作為煤炭資源大國，我國煤層氣資源豐富，據自然資源部2022年最新統計數據，埋深2000米以淺的地質(zhì)資源量約為30.05萬(wàn)億立方米，可采資源量約為12.5萬(wàn)億立方米，其中，高煤階、中煤階、低煤階煤層氣資源結構完整，地質(zhì)資源量各約占1/3。2000米以深的地質(zhì)資源量為40.71萬(wàn)億立方米，可采資源量為10.01萬(wàn)億立方米。

我國煤層氣資源在鄂爾多斯、沁水、吐哈、準噶爾、松遼、塔里木、四川等盆地均有分布，地質(zhì)資源總量接近26萬(wàn)億立方米。其中，中國石化探區內煤層氣地質(zhì)資源量約為10萬(wàn)億立方米，占全國煤層氣地質(zhì)資源總量的1/7，主要分布在鄂爾多斯、四川、準噶爾盆地。

煤層氣：一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源

煤層氣又稱(chēng)煤礦瓦斯，是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類(lèi)氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規天然氣。

煤層氣在煤礦開(kāi)采行業(yè)中以“奪命瓦斯”為人熟知，當煤層氣在空氣中的濃度為5%~16%時(shí)，遇明火就會(huì )爆炸，這是造成煤礦瓦斯爆炸事故的根源。此外，若煤層氣直接排放到大氣中，其產(chǎn)生的溫室效應約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。

然而，煤層氣本質(zhì)上是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，1立方米煤層氣的熱值約40兆焦耳，與常規天然氣接近，相當于1.13千克汽油、1.21千克標準煤的熱值。煤層氣燃燒的產(chǎn)物為水和二氧化碳，幾乎不產(chǎn)生其他廢氣，是較為優(yōu)質(zhì)的工業(yè)和民用燃料。因此，開(kāi)發(fā)利用煤層氣一舉多得：有利于煤礦安全生產(chǎn)，降低瓦斯爆炸風(fēng)險；有利于優(yōu)化能源結構，支撐能源接替；有利于實(shí)現“雙碳”目標，助力節能降碳。

01煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展

?國外煤層氣勘探開(kāi)發(fā)主要集中在美國、加拿大與澳大利亞等國家。

美國是煤層氣產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)源地，自20世紀80年代開(kāi)始，先后在圣胡安、黑勇士、粉河等盆地實(shí)現煤層氣規模商業(yè)開(kāi)發(fā)，2008年產(chǎn)量達556.71億立方米，之后由于頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的興起，煤層氣投資和勘探開(kāi)發(fā)工作量銳減，產(chǎn)量逐年下滑，目前年產(chǎn)量規模在200億立方米左右。

2000年，加拿大改進(jìn)美國的理論技術(shù)體系，實(shí)現了煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)，2009年產(chǎn)量達95億立方米，后因多方面原因，產(chǎn)量持續下降，2018年降為51億立方米左右。

?澳大利亞自2014年以來(lái)重點(diǎn)關(guān)注煤層氣與致密砂巖氣多氣共采，大幅度降低了勘探開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現單井產(chǎn)量大幅提升，2018年產(chǎn)量約393億立方米，取代美國成為全球煤層氣最大生產(chǎn)國。目前，煤層氣年產(chǎn)量超過(guò)400億立方米，居全球首位。

我國煤層氣的探索始于20世紀80年代，前期主要針對1500米以淺的煤層氣資源開(kāi)展評價(jià)和勘探?！傲濉逼陂g，我國首次組織開(kāi)展全國瓦斯資源大調查。之后，中聯(lián)煤層氣公司、藍焰煤層氣公司、煤層氣開(kāi)發(fā)利用國家工程研究中心、煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、中國石油煤層氣公司等相繼成立，煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展得到極大推動(dòng)。

然而，受資源稟賦、開(kāi)發(fā)理論技術(shù)等因素影響，“十一五”到“十三五”期間，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢?！笆晃濉睘橐幠Ｆ鸩狡?，產(chǎn)量年平均增速達140%，“十二五”進(jìn)入調整期，產(chǎn)量年平均增速為23.8%，“十三五”產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，產(chǎn)量年平均增速僅為7.5%，2020年產(chǎn)量為67億立方米。

