王圣程，蘇善杰，黃蘭英，宋雪娟

(徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)

在力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]的愿景下，以煤為主導(dǎo)的能源體系將逐步發(fā)生改變.現(xiàn)有研究表明，天然氣的碳排放量遠(yuǎn)低于煤炭等高碳化石能源，大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)有助于促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]，因而以天然氣為代表的低碳能源將實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展.煤層氣，是一種非常規(guī)天然氣，在我國(guó)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(chǔ)量位居世界第三，與陸上常規(guī)天然氣儲(chǔ)量基本相當(dāng)[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(chǎn)的“第一殺手”和主要的溫室氣體之一[5-6]，故而加強(qiáng)煤層氣的抽采與利用是保證高瓦斯煤礦安全生產(chǎn)、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(chǎn)業(yè)現(xiàn)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(fā)難易程度的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于煤層滲透性較大的礦區(qū)，一般具有較好的煤層氣開發(fā)前景.研究表明，中國(guó)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(guó)超過70%的煤層不適合地面煤層氣開發(fā)[8]，因此對(duì)煤層氣的開發(fā)應(yīng)采用井下抽采與地面煤層氣抽采相結(jié)合的方式，以保證煤層氣的開發(fā)與煤礦安全生產(chǎn)的緊密結(jié)合與相互促進(jìn).

1.2 煤層氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

圖1為2006—2018年中國(guó)煤層氣抽采量，在此期間中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要受國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)、開發(fā)技術(shù)等方面的影響.

圖1 2006—2018年中國(guó)煤層氣抽采量

1)政策的制約.目前，扶持煤層氣開采的財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠政策幾乎還是按2006年左右的物價(jià)水平進(jìn)行測(cè)算的，近些年并未根據(jù)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、物價(jià)攀升等成本提高而提高[9-10]，導(dǎo)致相關(guān)政策的激勵(lì)效果與日俱降.此外，礦權(quán)、資質(zhì)和投資回收期等原因制約了煤層氣資源開發(fā)領(lǐng)域的資本進(jìn)入.

2)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響.在2008年，經(jīng)濟(jì)危機(jī)沖擊下的煤礦行業(yè)受到嚴(yán)重影響，低效煤礦逐漸被淘汰而關(guān)閉.目前，在復(fù)雜的全球經(jīng)濟(jì)狀況下，煤層氣開發(fā)投資銳減，也導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)業(yè)緩慢發(fā)展.

3)開發(fā)效益欠佳.經(jīng)濟(jì)效益是推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力，造成目前煤層氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益的本質(zhì)；我國(guó)最早實(shí)現(xiàn)煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)業(yè)化的典型區(qū)域?yàn)榍咚璧啬喜亢投鯛柖嗨古璧貣|部，然而中國(guó)大多數(shù)高瓦斯含量煤層呈低滲透率、低飽和度等特征，特別是構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，開發(fā)難度大，很難將煤層氣高產(chǎn)地區(qū)的開發(fā)技術(shù)直接應(yīng)用到其他區(qū)域，造成了煤層氣高效開發(fā)的瓶頸.

2 煤層氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 煤礦井下煤層氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)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(fā)生，確保煤礦開采過程的安全.以煤層開采時(shí)間為依據(jù)，煤層氣開發(fā)主要分為預(yù)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(jù)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(shí)間長(zhǎng)、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(shí)間要求.

