采成本與供氣價(jià)格倒掛，使企業(yè)勘查開(kāi)發(fā)的投資積極性變?nèi)酢?/p>

2.1.2技術(shù)適應(yīng)性

深部煤成氣資源賦存條件復(fù)雜，對(duì)深部煤成氣勘查開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求更高，但當(dāng)前地面勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)成功復(fù)制，地面排采關(guān)鍵技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)整體性突破；開(kāi)發(fā)區(qū)低成本高效建產(chǎn)工程技術(shù)有待進(jìn)一步研究；煤層氣和致密氣老區(qū)長(zhǎng)效穩(wěn)產(chǎn)工程技術(shù)亟需解決；地質(zhì)工程一體化認(rèn)識(shí)和低成本鉆井、壓裂、采氣等實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)體系有待進(jìn)一步研究，技術(shù)適應(yīng)性嚴(yán)重影響了行業(yè)利潤(rùn)水平和競(jìng)爭(zhēng)能力[17-18]。

2.2 勘查開(kāi)發(fā)體制機(jī)制改革

山西省通過(guò)煤層氣管理體制改革，以暢通煤層氣勘探開(kāi)發(fā)管理體制機(jī)制，解決煤層氣管理權(quán)不匹配、“圈而不探”“占而不采”的頑疾，激發(fā)山西省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)活力[5]。

2017 年8 月，山西省發(fā)布全國(guó)首個(gè)省級(jí)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃《山西省煤層氣資源勘查開(kāi)發(fā)規(guī)劃(2016—2020 年)》，對(duì)煤層氣作為獨(dú)立礦種進(jìn)行規(guī)劃，其中涵蓋煤層氣、煤炭礦業(yè)權(quán)、煤炭采空區(qū)、含煤地層等含氣區(qū)域，適度兼顧與煤系天然氣(致密砂巖氣)、頁(yè)巖氣等氣體礦產(chǎn)的統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)，是全國(guó)油氣類(lèi)規(guī)劃的重要實(shí)踐創(chuàng)新和探索[19]。

2020 年4 月山西省頒發(fā)《山西省煤成氣開(kāi)采項(xiàng)目審批流程(試行)》，以解決煤成氣項(xiàng)目審批職能部門(mén)和管理層級(jí)多、審批周期長(zhǎng)的問(wèn)題，推行全省市/縣“一枚印章管審批”，在市/縣即可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)審批事項(xiàng)的辦理。

2020 年5 月山西省開(kāi)始施行《山西省煤層氣勘查開(kāi)采管理辦法》，規(guī)定了煤層氣探礦權(quán)的延續(xù)及最低工作量，通過(guò)規(guī)范煤層氣資源的勘查開(kāi)采以促進(jìn)山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，開(kāi)展煤成氣綜合開(kāi)發(fā)[9]。《山西省煤層氣勘查開(kāi)采管理辦法》鼓勵(lì)更多企業(yè)投資參與煤層氣勘查開(kāi)采；鼓勵(lì)企業(yè)加快勘查；簡(jiǎn)化礦業(yè)權(quán)審批登記，取消“試采報(bào)批”，減少采礦登記要件；鼓勵(lì)零散氣利用，減少直排和空燒；推進(jìn)煤層氣項(xiàng)目進(jìn)入政務(wù)服務(wù)一體化平臺(tái)審批，大幅壓縮報(bào)批耗時(shí)；鼓勵(lì)“三氣”綜合評(píng)價(jià)和利用，實(shí)現(xiàn)多氣同采共輸，以降低基礎(chǔ)建設(shè)成本；大幅提高“最低勘查投入標(biāo)準(zhǔn)”和“勘查開(kāi)采透明度”；對(duì)低于最低勘查投入規(guī)定要求的探礦權(quán)，不予辦理延續(xù)登記；以提高礦權(quán)流轉(zhuǎn)率，促使礦權(quán)人加大投入[20]。

