碳中和愿景下中国煤层气开发现状与展望
王圣程，苏善杰，黄兰英，宋雪娟
(徐州工程学院 土木工程学院,江苏 徐州 221018)
在力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和[1]的愿景下，以煤为主导的能源体系将逐步发生改变.现有研究表明，天然气的碳排放量远低于煤炭等高碳化石能源，大力发展天然气产业有助于促进碳达峰、碳中和目标的实现[2]，因而以天然气为代表的低碳能源将实现快速发展.煤层气，是一种非常规天然气，在我国埋深2 km以浅的煤层气资源总量约为36.81×1012m3，可采煤层气资源量为11.2×1012m3，占世界煤层气资源总量的13.7%，其资源储量位居世界第三，与陆上常规天然气储量基本相当[3-4].需要注意的是，煤层气作为煤体的伴生气体资源，也是煤矿安全生产的“第一杀手”和主要的温室气体之一[5-6]，故而加强煤层气的抽采与利用是保证高瓦斯煤矿安全生产、减少温室气体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举措.
1.1 煤层气资源特征
煤体渗透率是煤层气高效开发难易程度的关键因素之一，对于煤层渗透性较大的矿区，一般具有较好的煤层气开发前景.研究表明，中国煤层渗透率较低，渗透率小于0.1×10-3μm2的煤层占35%，渗透率为(0.1～1.0)×10-3μm2的煤层占37%，渗透率大于1.0×10-3μm2的煤层占28%，大于10×10-3μm2的煤层较少[7].由于中国超过70%的煤层不适合地面煤层气开发[8]，因此对煤层气的开发应采用井下抽采与地面煤层气抽采相结合的方式，以保证煤层气的开发与煤矿安全生产的紧密结合与相互促进.
1.2 煤层气产业现状
图1为2006—2018年中国煤层气抽采量，在此期间中国煤层气产业发展主要受国内外经济、开发技术等方面的影响.
图1 2006—2018年中国煤层气抽采量
1)政策的制约.目前，扶持煤层气开采的财政补贴、税收优惠政策几乎还是按2006年左右的物价水平进行测算的，近些年并未根据经济的增长、物价攀升等成本提高而提高[9-10]，导致相关政策的激励效果与日俱降.此外，矿权、资质和投资回收期等原因制约了煤层气资源开发领域的资本进入.
2)全球经济发展的影响.在2008年，经济危机冲击下的煤矿行业受到严重影响，低效煤矿逐渐被淘汰而关闭.目前，在复杂的全球经济状况下，煤层气开发投资锐减，也导致煤层气产业缓慢发展.
3)开发效益欠佳.经济效益是推动煤层气产业发展的原动力，造成目前煤层气开发经济效益欠佳的原因有：属于边际资源属性的煤层气，本身就具有低经济效益的本质；
我国最早实现煤层气地面开发产业化的典型区域为沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东部，然而中国大多数高瓦斯含量煤层呈低渗透率、低饱和度等特征，特别是构造煤发育区，开发难度大，很难将煤层气高产地区的开发技术直接应用到其他区域，造成了煤层气高效开发的瓶颈.
2.1 煤矿井下煤层气开发技术现状
煤矿井下煤层气抽采的主要目的是减少煤矿瓦斯事故的发生，确保煤矿开采过程的安全.以煤层开采时间为依据，煤层气开发主要分为预抽、边采边抽和和采后抽采.
1)形成了以钻孔为核心的抽采方法.根据钻孔的布置形式，分为顺层钻孔抽采、穿层钻孔抽采、交叉钻孔抽采、密集钻孔抽采等.受煤层渗透率低的影响，这些方法存在抽采时间长、浓度衰减快、钻孔流量小等问题，不能满足煤层回采的安全与时间要求.
2)形成了以提高煤体渗透率为核心的强化煤层气抽采的方法.根据增透的位置，将强化煤层气抽采技术分为两大类，一是煤层外部增透技术，二是煤层内部增透技术.
其中煤层外部增透技术主要用于开采保护层，煤层的采动引起周围岩层地应力封闭的破坏、层间岩层封闭的破坏以及地质构造封闭的破坏，三者综合作用导致围岩及其煤层的透气性系数大幅度增加[11].该技术的应用需要满足煤层群赋存并符合煤层间距适中等开采条件.
据不完全统计，我国单一煤层产量约占中国煤炭产量的15%，煤层内部增透成为了必然选择[12].根据增透介质的不同大体分为了水力化增透措施和无水增透措施.水力化增透措施包括水力压裂、水力割缝、水力冲孔等.2014年，中国矿业大学举办的全国深部煤层水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会上提出水力化技术是未来煤层瓦斯治理特别是深部煤层瓦斯治理的发展方向.但不同的煤层增透方法适应性不同，且我国煤储层特性存在差异，致使煤层水力化增透方法在以下几个方面仍存在不足：对于松软煤层，煤层中的黏土矿物和有机质极易遇水膨胀[13]，增透形成的“体积改造”效果差，水力化措施常导致水进入煤体后不易排出，产生“水锁”效应，使煤层渗透率明显降低[14]，因而如何解决“水锁”效应成为了目前研究的关键点；
水力化增透措施需要消耗大量水资源，且20%～85%滞留于井下，我国大型煤炭基地主要分布在干旱半干旱地区，水力资源有限[15]，严重制约煤层气的大规模工业开发；
水力化措施使用的化学添加剂会对地下水造成一定的污染和生态破坏[16]，给当地人民的生产生活带来负面影响.