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

其中煤層外部增透技術(shù)主要用于開采保護(hù)層，煤層的采動(dòng)引起周圍巖層地應(yīng)力封閉的破壞、層間巖層封閉的破壞以及地質(zhì)構(gòu)造封閉的破壞，三者綜合作用導(dǎo)致圍巖及其煤層的透氣性系數(shù)大幅度增加[11].該技術(shù)的應(yīng)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(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)單一煤層產(chǎn)量約占中國(guó)煤炭產(chǎn)量的15%，煤層內(nèi)部增透成為了必然選擇[12].根據(jù)增透介質(zhì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)舉辦的全國(guó)深部煤層水力化區(qū)域瓦斯治理關(guān)鍵技術(shù)研討會(huì)上提出水力化技術(shù)是未來煤層瓦斯治理特別是深部煤層瓦斯治理的發(fā)展方向.但不同的煤層增透方法適應(yīng)性不同，且我國(guó)煤儲(chǔ)層特性存在差異，致使煤層水力化增透方法在以下幾個(gè)方面仍存在不足：對(duì)于松軟煤層，煤層中的黏土礦物和有機(jī)質(zhì)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(dǎo)致水進(jìn)入煤體后不易排出，產(chǎn)生“水鎖”效應(yīng)，使煤層滲透率明顯降低[14]，因而如何解決“水鎖”效應(yīng)成為了目前研究的關(guān)鍵點(diǎn)；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(guó)大型煤炭基地主要分布在干旱半干旱地區(qū)，水力資源有限[15]，嚴(yán)重制約煤層氣的大規(guī)模工業(yè)開發(fā)；水力化措施使用的化學(xué)添加劑會(huì)對(duì)地下水造成一定的污染和生態(tài)破壞[16]，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活帶來負(fù)面影響.

對(duì)此，專家學(xué)者轉(zhuǎn)而采用不同相態(tài)的二氧化碳、液氮、氮?dú)獾却嫠鳛樵鐾附橘|(zhì)來規(guī)避或解決這些問題，無水致裂技術(shù)進(jìn)而得到迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)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(shù)、超低溫液氮凍融循環(huán)致裂技術(shù)、注氮?dú)庵铝巡Ⅱ?qū)替煤層氣技術(shù)、注二氧化碳置換煤層氣技術(shù)、高溫氮?dú)庵铝衙后w技術(shù)、連續(xù)與間歇注空氣致裂煤體并驅(qū)替煤層氣技術(shù)、深孔爆破致裂技術(shù)、高壓空氣爆破致裂增透技術(shù)等.現(xiàn)有研究表明：不同無水增透技術(shù)對(duì)煤體的增透效果不同；無水增透技術(shù)所產(chǎn)生的裂隙網(wǎng)絡(luò)密集而復(fù)雜，壓裂范圍大，破裂壓力小.

2.2 地面煤層氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

為實(shí)現(xiàn)地面煤層氣高效開發(fā)，應(yīng)盡可能地提高煤體的滲透率.現(xiàn)有的提高地面煤層氣開發(fā)效率的方法分為兩大類：一是結(jié)合煤礦井下煤體采動(dòng)強(qiáng)化煤層氣抽采，二是通過地面鉆井進(jìn)行壓裂強(qiáng)化煤層氣抽采.

煤礦井下煤體采動(dòng)后，應(yīng)力釋放，煤儲(chǔ)層滲透率急劇增大，產(chǎn)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(hù)層開采與地面鉆井相結(jié)合的煤層氣增產(chǎn)方式，如圖2所示.保護(hù)層開采后，3#煤層和2#煤層卸壓區(qū)域的滲透率均增加了約2 000倍，煤層的煤層氣抽采率達(dá)到了65%以上[17].

圖2 保護(hù)層開采與地面鉆井結(jié)合進(jìn)行煤層氣抽采

壓裂提高地面鉆井煤層氣產(chǎn)能技術(shù)涉及壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)、水平井鉆井完井技術(shù)、徑向水力噴射鉆井技術(shù)和洞穴井技術(shù)等.壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)已形成了活性水壓裂技術(shù)、間接壓裂技術(shù)、水平井分段壓裂技術(shù)、頂板壓裂技術(shù)和造穴復(fù)合壓裂技術(shù)、等離子脈沖壓裂技術(shù)和新型氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)，但這些技術(shù)存在煤層壓敏效應(yīng)強(qiáng)、煤層軟造縫短、壓裂液與煤粉對(duì)煤儲(chǔ)層有傷害等問題[18].水平井壓裂技術(shù)的核心包括地質(zhì)與鉆完井工程設(shè)計(jì)技術(shù)、鉆完井工程技術(shù)、配套工具與儀器研發(fā)技術(shù)、氮?dú)馀菽舛录夹g(shù)和水平井重入技術(shù).徑向水力噴射鉆井技術(shù)和洞穴井技術(shù)目前正在測(cè)試與試驗(yàn)中.