為實(shí)現(xiàn)增儲(chǔ)目標(biāo)，促進(jìn)山西省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，山西省依照《關(guān)于委托山西省國(guó)土資源廳在山西省行政區(qū)域內(nèi)實(shí)施部分煤層氣勘查開(kāi)采審批登記的決定》和《關(guān)于委托山西省等6 個(gè)省級(jí)國(guó)土資源主管部門(mén)實(shí)施原由國(guó)土資源部實(shí)施的部分礦產(chǎn)資源勘查開(kāi)采審批登記的決定》文件精神，在2017 年至2019 年3 年內(nèi)通過(guò)競(jìng)價(jià)招標(biāo)的方式掛牌競(jìng)爭(zhēng)出讓多個(gè)煤層氣探礦權(quán)(表1)，同時(shí)為解決資源利用率不高的問(wèn)題，山西省推行了煤層氣礦業(yè)權(quán)退出機(jī)制。

表1 2017—2019 年山西省煤層氣礦區(qū)出讓情況Table 1 Transfer of CBM mining areas in Shanxi Province from 2017 to 2019

2.3 技術(shù)創(chuàng)新破解開(kāi)發(fā)“瓶頸”，助力增儲(chǔ)上產(chǎn)

煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵，2020 年度山西省科技重大專(zhuān)項(xiàng)指南提出，將通過(guò)5 個(gè)重點(diǎn)方向的科技攻關(guān)來(lái)突破山西省非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)理論和技術(shù)的瓶頸，最終形成一批具有國(guó)際領(lǐng)先的非常規(guī)天然氣探采用技術(shù)。

山西省《煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)專(zhuān)項(xiàng)資金管理暫行辦法的通知》中強(qiáng)化了煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)專(zhuān)項(xiàng)資金的管理，支持加快建設(shè)煤成氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和示范應(yīng)用攻關(guān)項(xiàng)目、創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目等，其中煤成氣專(zhuān)項(xiàng)資金只針對(duì)新增的儲(chǔ)量和產(chǎn)量補(bǔ)貼，提高了企業(yè)對(duì)煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的積極性。

單井產(chǎn)量低、資源動(dòng)用率低、產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率低是制約煤層氣基地產(chǎn)業(yè)化建設(shè)開(kāi)發(fā)的主要因素[21]。為實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化運(yùn)作，煤層氣開(kāi)發(fā)主體在各區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行了積極探索。

延川南地處鄂爾多斯盆地東緣南段河?xùn)|煤田南部，區(qū)內(nèi)探明面積達(dá)251 km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量為208 億m3，平均井深超1 300 m，中石化臨汾煤層氣公司基于延川南深部煤儲(chǔ)層大埋深、高煤階、低孔隙度、低滲透率，儲(chǔ)層壓力系數(shù)低的地質(zhì)特點(diǎn)，建立了深部高階煤煤層氣勘探開(kāi)發(fā)地質(zhì)理論、深部煤層氣分區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)、深部煤層氣開(kāi)發(fā)的排采制度、深部煤層氣低成本工程工藝技術(shù)系列,通過(guò)科技攻關(guān)探索構(gòu)建了以提高資源動(dòng)用率為核心的地質(zhì)工程一體化增效技術(shù)體系，試驗(yàn)的21 口井中19 口井實(shí)現(xiàn)單井日增產(chǎn)400 m3。經(jīng)多年精細(xì)化管控，延川南地區(qū)單井平均日產(chǎn)氣量超1 300 m3,區(qū)塊日產(chǎn)氣量超100 萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)了延川南區(qū)塊深部煤層氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)[22-28]。

中石油煤層氣公司緊抓山西省煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)發(fā)展機(jī)遇，探索形成了埋深800 m 以淺的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)。具體包括：煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)系列，煤層氣高效建產(chǎn)區(qū)優(yōu)選的地震采集和處理技術(shù)，儲(chǔ)層保護(hù)與井壁穩(wěn)定一體化的煤層氣水平井鉆完井技術(shù)，針對(duì)“低強(qiáng)度、高濾失、易傷害、裂縫復(fù)雜”煤層的壓裂增產(chǎn)技術(shù)，以井底流壓為核心的煤層氣智能排采技術(shù)，煤層氣“三低”集輸工藝等。推進(jìn)老區(qū)產(chǎn)能挖潛，保德區(qū)塊在年生產(chǎn)能力5.5 億m3基礎(chǔ)上實(shí)施“蜜點(diǎn)”挖潛，新井滾動(dòng)擴(kuò)邊年產(chǎn)能增加0.8 億m3，其作為我國(guó)首個(gè)大型中低階煤煤層氣田，歷年累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量615 億m3[29-33]。

