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全球煤層氣勘探開發(fā)以淺層煤層氣為主，我國(guó)創(chuàng)新突破了深層煤層氣不能高產(chǎn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，率先實(shí)現(xiàn)深層煤層氣商業(yè)化開發(fā)，累計(jì)提交探明儲(chǔ)量超5000億立方米，建成產(chǎn)能超25億立方米/年。在近日召開的2025煤層氣勘探開發(fā)年會(huì)上，專家認(rèn)為，中國(guó)煤巖氣（深層煤層氣）革命將引領(lǐng)一場(chǎng)世界級(jí)煤層氣產(chǎn)業(yè)革命，深部煤層氣的潛力將會(huì)超過(guò)頁(yè)巖氣，有望形成年產(chǎn)千億方級(jí)的大產(chǎn)業(yè)。從煤層氣到煤巖氣，不僅僅是術(shù)語(yǔ)上的變化，更是對(duì)煤系地層中天然氣資源認(rèn)知的一次重大變革，是一次科研范式轉(zhuǎn)換，標(biāo)志著我國(guó)在探索深層煤巖儲(chǔ)層過(guò)程中取得了新的理論和技術(shù)突破。未來(lái)，油氣企業(yè)需要深度參與煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)突破將催生中國(guó)煤巖油氣革命。
□本報(bào)記者 程 強(qiáng)
我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)深層煤層氣商業(yè)化開發(fā)
全球煤層氣勘探開發(fā)以淺層煤層氣為主，我國(guó)創(chuàng)新理論和技術(shù)，突破了深層煤層氣不能高產(chǎn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，近年來(lái)多口深層煤層氣探井取得高產(chǎn)，在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)5個(gè)千億方大氣田，全國(guó)累計(jì)提交探明儲(chǔ)量超5000億立方米，建成產(chǎn)能超25億立方米/年，掀起了深層煤層氣勘探開發(fā)熱潮
全球煤層氣資源量為256.1萬(wàn)億立方米，是常規(guī)天然氣資源量的50%，主要分布在亞太和北美地區(qū)。上世紀(jì)80年代，美國(guó)煤層氣開發(fā)取得突破，2008年產(chǎn)量達(dá)峰557億立方米，但受頁(yè)巖氣革命等影響，2010年后產(chǎn)量回落，目前年產(chǎn)量約200億立方米。澳大利亞在2021年產(chǎn)量達(dá)峰405億立方米，現(xiàn)仍居世界第一。
但全球煤層氣勘探開發(fā)以淺層煤層氣為主，國(guó)外深層煤層氣未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)深層煤層氣商業(yè)化開發(fā)。
中國(guó)工程院院士郭旭升介紹，近年來(lái)，我國(guó)多口深層煤層氣探井獲得高產(chǎn)，在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)神府、大吉、大牛地、佳縣、納林河5個(gè)千億方大氣田，在四川盆地磨溪地區(qū)龍?zhí)督M超4000米的深層煤層氣勘探取得積極進(jìn)展，準(zhǔn)噶爾盆地中低階深層煤層氣勘探取得好苗頭，累計(jì)提交探明儲(chǔ)量超5000億立方米，快速建產(chǎn)能超25億立方米/年，在建成鄂東和沁南兩大淺層煤層氣產(chǎn)業(yè)基地的基礎(chǔ)上，煤層氣開發(fā)深度向1500米以深拓展。
郭旭升說(shuō)，四大因素促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。理論創(chuàng)新方面，發(fā)現(xiàn)深層煤層含氣性及力學(xué)特性等存在一臨界深度帶，突破了深層煤層氣不能高產(chǎn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。技術(shù)進(jìn)步方面，形成“密切割+大排量+大砂量+組合支撐劑+前置酸+變黏滑溜水”水平井壓裂技術(shù)。精益管理方面，構(gòu)建“勘探開發(fā)、地質(zhì)工程、鉆井壓裂、地面地下”一體化模式，推進(jìn)鉆完井技術(shù)和組織管理水平迭代提升。政策扶持是低品位煤層氣效益開發(fā)的保障，如美國(guó)煤層氣稅收政策優(yōu)惠期長(zhǎng)達(dá)23年，澳大利亞在煤炭-煤層氣礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)出臺(tái)政策鼓勵(lì)煤層氣優(yōu)先開采。