“十四五”以來(lái)，我國深層煤層氣勘探開(kāi)發(fā)取得突破性進(jìn)展，煤層氣年產(chǎn)量再次提速，2021年產(chǎn)量77億立方米，增速14.9%；2022年產(chǎn)量98億立方米，增速27.3%；2023年產(chǎn)量117億立方米，增速20.5%。煤層氣開(kāi)發(fā)利用規?？焖僭鲩L(cháng)，已經(jīng)成為補充天然氣供應的區域性氣源。

我國煤層氣資源賦存條件復雜，煤儲集層品質(zhì)差、非均質(zhì)性強，開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大。經(jīng)過(guò)40余年的探索與實(shí)踐，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)取得顯著(zhù)進(jìn)展，在“十二五”和“十三五”國家科技重大專(zhuān)項和中國石油、中國石化、中國海油、新華燃氣等企業(yè)重點(diǎn)項目支撐下，地質(zhì)、鉆井、壓裂、排采四大關(guān)鍵核心技術(shù)體系不斷突破，針對沁水淺層高階煤層氣、鄂爾多斯深層中高階煤層氣、準噶爾深層中低階煤層氣、四川深薄層煤層氣提出了多套煤層氣富集模式與選區方案，形成了煤層氣儲層測試-測井-地震精細描述技術(shù)體系、直井-定向井-多分支井水平井鉆完井技術(shù)體系、理論計算物理模擬-施工工藝-裂縫監測儲層改造技術(shù)體系、精細排采控制技術(shù)體系。目前，我國已建成沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)基地，已發(fā)現潘莊、樊莊、韓城、柳林、延川南、大吉、神府等多個(gè)煤層氣田。

02深層煤層氣勘探取得戰略性突破

深層煤層氣通常指埋藏深度超過(guò)1500米的煤層氣資源。深層煤層氣資源豐富，勘探領(lǐng)域廣闊，我國埋深大于1500米的深層煤層氣資源量可達50萬(wàn)億立方米，占全國煤層氣資源量的70%，中國石化油氣礦權內深層煤層氣資源量超7萬(wàn)億立方米。

與淺層煤層氣不同，深層煤層氣具有儲層壓力大、含氣量高、游離氣豐富等特點(diǎn)。研究表明，80%以上淺層煤層氣為吸附氣，含氣量一般為10~20立方米/噸，深層煤層氣含氣量高達40立方米/噸，是淺層煤層氣含氣量的2~3倍，吸附氣占比較低，游離氣占比最高可達50%，具備高產(chǎn)穩產(chǎn)的基礎。但深層煤儲層地應力高、有效應力大、滲透率差，需要通過(guò)水平井分段壓裂技術(shù)才能有效動(dòng)用，開(kāi)發(fā)成本高、技術(shù)難度大。

目前，深層煤層氣勘探已在多個(gè)盆地取得戰略性突破，形成了增儲建產(chǎn)的新陣地?！笆奈濉币詠?lái)，中國石化在延川南區塊年產(chǎn)煤層氣4億立方米，累計產(chǎn)氣28.8億立方米，實(shí)現了中-深層煤層氣商業(yè)規模開(kāi)發(fā)；2023年，在大牛地氣田陽(yáng)煤1HF井與南川區塊陽(yáng)2井取得了深層煤層氣勘探重大突破，水平井陽(yáng)煤1HF井峰值日產(chǎn)達10.4萬(wàn)立方米，6個(gè)月累計產(chǎn)氣1373萬(wàn)立方米，直井陽(yáng)2井峰值日產(chǎn)1.8萬(wàn)立方米，7個(gè)月累計產(chǎn)氣253萬(wàn)立方米，展示了深層煤層氣良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。中國石油在鄂東大寧吉縣提交探明儲量1122億立方米，2023年產(chǎn)量超10億立方米，2025年產(chǎn)量將達50億立方米。中國海油在鄂東北神府區塊提交探明儲量超1100億立方米，2023年產(chǎn)量超1億立方米。