中石油煤層氣公司在鄂爾多斯盆地東緣確立大吉、石樓西、三交北為煤成氣上產(chǎn)主戰(zhàn)場(chǎng)，通過(guò)建立地質(zhì)工程一體化平臺(tái)，整體效率提升30%，致密氣動(dòng)儲(chǔ)采用水平井分段壓裂技術(shù)，針對(duì)儲(chǔ)層物性特征，優(yōu)化壓裂工藝，形成了適應(yīng)不同砂巖儲(chǔ)層的改造工藝和改造方法。排采階段依據(jù)致密氣低壓、低產(chǎn)、小水量的生產(chǎn)特征，形成“以泡排為主、柱塞氣舉和速度管為輔”的排水采氣工藝體系。中石油煤層氣公司所屬的三交區(qū)塊年產(chǎn)氣達(dá)1.02 億m3、三交北區(qū)塊年產(chǎn)氣達(dá)1.5 億m3、石樓西區(qū)塊年產(chǎn)氣達(dá)8.2 億m3，大寧?吉縣(臨汾)區(qū)塊年產(chǎn)氣達(dá)6.4 億m3。

中石油華北油田煤層氣公司堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，堅(jiān)定“一定、二探、三落實(shí)”的勘探評(píng)價(jià)技術(shù)路線，深入研究中深部煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律，對(duì)控產(chǎn)要素綜合預(yù)測(cè)進(jìn)行創(chuàng)新，煤層氣勘探評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)了由“廣撒網(wǎng)式”向“探尋高效優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量”轉(zhuǎn)移，持續(xù)提升儲(chǔ)量品位，沁水盆地煤層氣儲(chǔ)量動(dòng)用程度由“十二五”的10% 提升至“十三五”的43%，新增探明儲(chǔ)量超700 億m3，累計(jì)提交煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量2 386 億m3。

中石油華北油田煤層氣公司開(kāi)展的高階煤煤層氣成藏及控產(chǎn)機(jī)理研究，形成了成藏地質(zhì)、勘探評(píng)價(jià)、“四要素”控產(chǎn)、“疏導(dǎo)式”排采控制等理論，創(chuàng)新了集“勘探、鉆井、壓裂、排采、集輸”于一體的煤層氣配套工程技術(shù)體系，為煤層氣開(kāi)發(fā)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。鄭莊老區(qū)開(kāi)展低效區(qū)開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)，對(duì)水平井施行交互式壓裂，堅(jiān)持疏導(dǎo)式排采管控，單井平均日產(chǎn)氣量達(dá)到8 500 m3，周邊部分垂直井單井日增產(chǎn)550 m3，盤(pán)活鄭莊老區(qū)低效區(qū)煤層氣儲(chǔ)量70 億m3，建立起國(guó)內(nèi)煤層氣低效區(qū)資源盤(pán)活示范區(qū)[34-35]。2021 年6 月，華北油田山西煤層氣分公司日產(chǎn)氣量突破400 萬(wàn)m3，日產(chǎn)氣量較年初增加超50 萬(wàn)m3。

中聯(lián)煤層氣公司沁水盆地南部區(qū)塊通過(guò)降壓提產(chǎn)、儲(chǔ)層改造、煤粉解堵和新技術(shù)應(yīng)用等措施，保證了潘莊老區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，薄煤層開(kāi)發(fā)取得突破，單井平均日產(chǎn)氣量6 149 m3，呈現(xiàn)出巨大的開(kāi)發(fā)潛力，為增儲(chǔ)上產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了保證，儲(chǔ)量方面，截至2020 年底，已形成晉南、晉中、晉西陜東3 個(gè)主要儲(chǔ)量區(qū)[14]。

2.4 “三氣共采”激發(fā)勘探開(kāi)發(fā)積極性

煤巖系中蘊(yùn)含豐富的煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)“三氣共采”，可提高單井經(jīng)濟(jì)效益，激發(fā)企業(yè)勘探開(kāi)發(fā)積極性，促進(jìn)煤成氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在國(guó)家增儲(chǔ)上產(chǎn)“七年行動(dòng)計(jì)劃”及山西省煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)三年行動(dòng)的合力推動(dòng)下。各煤層氣開(kāi)發(fā)主體積極進(jìn)行科技攻關(guān)，加大“三氣共采”投資開(kāi)發(fā)力度。

