煤層氣開發

煤層中蘊藏一種可燃氣體，即煤層氣，俗稱“瓦斯”，主要成分是甲烷，含量高達95%以上，是優質的能源。長期以來，人們在採煤過程中，為了減少煤礦瓦斯災害而進行井下瓦斯抽放，大部分排放到大氣中去，破壞了生態環境。煤層氣有毒、易燃、易爆，對煤礦安全生產危害極大，瓦斯爆炸事故時有發生。採煤前先採出煤層氣，對煤層氣藏進行科學合理地開發和利用，不僅有利於滿足日益增長的能源需求，而且有利於從根本上減少煤礦瓦斯事故，保護生態環境。

勘探開發經歷了三個階段：20世紀70年代至80年代初為評價試驗階段，美國礦業局、鋼鐵公司和一些石油公司率先在阿拉巴馬州的黑勇士盆地和科羅拉多州與新墨西哥州之間的聖胡安盆地進行勘探和井組試采，從此誕生了煤層氣工業。80年代中期至90年代中期為快速發展階段，隨著裸眼洞穴完井技術和空氣鑽井技術的推廣應用，

近年來，世界上投入煤層氣勘探和開發的國家還有加拿大、澳大利亞、印度、英國、德國、波蘭、西班牙、法國、捷克、紐西蘭等十幾個國家。

煤層氣的開發還處於小範圍的試采階段，尚未規模開發利用。煤層氣勘探開發試驗始於20世紀90年代，此前只以減少煤礦瓦斯災害為目的進行瓦斯井下抽放。抽放率與礦井瓦斯排放總量相比較低，利用量也偏低，其利用的部分僅涉及民用燃料、化工、發電等方面。90年代后，中國煤炭、地礦、石油系統和部分地方政府以開發新能源為目的，積極引進西方國家的新技術和設備，相繼開展煤層氣勘探研究和先導性試驗，在樊庄、柳林、潘庄、棗園、三交、磧口、淮北、臨興、鐵法、阜新等地建成試驗井組十餘個，取得了一批煤儲層測試參數和部分氣井生產資料，共探明煤層氣地質儲量1023×10m。據預測，中國埋深300～1500m的煤層氣遠景資源量約為27×10m，表明煤層氣藏實現規模開發已經具備豐富的資源基礎。

截至2005年底，中國共鑽煤層氣井607口，僅2005年鑽煤層氣井近340口，超過歷年鑽井數的總和。山西沁水盆地“沁南煤層氣開發利用高技術產業化示範工程項目”已完鑽100口井，可年產煤層氣7000×10m。2005年11月份開始正式商業售氣。

煤由煤岩基質和割理裂縫系統組成。煤層氣主要以吸附方式賦存於煤岩基質中，少部分以遊離或溶解狀態賦存於煤層裂縫的水中。由於煤的比表面比常規儲層大得多（煤儲層一般為10～40m/g，而常規砂岩儲層僅為0.1～0.2m/g），所以，煤的儲氣能力往往高於砂岩儲層。

由於煤層氣的賦存介質和賦存方式具特殊性，煤層氣藏的開採機理和開採方式與常規氣藏不同。煤層中割理裂縫系統被水佔據，因此煤層氣的開採需先排水，抽排煤層中的承壓水降低煤層壓力，當壓力降到臨界解吸壓力以下后，煤層氣從基質中解吸出來，通過基質和微孔隙擴散到裂縫，再沿割理或裂縫系統流入井筒而被采出。壓降波及範圍越來越大，煤層氣解吸量和井口產氣量也越來越大。通常，煤層氣井生產經歷三個階段：

（1）產氣量上升階段：主要產水，隨著壓力降到煤層臨界解吸壓力以下，氣體飽和度增加，氣相滲透率提高，井口開始產氣並逐漸上升。

（2）高峰產氣階段：產氣量相對穩定，產水量逐漸下降。

（3）產量遞減階段：隨著壓力下降，產氣量下降，產水量也降至少量或微量。

煤層氣藏滲透率較低。中國絕大多數煤層滲透率小於1mD，一般都要採取水力壓裂等儲層改造措施，且開採井距較常規砂岩氣藏小。

美國成功開採煤層氣的經驗表明，開發工藝技術的進步大大促進了煤層氣工業的快速發展。20世紀70年代到80年代初，常規鑽井和套管射孔壓裂技術是開發煤層氣最為普遍採用的技術；80年代隨著裸眼洞穴完井和空氣鑽井技術的發展，聖胡安盆地和黑勇士盆地率先進入大規模商業性開發；90年代后，層內水平井、複合完井、定向羽狀水平井等技術的研究和推廣應用，使煤層氣工業得到了前所未有的大發展。

每種技術都有一定的適用條件，必須依據實際地質條件採用相適應的工藝技術。水力壓裂是國內外改造低滲透煤層最常用的措施之一，其優點是工藝技術較為成熟，不足之處是增產效果有限。裸眼洞穴完井是在井底形成1～3m穩定的洞穴，以此提高近井區域的滲透性，適用於厚煤層、高滲透的儲層，主要應用在美國聖湖安和粉河盆地，煤層氣產量是射孔水力壓裂完井產量的3～20倍。定向羽狀水平井是在主水平井眼兩側鑽出多個分支井眼作為泄氣通道，分支井眼能夠穿越更多的煤層裂縫系統，提高導流能力，從而提高單井產量。該技術適用於煤階較高、煤質較硬且煤層連續的地層，對煤層滲透率很低或地麵條件惡劣等不適於直井方式開採的煤層，有其獨特的優勢。美國西弗吉尼亞地區應用定向羽狀水平井的生產情況顯示，單井日產氣量較直井提高了10～20倍，採收率預計達60%～75%。

中國煤層滲透率低，大多數井都採用水力壓裂增產技術。2000年以來，中國也開展了定向羽狀水平井先導性試驗。2004年，中國第一口定向羽狀水平井在山西晉城成功完鑽，並獲得了2×10m的穩定產量，這是中國煤層氣藏鑽完井工藝技術的重大突破，將促進經濟有效地開發煤層氣藏。

20世紀90年代以來，中國一些地區煤層氣抽放利用和地面勘探開發成果顯示，開發利用煤層氣在補充能源、改善煤礦安全、保護生態環境三方面具有特殊的緊迫性和重要性，煤層氣具有良好的開發前景。21世紀初，中國對天然氣的需求將快速增長，供需矛盾將十分突出，而資源豐富、優質潔凈的煤層氣將是重要的補充能源。