3 煤層氣高質(zhì)量開發(fā)展望

3.1 煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策展望

考慮煤層氣的銷售價(jià)格與開發(fā)成本等因素，建議提高煤層氣開發(fā)利用的中央財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，制定煤層氣企業(yè)的增值稅“即征即返”辦法，擴(kuò)大煤層氣開發(fā)企業(yè)增值稅的進(jìn)項(xiàng)稅抵扣范圍，以提升煤層氣抽采利用的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力，充分調(diào)動(dòng)企業(yè)進(jìn)行煤層氣開發(fā)利用的積極性.為解決企業(yè)煤層氣開發(fā)存在的礦權(quán)等問題，根據(jù)《礦產(chǎn)資源法》及其配套法規(guī)中關(guān)于礦業(yè)權(quán)的排他性的規(guī)定，支持煤炭采礦礦權(quán)人實(shí)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(quán)和采礦權(quán)，支持煤層氣礦權(quán)人全面實(shí)施“探采一體化”.此外，可以借鑒國(guó)外煤層氣開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，建立煤層氣開發(fā)投融資機(jī)制，解決煤層氣開發(fā)的投資問題.

3.2 煤層氣高質(zhì)量開發(fā)技術(shù)展望

在碳中和愿景下，未來煤層氣高質(zhì)量開發(fā)技術(shù)應(yīng)立足于煤與煤層氣的協(xié)調(diào)開發(fā).目前，中國(guó)80%以上的煤炭產(chǎn)能集中在了“晉陜蒙新”的大型礦井，這對(duì)煤層氣井上與井下開發(fā)的高效化、模塊化提出了更高的要求.以淮南、淮北礦業(yè)為代表的東部地區(qū)，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(yīng)力等現(xiàn)象，井下煤層氣開發(fā)的難度與風(fēng)險(xiǎn)與日俱增.小煤礦的關(guān)停導(dǎo)致廢棄礦井?dāng)?shù)量急劇增加，然而廢棄礦井賦存的煤層氣資源豐富，其高質(zhì)量開發(fā)利用已經(jīng)成為煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用的重要一環(huán).

未來煤層氣高質(zhì)量開發(fā)技術(shù)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破：1)突出新建礦井碎軟煤層煤層氣地面模塊化高質(zhì)量高效開發(fā)；2)煤礦采動(dòng)區(qū)煤層氣分區(qū)聯(lián)動(dòng)煤層氣井的連續(xù)抽采及多次增產(chǎn)技術(shù)；3)廢棄礦井煤層氣富集區(qū)探測(cè)、煤層氣井設(shè)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(shí)進(jìn)行；5)井下智能化設(shè)備的開發(fā)，助力鉆井災(zāi)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(fā)經(jīng)濟(jì)適用的煤礦區(qū)煤層氣梯級(jí)利用新技術(shù)，包括煤層氣含氧深冷液化技術(shù)、低濃度煤層氣變壓濃縮吸附技術(shù)與極低濃度煤層氣蓄熱氧化技術(shù)[19].

4 結(jié)語

碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)將引發(fā)能源領(lǐng)域新的發(fā)展，煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣，其高質(zhì)量的開發(fā)既能助力“雙碳”目標(biāo)，又能減少溫室氣體的排放及保證煤礦的安全開采.我國(guó)煤體滲透率整體偏低，通過分析發(fā)現(xiàn)中國(guó)煤層氣發(fā)展受到政策制約、全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、開發(fā)效益欠佳等因素的影響.對(duì)煤礦井下和地面開發(fā)煤層氣的技術(shù)現(xiàn)狀總結(jié)與對(duì)煤層氣高質(zhì)量開發(fā)的展望可為碳中和技術(shù)的研究提供借鑒.