我國(guó)東北、西北、華北、滇藏、華南五大聚煤區(qū)，含氣性差異大。郭旭升分析，深層煤層氣具有“二元”富集特征：有利聚煤環(huán)境是深層煤層氣富集的基礎(chǔ)，煤層厚度大、品質(zhì)好；良好的保存條件是游離氣富集的關(guān)鍵，壓力系數(shù)高、游離氣量大。他建議，以煤層氣產(chǎn)業(yè)重大需求為導(dǎo)向，集智攻關(guān)，打造深層煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系，支撐煤層氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
煤層氣開發(fā)利用國(guó)家工程研究中心董事長(zhǎng)，中石油煤層氣公司執(zhí)行董事、黨委書記周立宏介紹，該公司2019年實(shí)施的大吉3-7向2井實(shí)現(xiàn)深層煤層氣工業(yè)氣流突破，發(fā)現(xiàn)了深層游離氣賦存特性，顛覆了“壓實(shí)作用下深部煤巖物性差、含氣量低，難以效益開發(fā)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，突破了1500米以深煤層氣開發(fā)下限。2021年，該公司在鄂爾多斯盆地東斜坡帶探明了我國(guó)首個(gè)2000米以深整裝大型深層煤層氣田，在國(guó)內(nèi)掀起了深層煤層氣勘探開發(fā)熱潮。
一個(gè)千億方級(jí)新興大產(chǎn)業(yè)具備潛力
多年來(lái)，在現(xiàn)有理論與技術(shù)下，淺層煤層氣單井產(chǎn)量太低且至今未找到有效解決途徑，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)始終低效甚至無(wú)效。深層煤層氣又稱為煤巖氣，具備高含氣性、煤體結(jié)構(gòu)好、保存條件好三大顯著特征，潛力將會(huì)超過(guò)頁(yè)巖氣，技術(shù)突破后有望形成年產(chǎn)1000億立方米以上的新興大產(chǎn)業(yè)
周立宏認(rèn)為，傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上煤層氣是煤礦安全生產(chǎn)的伴生資源。而煤巖氣，是指以煤作為烴源巖和儲(chǔ)集巖且處于煤炭開采經(jīng)濟(jì)技術(shù)極限深度以下煤層中的天然氣，這個(gè)極限深度一般為1500米。廣義上，煤巖氣是賦存在煤巖地層中的天然氣，以煤自生自儲(chǔ)為主，也有部分外來(lái)充注。深層煤層氣又稱為煤巖氣。
與淺層煤層氣相比，深層煤層氣具備高含氣性、煤體結(jié)構(gòu)好、保存條件好三大顯著特征。2024年，我國(guó)天然氣產(chǎn)量2464億立方米，其中非常規(guī)天然氣產(chǎn)量1077億立方米。在非常規(guī)天然氣中，頁(yè)巖氣產(chǎn)量257億立方米、煤層氣產(chǎn)量138億立方米，其中深層煤層氣產(chǎn)量25億立方米。周立宏認(rèn)為，中國(guó)煤巖氣革命將引領(lǐng)一場(chǎng)世界級(jí)煤層氣產(chǎn)業(yè)革命，2035年全國(guó)煤巖氣產(chǎn)量有望在400億~500億立方米。
中國(guó)石油學(xué)會(huì)原副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)徐鳳銀同樣看好其潛力，認(rèn)為“深部煤層氣的潛力將會(huì)超過(guò)頁(yè)巖氣”。但目前，深層煤層氣勘探開發(fā)面臨一系列挑戰(zhàn)，需要實(shí)施勘探開發(fā)、地質(zhì)工程、理論技術(shù)、地下地上、產(chǎn)學(xué)研用、投資效益、大數(shù)據(jù)人工智能、戰(zhàn)略策略“八個(gè)一體化”。
中國(guó)工程院院士羅平亞長(zhǎng)期關(guān)注我國(guó)煤層氣的發(fā)展。他說(shuō)，30年前，全球興起一股源于美國(guó)的淺層煤層氣開發(fā)熱潮，我國(guó)淺層煤層氣資源量32.6萬(wàn)億~36.8萬(wàn)億立方米，居世界第三，國(guó)家曾希望形成年產(chǎn)煤層氣1000億立方米以上的新興大產(chǎn)業(yè)。但直到2020年，我國(guó)地面開發(fā)的煤層氣年產(chǎn)量?jī)H57億立方米。根本原因是，現(xiàn)有理論與技術(shù)下煤層氣單井產(chǎn)量太低且至今未找到有效解決途徑。雖然經(jīng)過(guò)20多年攻關(guān)，煤層氣單井產(chǎn)量已由700~800立方米/日提高為1200~1300立方米/日，但煤層氣開發(fā)始終低效甚至無(wú)效。
這是一個(gè)世界性難題—經(jīng)過(guò)30年努力，全球煤層氣形成產(chǎn)業(yè)的國(guó)家僅4個(gè)，即美國(guó)、加拿大、澳大利亞、中國(guó)，全球煤層氣年產(chǎn)量都未到過(guò)千億立方米，且呈下滑趨勢(shì)。
在煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展低潮的艱難歲月，我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)界不放棄，不斷探索并在深層煤層氣領(lǐng)域取得重大突破，使人們又看到了希望。
羅平亞說(shuō)，我國(guó)煤層氣資源種類齊全，且極為豐富、十分可靠。除了淺層煤層氣，2000米以深煤層氣資源量超過(guò)40萬(wàn)億立方米，與煤層共生的致密砂巖復(fù)合氣藏資源量約107萬(wàn)億立方米，用總計(jì)180萬(wàn)億立方米的資源量來(lái)保證年產(chǎn)千億立方米大產(chǎn)業(yè)，技術(shù)一旦突破就可能實(shí)現(xiàn)。
羅平亞指出，現(xiàn)有理論和技術(shù)體系只在10%~15%的煤層中適用，且對(duì)煤儲(chǔ)層有傷害，嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能。綜合應(yīng)用煤礦瓦斯動(dòng)力學(xué)和氣藏工程及采氣工程相關(guān)理論與方法，分析研究煤層氣井產(chǎn)氣解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)過(guò)程的耦合及其對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響，從理論上可以證明：各類煤層氣都有可能建立高效勘探開發(fā)的理論與技術(shù)體系，并實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)。
羅平亞建議，充分依靠煤炭和油氣兩大行業(yè)（學(xué)科）交叉融合，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，堅(jiān)持原始創(chuàng)新，從頭（新）創(chuàng)立適用于各類煤層氣藏高效勘探、有效開發(fā)的理論與技術(shù)體系，產(chǎn)生一個(gè)新的學(xué)科（方向），形成一個(gè)新的生產(chǎn)、技術(shù)領(lǐng)域。
中國(guó)科學(xué)院院士鄒才能指出，2008年我國(guó)非常規(guī)油氣總產(chǎn)量占比不足2.5%，2024年已占27%。煤巖氣成為非常規(guī)油氣的一匹“大黑馬”。我國(guó)煤巖氣取得理論和技術(shù)原創(chuàng)性突破，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，使得非常規(guī)油氣由近源致密砂巖+灰?guī)r油氣，向源內(nèi)頁(yè)巖+煤巖油氣延伸，增加了新的資源，延長(zhǎng)了石油工業(yè)的生命周期。
深層煤層氣的“反常”引發(fā)科研范式轉(zhuǎn)換
深層煤層氣地質(zhì)上具有“高壓力、高溫度、高含氣、高飽和、高游離”特征，開發(fā)上呈現(xiàn)“投產(chǎn)即見氣、見氣即高產(chǎn)”的特點(diǎn)。深層煤層氣勘探開發(fā)出現(xiàn)很多有別于淺層煤層氣的異常現(xiàn)象，引發(fā)科研范式轉(zhuǎn)換，是對(duì)煤系地層中天然氣資源認(rèn)知的一次重大變革，煤層氣僅是煤巖氣的一個(gè)特例
目前，業(yè)界對(duì)煤層氣的概念尚未統(tǒng)一。
羅平亞認(rèn)為，煤層氣是賦存在煤層和與煤層疊合共生的致密砂巖復(fù)合煤層氣藏中的天然氣。煤層由大量天然豎直和水平裂縫（稱為割理）切割成的基本單元構(gòu)成，即煤層是由煤的基本結(jié)構(gòu)單元與一套孔隙裂縫系統(tǒng)構(gòu)成。煤層所含80%~95%的甲烷吸附于煤致密的基質(zhì)單元內(nèi)微孔隙的表面，以吸附狀態(tài)存在；5%~20%的游離態(tài)甲烷主要分布在煤層的割理和基質(zhì)單元的微孔隙中，與吸附甲烷處于平衡狀態(tài)。
鄒才能認(rèn)為，煤巖氣是煤巖自身生成或其他氣源運(yùn)移而賦存于煤巖中的天然氣。鄂爾多斯盆地8號(hào)煤巖割理裂縫發(fā)育、游離氣差異富集明顯，具有“高壓力、高溫度、高含氣、高飽和、高游離”地質(zhì)特征，開采時(shí)無(wú)須排水降壓，由游離氣彈性驅(qū)動(dòng)產(chǎn)出，壓降后吸附氣解吸接替，游離氣與吸附氣連續(xù)接力實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期產(chǎn)氣。
郭旭升認(rèn)為，深層煤層氣埋深一般大于1500米，受溫壓耦合作用，呈“總含氣量高、游離氣占比高”特征，煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，通過(guò)儲(chǔ)層改造可快速產(chǎn)氣并獲得高產(chǎn)氣流。