对此，专家学者转而采用不同相态的二氧化碳、液氮、氮气等代替水作为增透介质来规避或解决这些问题，无水致裂技术进而得到迅速发展及广泛应用.目前研究较多的无水致裂措施包括超临界二氧化碳致裂技术、超低温液氮冻融循环致裂技术、注氮气致裂并驱替煤层气技术、注二氧化碳置换煤层气技术、高温氮气致裂煤体技术、连续与间歇注空气致裂煤体并驱替煤层气技术、深孔爆破致裂技术、高压空气爆破致裂增透技术等.现有研究表明：不同无水增透技术对煤体的增透效果不同；
无水增透技术所产生的裂隙网络密集而复杂，压裂范围大，破裂压力小.
2.2 地面煤层气开发技术现状
为实现地面煤层气高效开发，应尽可能地提高煤体的渗透率.现有的提高地面煤层气开发效率的方法分为两大类：一是结合煤矿井下煤体采动强化煤层气抽采，二是通过地面钻井进行压裂强化煤层气抽采.
煤矿井下煤体采动后，应力释放，煤储层渗透率急剧增大，产生大量的煤变形颗粒间的连通孔隙和裂隙，形成煤层气在煤体中渗流通道.例如，宁夏乌兰矿采用保护层开采与地面钻井相结合的煤层气增产方式，如图2所示.保护层开采后，3#煤层和2#煤层卸压区域的渗透率均增加了约2 000倍，煤层的煤层气抽采率达到了65%以上[17].
图2 保护层开采与地面钻井结合进行煤层气抽采
压裂提高地面钻井煤层气产能技术涉及压裂增产改造技术、水平井钻井完井技术、径向水力喷射钻井技术和洞穴井技术等.压裂增产改造技术已形成了活性水压裂技术、间接压裂技术、水平井分段压裂技术、顶板压裂技术和造穴复合压裂技术、等离子脉冲压裂技术和新型氮气泡沫压裂技术，但这些技术存在煤层压敏效应强、煤层软造缝短、压裂液与煤粉对煤储层有伤害等问题[18].水平井压裂技术的核心包括地质与钻完井工程设计技术、钻完井工程技术、配套工具与仪器研发技术、氮气泡沫解堵技术和水平井重入技术.径向水力喷射钻井技术和洞穴井技术目前正在测试与试验中.
3.1 煤层气产业发展政策展望
考虑煤层气的销售价格与开发成本等因素，建议提高煤层气开发利用的中央财政补贴标准，制定煤层气企业的增值税“即征即返”办法，扩大煤层气开发企业增值税的进项税抵扣范围，以提升煤层气抽采利用的市场竞争力和可持续发展能力，充分调动企业进行煤层气开发利用的积极性.为解决企业煤层气开发存在的矿权等问题，根据《矿产资源法》及其配套法规中关于矿业权的排他性的规定，支持煤炭采矿矿权人实施煤层气抽采全覆盖，此类地面抽采不再办理煤层气探矿权和采矿权，支持煤层气矿权人全面实施“探采一体化”.此外，可以借鉴国外煤层气开发成功经验，建立煤层气开发投融资机制，解决煤层气开发的投资问题.
3.2 煤层气高质量开发技术展望
在碳中和愿景下，未来煤层气高质量开发技术应立足于煤与煤层气的协调开发.目前，中国80%以上的煤炭产能集中在了“晋陕蒙新”的大型矿井，这对煤层气井上与井下开发的高效化、模块化提出了更高的要求.以淮南、淮北矿业为代表的东部地区，煤炭开采深度不断提高，深部开采中面临高煤层气压力、高地温、高地应力等现象，井下煤层气开发的难度与风险与日俱增.小煤矿的关停导致废弃矿井数量急剧增加，然而废弃矿井赋存的煤层气资源丰富，其高质量开发利用已经成为煤矿区煤层气开发利用的重要一环.
未来煤层气高质量开发技术主要从以下几个方面进行突破：1)突出新建矿井碎软煤层煤层气地面模块化高质量高效开发；
2)煤矿采动区煤层气分区联动煤层气井的连续抽采及多次增产技术；
3)废弃矿井煤层气富集区探测、煤层气井设置及高效抽采；
4)井下与井上定向钻孔分段高效压裂及无水增透，合适条件下与CO2封存同时进行；
5)井下智能化设备的开发，助力钻井灾害防控与煤层气高效抽采；
6)低浓度煤层气资源化高效利用，开发经济适用的煤矿区煤层气梯级利用新技术，包括煤层气含氧深冷液化技术、低浓度煤层气变压浓缩吸附技术与极低浓度煤层气蓄热氧化技术[19].
碳达峰、碳中和的目标将引发能源领域新的发展，煤层气作为一种非常规天然气，其高质量的开发既能助力“双碳”目标，又能减少温室气体的排放及保证煤矿的安全开采.我国煤体渗透率整体偏低，通过分析发现中国煤层气发展受到政策制约、全球经济发展、开发效益欠佳等因素的影响.对煤矿井下和地面开发煤层气的技术现状总结与对煤层气高质量开发的展望可为碳中和技术的研究提供借鉴.
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