通過(guò)系統總結深層煤層氣典型井區的成藏特征與改造效果，初步形成了一定的理論認識和技術(shù)成果。

第一，初步落實(shí)了不同盆地主力煤層展布與煤質(zhì)特征。我國主要發(fā)育石炭-二疊系海陸過(guò)渡相和侏羅-白堊系河流-湖泊相煤層，其中，石炭-二疊系海陸過(guò)渡相煤層以鄂爾多斯、四川、渤海灣等盆地為代表，為海相、海陸過(guò)渡相沉積環(huán)境，分布面積廣；侏羅-白堊系煤層以準噶爾、吐哈、塔里木盆地為代表，屬河-湖相沉積環(huán)境，局部富集。此外，明確了緩慢穩定海侵背景下形成的煤層單層厚度大、煤質(zhì)較好；持續快速海侵背景下形成的煤層單層厚度小、層數多、煤質(zhì)好；濱湖沉積背景下形成的煤層單層厚度大、煤質(zhì)一般。

第二，建立了巖芯觀(guān)測-CT掃描-測井響應煤巖類(lèi)型綜合評價(jià)技術(shù)、深層煤儲層關(guān)鍵參數精細描述技術(shù)體系、煤儲層吸附-游離氣預測方法，明確了深層中高階光亮-半亮煤生氣量大、裂隙發(fā)育、吸附性好、含氣量與游離氣占比高，是優(yōu)先突破方向。數據顯示，鄂爾多斯盆地與四川盆地中高階煤層蘭格繆爾體積為7.8~21.7立方米/噸，含氣量為11.2~46.7立方米/噸，準噶爾盆地低階煤層蘭格繆爾體積為4.59~9.4立方米/噸，含氣量為5.9~17立方米/噸，顯著(zhù)低于中高階煤層含氣量，利用水平井與大排量體積壓裂改造后，單井可試獲超10萬(wàn)立方米的峰值日產(chǎn)，遠超淺層煤層氣產(chǎn)量。

第三，針對深層煤層氣富含游離氣的特點(diǎn)，提出了深層煤層氣“煤巖煤質(zhì)、保存條件、埋藏深度”控氣機理，揭示了有利煤巖煤質(zhì)（較高演化程度的低灰半亮-光亮煤）是基礎，控制煤的生烴能力與儲集性能；良好保存條件（構造穩定區、灰巖與泥巖頂板）是關(guān)鍵，有利于煤層氣聚集成藏；適宜埋藏深度（臨界深度以下，游離氣占比增加）是保障，影響煤層氣賦存狀態(tài)。在此基礎上形成了深層煤層氣“生烴性、儲集性、保存性、含氣性、可壓性”一體化選區-目標-甜點(diǎn)評價(jià)技術(shù)，應用該技術(shù)優(yōu)選了中國石化探區內深層煤層氣有利區資源量超3萬(wàn)億立方米。

第四，針對煤層“高泊松比、低彈性模量”難改造、有效支撐縫延伸較短的問(wèn)題，形成了以“遠支撐”為核心理念、“大排量、大液量、大砂量”有效支撐的壓裂技術(shù)，逐步探索排量由12立方米/分提高到18立方米/分，提高縫內凈壓力，增大改造面積，提高遠端鋪砂濃度，單井液量由2000立方米逐步提高到10000立方米，充分延伸裂縫，同時(shí)，單井砂量由150立方米提高到1000立方米，實(shí)現遠距離支撐，延川南、大牛地與南川等區塊應用效果顯著(zhù)。

03深層煤層氣增儲上產(chǎn)仍需進(jìn)一步攻關(guān)

深層煤層氣已實(shí)現單井戰略突破，但是總體尚處于探索階段。我國深層煤層氣類(lèi)型多樣，地質(zhì)條件復雜，資源稟賦差異大，富集高產(chǎn)機理尚不明確；勘探開(kāi)發(fā)工程關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，投資回報率低，效益開(kāi)發(fā)難度大；深層煤層氣勘探程度低，礦權少，增擴礦權面臨挑戰。為推進(jìn)深層煤層氣的增儲上產(chǎn)，需進(jìn)一步加強以下幾方面的持續攻關(guān)：