中國(guó)石油大學(xué)（北京）教授高之業(yè)認(rèn)為，深部煤層氣通常指富集在埋深大于1500米煤層中的烴類氣藏，富游離氣，開發(fā)上呈現(xiàn)“投產(chǎn)即見氣、見氣即高產(chǎn)”的特點(diǎn)。深部煤層氣主要有六大特點(diǎn)：一是資源量大，幾乎不進(jìn)行煤炭開采，深部煤炭和煤層氣整體得以保存；二是游離氣含量較高，實(shí)測(cè)占比20%~50%；三是保存條件較好，頂?shù)装宸忾]好，煤層氣逸散減少，可形成地層超壓；四是含氣飽和度較高，實(shí)測(cè)60%~90%，且深部煤層基本無(wú)可動(dòng)水；五是成巖性較好，煤巖脆性變強(qiáng)，有利于水平井鉆完井和分段壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；六是壓裂測(cè)試產(chǎn)氣較快，由于深部煤巖具有高游離、高脆性、高壓力和低含水特征，壓裂測(cè)試不像中淺層煤層氣需要長(zhǎng)期“排水降壓解吸”才能產(chǎn)氣，而是與頁(yè)巖氣“排氣降壓解吸”相似，產(chǎn)氣較快、前期產(chǎn)量較高，收回成本快，經(jīng)濟(jì)效益好。
中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院首席技術(shù)專家孫粉錦認(rèn)為，從煤層氣到煤巖氣，不僅僅是術(shù)語(yǔ)上的變化，更是對(duì)煤系地層中天然氣資源認(rèn)知的一次重大變革，是一次科研范式轉(zhuǎn)換，標(biāo)志著我國(guó)在探索深層煤巖儲(chǔ)層過(guò)程中取得了新的理論和技術(shù)突破。
當(dāng)科學(xué)研究中出現(xiàn)了大量現(xiàn)有范式無(wú)法解釋的“反常”現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)引發(fā)范式轉(zhuǎn)換，帶來(lái)科學(xué)理論和研究方法的重大變革。在深層煤層氣勘探開發(fā)中，就出現(xiàn)了很多有別于淺層煤層氣的異常現(xiàn)象：異常高的含氣飽和度；異常高的地層水礦化度；見氣早、產(chǎn)量高、初產(chǎn)即高產(chǎn)；氣體組分與致密氣相似，部分有原油，如準(zhǔn)噶爾盆地東部彩61H井壓裂后日穩(wěn)產(chǎn)油8.5噸，這在淺層煤層氣中不可想象；煤儲(chǔ)層中整體貧水。
孫粉錦說(shuō)，研究認(rèn)為煤巖氣有兩種成藏模式：自生自儲(chǔ)成藏模式（中高煤階）和多源共儲(chǔ)煤巖氣成藏模式（低煤階）。由于大氣降水或地表水對(duì)煤巖氣具有水洗、水鎖、水弱、水敏等改造作用，因此可將煤巖氣進(jìn)一步劃分為原生型和改造型，熱成因的煤層氣（如大吉區(qū)塊淺層、沁水盆地）就是被改造或破壞了的煤巖氣，煤層氣僅僅是煤巖氣的一個(gè)特例。
煤炭地下氣化或催生中國(guó)煤巖油氣革命
煤層氣開發(fā)是物理方法采氣，而煤炭地下氣化是化學(xué)方法采氣。我國(guó)雖然起步晚，但近年來(lái)發(fā)展快，展現(xiàn)彎道超車的發(fā)展態(tài)勢(shì)。油氣公司掌握鉆井式UCG（煤炭地下氣化）的關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)將深度參與中深層UCG產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)與其他產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，爭(zhēng)取在2030年前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)中國(guó)煤巖油氣革命
當(dāng)前，各類煤層氣增產(chǎn)技術(shù)不斷突破。如加拿大工程院院士、河南理工大學(xué)特聘教授曹運(yùn)興提出，采用二氧化碳致裂技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的低傷害改造，其技術(shù)特點(diǎn)為無(wú)水致裂、脈動(dòng)造縫、卸壓增滲、解堵增產(chǎn)。在全國(guó)2.2萬(wàn)口煤層氣井中，低產(chǎn)井占比達(dá)57%，低產(chǎn)直井改造后可日增產(chǎn)1000立方米、低產(chǎn)水平井改造后可日增產(chǎn)3000立方米，前景廣闊。