中聯(lián)煤層氣公司通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，形成了儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)壓裂等技術(shù)創(chuàng)新體系，通過(guò)小井眼鉆井技術(shù)，大幅降低鉆井周期。臨興區(qū)塊采用煤系氣勘探開(kāi)發(fā)一體化模式進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“當(dāng)年鉆井測(cè)試+當(dāng)年建管道+當(dāng)年投產(chǎn)銷(xiāo)售”，極大提升了勘探開(kāi)發(fā)的工程進(jìn)度，降低了成本回收周期[36]。

2016 年，沁水盆地榆社?武鄉(xiāng)區(qū)塊進(jìn)行了深部煤系三氣分壓合采試驗(yàn)，后期單井日產(chǎn)氣量達(dá)到1 000 m3，實(shí)現(xiàn)了“三氣共采”，穩(wěn)產(chǎn)期近一年，取得了較好效果。2018 年該區(qū)塊內(nèi)的榆社東區(qū)塊被山西省列為“三氣”共探共采重大科技項(xiàng)目基地[37]。近年來(lái)臨興氣田探索了煤層氣、致密砂巖氣合采技術(shù)，“十三五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)中該區(qū)塊煤系氣合采的部分試驗(yàn)井在“煤層＋砂巖層”合采效果較為穩(wěn)定，預(yù)計(jì)示范區(qū)約60%的氣井可實(shí)現(xiàn)“煤層＋砂巖層”合采，對(duì)不適宜合層開(kāi)采的地層，探索了先致密砂巖氣后深部煤層氣的同井接替合采方案，實(shí)現(xiàn)了煤成氣的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。在鄂爾多斯盆地東緣中聯(lián)煤層氣公司臨興區(qū)塊通過(guò)“煤層氣+致密氣”“煤層氣+頁(yè)巖氣”合采試驗(yàn)，多個(gè)試驗(yàn)井在“煤層＋砂巖層”段壓裂試氣后實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，單井日產(chǎn)氣量最高超過(guò)4 000 m3[4]。雖然“三氣共采”的勘探開(kāi)發(fā)在局部取得突破，但“三氣共采”實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)仍需加大地質(zhì)研究和技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)踐探索。

2.5 煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式

瓦斯是煤礦災(zāi)害主要來(lái)源之一，煤礦企業(yè)從自身安全生產(chǎn)出發(fā)，探索出了一套煤與煤層氣共采理念，堅(jiān)持以用促抽、以抽保安，為煤礦井下生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的安全保障，同時(shí)在國(guó)際上借助CDM 項(xiàng)目出售碳排放指標(biāo)賺取外匯的案例，改變了外界對(duì)煤礦瓦斯價(jià)值的理念[38]。

科技創(chuàng)新推動(dòng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，山西省煤礦瓦斯治理已從局部抽采，探索出了全礦區(qū)、全層位、全時(shí)段煤與煤層氣共采“四區(qū)”(規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū))(圖1)聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式及技術(shù)體系。煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式解決了煤與煤層氣共采的時(shí)空協(xié)調(diào)關(guān)系及煤礦采掘的時(shí)空接替問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全高效、科學(xué)有序地開(kāi)采煤炭與煤層氣資源。煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)抽采技術(shù)體系堅(jiān)持規(guī)劃區(qū)地面超前預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)井上下聯(lián)合抽采、生產(chǎn)區(qū)精準(zhǔn)卸壓抽采、煤炭采空區(qū)地面鉆采。

圖1 煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式Fig.1 Coal and CBM co-mining“four zones”combined with well up and down pumping mode

煤礦采前地面預(yù)抽井技術(shù)在晉城寺河礦實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯含氣量平均每年降低1.36～2.4 m3/t，東五盤(pán)區(qū)采煤速度提高1 倍以上，煤炭資源采出率提高10%以上，在晉城成莊礦實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯含氣量最高每年降低1 m3/t，建成了山西省煤與瓦斯共采綠色開(kāi)采示范礦井，標(biāo)志著山西省煤與瓦斯共采技術(shù)取得重大突破[39-41]。通過(guò)煤礦采前地面預(yù)抽，原晉煤集團(tuán)瓦斯超限由2006 年的300 多次，降至2018 年的3 次，瓦斯事故基本杜絕[42]。晉煤模式在陽(yáng)泉礦區(qū)、西山礦區(qū)、柳林礦區(qū)實(shí)現(xiàn)地面規(guī)模化推廣，原晉煤集團(tuán)地面煤層氣年抽采量長(zhǎng)期保持在14 億m3。