一是加大新區新層系新領(lǐng)域勘探開(kāi)發(fā)力度。目前，中-高階深層煤層氣已在鄂爾多斯盆地東緣實(shí)現了規模有效開(kāi)發(fā)，勘探層位為太原組8號煤。山西組5號煤儲層條件與8號煤相當，中-高階深層5號煤的勘探突破對于深層煤層氣立體開(kāi)發(fā)與效益增儲具有重大意義，是當前的戰略突破方向。鄂爾多斯盆地南緣、四川盆地及沁水盆地等地區的中-高階深層煤層氣地質(zhì)資源量豐富，具有實(shí)現規模有效開(kāi)發(fā)的資源基礎，發(fā)展前景廣闊。此外，我國深層低、中、高階煤層氣資源量相當，但以準噶爾、吐哈、海拉爾等盆地為代表的低階深層煤層氣尚未實(shí)現規模開(kāi)發(fā)，是中國煤層氣未來(lái)發(fā)展的重要方向。

二是加強深層煤層氣富集理論與“雙甜點(diǎn)”區優(yōu)選研究，加強水平井優(yōu)快鉆完井技術(shù)與壓裂改造降本增效技術(shù)攻關(guān)，強化排采規律研究，促進(jìn)深層煤層氣高效開(kāi)發(fā)。

三是聚焦深層煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中關(guān)鍵問(wèn)題和卡脖子技術(shù)，推進(jìn)“中-中”深層煤層氣合作，加強深層煤層氣研討交流，聯(lián)合攻關(guān)不同地區不同煤階富集高產(chǎn)機理研究和鉆完井、壓裂等關(guān)鍵技術(shù)。

專(zhuān)家視點(diǎn)?深層煤層氣工程技術(shù)現

2018年以來(lái)，我國逐步開(kāi)展1500米以深煤層氣勘探評價(jià)試驗，各區域結合深層煤層氣工程地質(zhì)特征開(kāi)展了系列工程工藝試驗，取得了較大進(jìn)展：佳南1H井埋深2550米，水平段2211米，產(chǎn)量5.4萬(wàn)立方米/日；大牛地氣田陽(yáng)煤1HF井埋深2875米，水平段1030米，產(chǎn)量超10萬(wàn)立方米/日；大寧-吉縣部署10座井場(chǎng)35口井，建設產(chǎn)能3.8億立方米/年。

深層煤層以原生結構為主，相比較非常規頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)，煤層井壁穩定難度大、儲層改造要求高。

在井身結構優(yōu)化設計方面，實(shí)現了由直井向水平井、水平井叢式井組轉變，一個(gè)井臺部署2～8口水平井，同時(shí)由三級井身結構優(yōu)化為二級井身結構，一開(kāi)套管下深增加，封隔易漏失層位，鉆井周期縮短39%。

在提速技術(shù)方面，實(shí)現造斜段、穩斜段一趟鉆，著(zhù)陸段+水平段一趟鉆。

在提高薄煤層鉆遇率方面，要求嚴格水平段軌跡控制，通過(guò)建立地質(zhì)模型，采用近鉆頭測量工具，軌跡實(shí)時(shí)優(yōu)化及隨鉆實(shí)時(shí)決策，形成了精細化軌跡控制技術(shù)，目前平均鉆遇率達97%。

在提高井壁穩定性技術(shù)方面，采用“強封堵、合理抑制、適宜流變、低濾失”防塌鉆井液措施，從“封堵防塌、井眼清潔、潤滑防卡”三個(gè)方面研發(fā)復合鹽水聚合物鉆井液，引入固壁劑、納米封堵劑及乳化瀝青等材料，強化對煤層的吸附能力和對微孔縫的廣譜封堵能力。