對(duì)于深層煤層氣，想象空間更大。鄒才能提出，利用地面風(fēng)光新能源，推動(dòng)地下頁(yè)巖+煤巖原位油+氣轉(zhuǎn)化，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)油氣“兩個(gè)革命”，即中國(guó)陸相頁(yè)巖油革命和中國(guó)煤巖油氣革命，其中后者的技術(shù)內(nèi)涵是將地層中煤炭原位燃燒產(chǎn)生甲烷、氫氣等資源。
這種煤炭原位燃燒轉(zhuǎn)為氣體的方法，即煤炭地下氣化（簡(jiǎn)稱UCG）。金正能源咨詢事業(yè)部總經(jīng)理張俊武說(shuō)，煤層氣開發(fā)是物理方法采氣，而UCG是化學(xué)方法采氣，適用于常規(guī)方法不可采或開采不經(jīng)濟(jì)的煤層，以及煤礦的二次或多次復(fù)采。
該技術(shù)國(guó)外發(fā)展早，但近年來(lái)美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞基本暫停相關(guān)試驗(yàn)。我國(guó)雖然起步晚，但近年來(lái)發(fā)展快，試驗(yàn)項(xiàng)目及成果眾多，展現(xiàn)彎道超車的發(fā)展態(tài)勢(shì)。為什么全球不發(fā)展UCG，而我國(guó)重視UCG產(chǎn)業(yè)，并將其列入國(guó)家科技計(jì)劃和戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)目錄？因?yàn)閺娜蚩矗Y源與市場(chǎng)不匹配，技術(shù)不成熟，標(biāo)準(zhǔn)、工藝技術(shù)不完善，最重要的是投資成本高、經(jīng)濟(jì)性差。而我國(guó)有豐富的煤炭資源、有現(xiàn)實(shí)的天然氣保供需求，石油工業(yè)技術(shù)進(jìn)步迅速，國(guó)家、煤炭大省、企業(yè)都陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)支持政策。
UCG技術(shù)難度較大。近年來(lái)，我國(guó)在新疆、內(nèi)蒙古、貴州等地開展多個(gè)試驗(yàn)，取得了技術(shù)進(jìn)展，深度突破1000米。先進(jìn)鉆井技術(shù)驅(qū)動(dòng)UCG從礦井式向鉆井式發(fā)展，UCG歷經(jīng)“礦井式氣化-直井/定向井氣化-水平井氣化”三代技術(shù)革新，“水平井＋CRIP（控制注氣點(diǎn)后退式）”氣化技術(shù)成為目前的主流技術(shù)路線。
深部煤層點(diǎn)火方式包括化學(xué)點(diǎn)火與強(qiáng)制氧化點(diǎn)火：化學(xué)點(diǎn)火需精確調(diào)控反應(yīng)物的配比與燃燒條件，以實(shí)現(xiàn)煤層的有效預(yù)熱；強(qiáng)制氧化點(diǎn)火則是通過(guò)將熱氧氣注入煤層，利用煤層與高溫氧氣的接觸來(lái)促進(jìn)煤的氧化放熱反應(yīng)，進(jìn)而點(diǎn)燃煤層，不依賴外部點(diǎn)火劑。
UCG的產(chǎn)物包括甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氫氣等。其中，二氧化碳可用于提高油氣采收率，一氧化碳和氫氣可用作化工原料。
多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展是提升UCG產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。UCG與天然氣制油技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出的合成油品質(zhì)非常高。UCG與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)結(jié)合，可以將滯留煤、殘留煤轉(zhuǎn)化為電力，相比傳統(tǒng)的煤粉鍋爐發(fā)電，成本和碳排放量均降低。
我國(guó)UCG產(chǎn)業(yè)早期探索以煤炭企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)為主，基本是礦井式試驗(yàn)，鉆井式試驗(yàn)極少。而油氣公司掌握鉆井式UCG的關(guān)鍵技術(shù)，但因礦權(quán)、體制機(jī)制、歸口管理單位不明確等問(wèn)題參與較少。當(dāng)前，我國(guó)UCG并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)等諸多挑戰(zhàn)，未來(lái)還需要國(guó)家政策大力支持，特別需要油氣企業(yè)深度參與，加強(qiáng)UCG產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，爭(zhēng)取在2030年前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