煤礦準(zhǔn)備區(qū)井上下聯(lián)合抽采屬加速抽采，通過(guò)井下定向長(zhǎng)鉆孔與地面井壓裂影響區(qū)溝通，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合抽采，提高了地面煤層氣抽采量，緩解了礦井生產(chǎn)掘進(jìn)難和生產(chǎn)銜接緊張等局面，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)備區(qū)煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)。

生產(chǎn)區(qū)卸壓抽采技術(shù)是結(jié)合井下工作面回采對(duì)煤儲(chǔ)層擾動(dòng)的影響，充分利用地面采動(dòng)井組或L 型井，對(duì)工作面回采過(guò)程中釋放的瓦斯進(jìn)行及時(shí)有效地抽采，以保障上隅角瓦斯不超限。此技術(shù)在晉城礦區(qū)、大同礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)、西山礦區(qū)均進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得良好抽采效果。晉城礦區(qū)YCCD-02 井在回采至井位處時(shí)，日抽采純量最大3.79 萬(wàn)m3，運(yùn)行期間平均日抽采量1.56 萬(wàn)m3，單井累計(jì)抽采量超3 157.75 萬(wàn)m3。陽(yáng)泉礦區(qū)新景礦地面L 型水平井平均瓦斯日抽采純量1.3 萬(wàn)m3，累計(jì)抽采量410 萬(wàn)m3，杜絕了瓦斯超限問(wèn)題。大同礦區(qū)塔山礦工作面回采過(guò)程中絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)35 m3/min，采用地面采動(dòng)垂直井組抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)28.69%，平均3.5%；將上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.4% 以下，保障了工作面安全高效生產(chǎn)[43-44]。采空區(qū)地面抽采技術(shù)不僅在以晉城、西山、陽(yáng)泉礦區(qū)為代表的高瓦斯礦井得到應(yīng)用推廣(表2)，在大同礦區(qū)為代表的低瓦斯礦井也得到了應(yīng)用推廣。

表2 煤礦采空區(qū)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Production data of goafs in the coal mine

2.6 礦權(quán)重疊的協(xié)調(diào)與共贏

為加快非常規(guī)天然氣基地建設(shè)，山西省鼓勵(lì)企業(yè)間合作或調(diào)整礦業(yè)權(quán)范圍等方式妥善解決重疊區(qū)內(nèi)煤層氣地面開(kāi)發(fā)與煤礦生產(chǎn)的銜接問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多方探索形成了煤層氣企業(yè)與煤炭主體協(xié)作開(kāi)發(fā)的“三交模式”、煤炭反哺煤層氣開(kāi)發(fā)的“華潞模式”、煤與煤層氣四區(qū)聯(lián)動(dòng)共采的“晉城模式”[4,45]。

以中石油煤層氣公司與呂梁地方煤礦為例，多年來(lái)煤層氣地面建設(shè)緩慢的癥結(jié)在于礦權(quán)重疊嚴(yán)重，為解決礦權(quán)重疊導(dǎo)致的利益矛盾，臨縣政府、中石油煤層氣公司及煤礦主體共同協(xié)調(diào)2 種資源的開(kāi)發(fā)機(jī)制，在礦權(quán)重疊區(qū)，中石油和煤炭開(kāi)采企業(yè)相互配合，利用聯(lián)合勘探、聯(lián)合開(kāi)發(fā)、聯(lián)合利用等方式從對(duì)立走向合作，實(shí)現(xiàn)共贏[46]。

煤層氣開(kāi)發(fā)與頁(yè)巖氣、致密砂巖氣開(kāi)發(fā)的不同在于除具有優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用外，還兼具保障煤礦安全生產(chǎn)、減少礦井風(fēng)排瓦斯的現(xiàn)實(shí)意義。在當(dāng)前的“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)指引下，隨著煤礦開(kāi)采逐年向深部擴(kuò)展，礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅日益嚴(yán)重，“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”對(duì)于煤層氣開(kāi)發(fā)主體與煤礦企業(yè)間進(jìn)一步深化合作將是雙方發(fā)展的共同需求[47]。