在提高深層煤層氣水平井固井質(zhì)量技術(shù)方面，采用一次注雙密度雙凝水泥漿措施，尾漿采用高強韌性防竄水泥漿體系，前置液采用高效沖洗型，并配套新型旋轉浮鞋、低摩阻剛性滾珠和剛性螺旋扶正器等井下附件工具和固井施工遠程監控與專(zhuān)家支持系統。

煤層氣經(jīng)濟勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在儲層改造，近年來(lái)，煤層氣儲層改造技術(shù)逐步進(jìn)步。理念上，借鑒頁(yè)巖氣大規模壓裂改造技術(shù)，由基質(zhì)酸壓向體積壓裂轉變；技術(shù)上，由“壓得開(kāi)”向充分利用割理特征實(shí)現深煤層“壓得碎”轉變；效果上，由“多造縫”向充分支撐的“多造有效縫”轉變。前期針對深部煤層煤體結構好、割理裂隙發(fā)育且多方解石填充特點(diǎn)，采用“剪切+溶蝕+支撐”組合縫網(wǎng)體積酸壓技術(shù)，擴大深部煤層氣有效泄流范圍。借鑒頁(yè)巖氣體積壓裂思路，采用極限體積壓裂，增大用液量和加砂強度，形成“超大、超密、充分支撐體積縫網(wǎng)”。

目前，深層煤層氣勘探取得一定突破，但要實(shí)現規模效益建產(chǎn)還面臨諸多挑戰，在基礎研究、適配性工程工藝技術(shù)及降本增效等方面需進(jìn)一步攻關(guān)。

一是強化深層煤層氣基礎理論研究及設計。需要從物理、化學(xué)、力學(xué)、機械及耦合因素創(chuàng )新開(kāi)展深層煤層氣井壁失穩機理研究；開(kāi)展深部煤層、巖石力學(xué)參數室內試驗，獲取關(guān)鍵地質(zhì)參數；通過(guò)煤巖壓裂物理模擬試驗，采用離散元方法模擬考慮隔離面的縫網(wǎng)起裂與擴展，刻畫(huà)縫網(wǎng)形態(tài)、幾何尺寸及方位，明確縫網(wǎng)形成主控因素，揭示縫網(wǎng)形成與擴展機理；綜合考慮地質(zhì)復雜、管柱強度、摩阻、水力清潔等開(kāi)展設計，提升工程設計系統化理念；開(kāi)展大數據、人工智能技術(shù)在煤層風(fēng)險防控、提速提效、方案優(yōu)化等方面的應用研究，提升實(shí)時(shí)預警、隨鉆分析及區域多井分析能力，為快速決策提供依據，提升鉆完井科學(xué)化水平。

二是攻關(guān)煤層長(cháng)裸眼水平井鉆井技術(shù)。采用二級井身結構水平井開(kāi)發(fā)是大幅降本的有效途徑，針對長(cháng)裸眼段泥巖煤層開(kāi)展井壁穩定、薄弱地層防漏、水平段有效延伸、井眼清潔、套管安全下入、長(cháng)水平段固井等開(kāi)展攻關(guān)，有效保障安全快速鉆進(jìn)，實(shí)現優(yōu)快鉆井。

三是開(kāi)展煤巖縫網(wǎng)壓裂工藝技術(shù)研究。在易加砂、主縫高導流、次縫能導流的支撐劑粒徑組合方面，不同條件的段簇優(yōu)化方面，低傷害、低成本的一體化壓裂液體系研發(fā)方面，加強研究，結合煤層特征、水平段長(cháng)、井距、累產(chǎn)、綜合成本等，建立經(jīng)濟壓裂評價(jià)方法，明確壓裂規模，實(shí)現高效壓裂。

四是探索集約式大井臺鉆完井模式。進(jìn)行叢式井組評價(jià)分析，綜合煤層發(fā)育、鉆機擺放、壓裂作業(yè)模式等因素明確最佳井組部署方式，針對大井組大偏移距三維水平井建立綜合延伸極限預測模型，攻關(guān)大偏移距長(cháng)水平段三維水平井鉆井有效延伸技術(shù)；以安全施工為前提，強化入井液處理技術(shù)研究應用，提升鉆井液、壓裂液重復利用率，實(shí)現降本增效。