2.7 煤層氣分質(zhì)分級(jí)利用

煤層氣常被用作民用或工業(yè)燃料，但在需求和技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，已被用作優(yōu)質(zhì)的化工原料，煤層氣的利用通常分為3 個(gè)層級(jí)，最低端是作為清潔燃料，其次是利用煤層氣生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品，如陶瓷、玻璃；更高一級(jí)的是更高附加值的產(chǎn)品，如當(dāng)前的煤層氣生產(chǎn)金剛石、石墨烯、氫能等[48]。2020 年8 月在成莊礦實(shí)施的“煤礦低體積分?jǐn)?shù)瓦斯直燃制熱一體化技術(shù)”項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了6%～30%的低濃度瓦斯的安全高效利用，項(xiàng)目集成了兆瓦級(jí)金屬纖維燃燒技術(shù)、瓦斯直燃控制系統(tǒng)、安全燃燒阻爆系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了低濃度瓦斯直燃制熱一體化技術(shù)，該技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平[49]。

自2012 年始，太原理工大學(xué)研究煤層氣中提取制備納米洋蔥碳，并對(duì)納米洋蔥碳無(wú)法量產(chǎn)的世界難題成功破解，2019 年完成中試并投產(chǎn)轉(zhuǎn)化，年銷(xiāo)售額破千萬(wàn)元。2020 年太原理工大學(xué)和華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)聯(lián)手成功實(shí)現(xiàn)了金剛石的試生產(chǎn)，煤層氣資源探尋出一條“論克拉賣(mài)的價(jià)值鏈”。從納米洋蔥碳到金剛石，山西實(shí)現(xiàn)了煤層氣利用的高水平發(fā)展[48]。

3 結(jié)論

a.山西省踐行國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展，立足自身豐富的煤炭與煤層氣資源，深入推進(jìn)勘查開(kāi)發(fā)體制機(jī)制改革，推行煤層氣礦業(yè)權(quán)退出機(jī)制以提高資源利用率，通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)出讓空白煤層氣勘查區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)資源高效配置，促進(jìn)煤成氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，為煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了政策支撐和資源保障。

b.煤層氣老區(qū)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新破解開(kāi)發(fā)瓶頸，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。“三氣并舉”實(shí)現(xiàn)新建區(qū)塊產(chǎn)能快速釋放，降低投資回收期，激發(fā)企業(yè)勘探開(kāi)發(fā)積極性，加速非常規(guī)天然氣基地建設(shè)。

c.規(guī)劃區(qū)地面超前預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)井上下聯(lián)合抽采、生產(chǎn)區(qū)精準(zhǔn)抽采、煤炭采空區(qū)地面鉆采構(gòu)建起煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)抽采技術(shù)體系，解決了煤礦采掘的時(shí)空接替問(wèn)題，在山西省重點(diǎn)煤礦區(qū)取得推廣應(yīng)用，初步形成了我國(guó)煤礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式，為實(shí)現(xiàn)兩種資源合理開(kāi)發(fā)，在保障煤礦安全、環(huán)保、高效發(fā)展等方面奠定了基礎(chǔ)。

d.煤層氣是與煤伴生的清潔能源，發(fā)展煤層氣地面抽采符合國(guó)家碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略要求。“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”是踐行“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可靠路徑，地面開(kāi)發(fā)煤層氣對(duì)提升煤礦安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義，企業(yè)間創(chuàng)新合作模式是加快煤層氣地面開(kāi)發(fā)建設(shè)，有效解決重疊區(qū)內(nèi)煤層氣地面開(kāi)發(fā)與煤礦生產(chǎn)銜接問(wèn)題的重要手段，煤炭及煤層氣兩大產(chǎn)業(yè)合作共贏是協(xié)同發(fā)展的必由之路。

e.煤層氣作為傳統(tǒng)的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，依托需求與技術(shù)的雙重創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)煤層氣利用高質(zhì)量發(fā)展，增加煤層氣這一基礎(chǔ)燃料的附加值，變身高端產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。