探秘深层煤岩气
黑金资源的新篇章
近年来，随着能源需求的不断增加和技术的进步，深层煤岩气逐渐走入人们的视野，成为备受关注的新型能源。在煤矿开采行业中煤岩气以“夺命瓦斯”为人熟知，当煤岩气在空气中的浓度为5%~16%时，遇明火就会爆炸，这是造成煤矿瓦斯爆炸事故的根源。此外，若煤岩气直接排放到大气中，其产生的温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。然而，煤岩气本质上是一种优质的清洁能源，1立方米煤岩气的热值约40兆焦耳，与常规天然气接近，相当于1.13千克汽油、1.21千克标准煤的热值。煤岩气燃烧的产物为水和二氧化碳，几乎不产生其他废气，是较为优质的工业和民用燃料。我国作为煤炭大国，深层煤岩气资源丰富，分布广泛。据自然资源部2022年统计数据，2000米以深的煤炭地质资源量为40.71万亿立方米，可采资源量为10.01万亿立方米，在鄂尔多斯、沁水、吐哈、准噶尔、松辽、塔里木、四川等盆地均有分布，深层煤岩气的地质资源总量接近26万亿立方米，具有极大的开采潜力。
△大吉深层煤岩气田压裂现场图(来源于中国石油新闻中心)
深层煤岩气的形成机理
深层煤岩气的主要成分是甲烷，是以中高阶煤岩自身生成或从其他气源运移而赋存与煤岩储层中，通过储层改造可快速产气并能规模开采的烃类气体，具有常规储层和非常规储层共存、游离气和吸附气共生、自源气和它源气互补聚集并有序分布的特征。煤岩气的形成与煤炭的成煤过程密切相关。当植物残体在地质历史时期被埋藏，经历了微生物降解和热变作用后，逐渐转化为煤炭。在这一过程中，大量的有机物分解并生成气体，由于煤炭本身具有较强的吸附还原能力，一部分气体就会被吸附在煤层的孔隙和裂隙中，同时在漫长的地质历史进程中煤层也会捕捉吸附来自其他产气层中的气体，稳定后最终形成了煤岩气。深层煤岩气埋藏深一般大于2000m。埋藏深度的量变带来煤岩气藏特征的质变，在气源、储层、含气性、气体同位素等方面具有鲜明特征。
△鄂尔多斯盆地煤岩气富集类型与富集模式示意图(来源于石油勘探与开发-赵喆)
深层煤岩气的勘探开发进展深层
相比煤岩气，煤岩气容易分布在更深的地层中，通常深度超过1500米，2000m已深的深层煤岩气更加的富集但是勘探和开采难度和成本也随之加大。美国是煤岩气产业与技术的发源地，自20世纪80年代开始，先后在圣胡安、黑勇士、粉河等盆地实现煤岩气规模商业开发，2008年产量达556.71亿立方米，之后由于页岩气产业的兴起，煤岩气投资和勘探开发工作量锐减，产量逐年下滑，目前年产量规模在200亿立方米左右。
2000年，加拿大改进美国的理论技术体系，实现了煤岩气商业开发，2009年产量达95亿立方米，后因多方面原因，产量持续下降，2018年降为51亿立方米左右。
澳大利亚自2014年以来重点关注煤岩气与致密砂岩气多气共采，大幅度降低了勘探开发成本，实现单井产量大幅提升，2018年产量约393亿立方米，取代美国成为全球煤岩气最大生产国。目前，煤岩气年产量超过400亿立方米，居全球首位。
我国煤岩气的探索始于20世纪80年代，前期主要针对1500米以浅的煤岩气资源开展评价和勘探。“六五”期间，我国首次组织开展全国瓦斯资源大调查。之后，中联煤岩气公司、蓝焰煤岩气公司、煤岩气开发利用国家工程研究中心、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、中国石油煤岩气公司等相继成立，煤岩气产业发展得到极大推动。
然而，受资源禀赋、开发理论技术等因素影响，“十一五”到“十三五”期间，我国煤岩气产业发展缓慢。“十一五”为规模起步期，产量年平均增速达140%，“十二五”进入调整期，产量年平均增速为23.8%，“十三五”产业发展进入瓶颈期，产量年平均增速仅为7.5%，2020年产量为67亿立方米。
“十四五”以来，我国深层煤岩气勘探开发取得突破性进展，多个盆地取得战略性突破，形成了增储建产的新阵地。中国石化在延川南区块年产煤岩气4亿立方米，累计产气28.8亿立方米，实现了中-深层煤岩气商业规模开发;2023年，在大牛地气田阳煤1HF井与南川区块阳2井取得了深层煤岩气勘探重大突破，水平井阳煤1HF井峰值日产达10.4万立方米，6个月累计产气1373万立方米，直井阳2井峰值日产1.8万立方米，7个月累计产气253万立方米，展示了深层煤岩气良好的勘探开发前景。中国石油在鄂东大宁-吉县提交探明储量1122亿立方米，2023年产量超10亿立方米，2025年产量将达50亿立方米。中国海油在鄂东北神府区块提交探明储量超1100亿立方米，2023年产量超1亿立方米。总的煤岩气年产量再次提速，2021年产量77亿立方米，增速14.9%;2022年产量98亿立方米，增速27.3%;2023年产量117亿立方米，增速20.5%。煤岩气开发利用规模快速增长，已经成为补充天然气供应的区域性气源。
深层理论认识的革新和勘探开发技术的突破
“十四五”以来我国深层煤岩气能够取得大规模突破的关键原因就是理论认识的革新和勘探开发技术的突破。通过系统总结深层煤岩气典型井区的成藏特征与改造效果，初步形成了一定的理论认识和技术成果。
一、在地质研究中，初步落实了不同盆地主力煤层展布与煤质特征，明确了缓慢稳定海侵背景下形成的煤层单层厚度大、煤质较好;持续快速海侵背景下形成的煤层单层厚度小、层数多、煤质好;滨湖沉积背景下形成的煤层单层厚度大、煤质一般。
二、在勘探技术方面，地震勘探技术和钻探技术的进步，使得深层煤岩气的勘探更加精准和高效。包括建立了岩芯观测-CT扫描-测井响应煤岩类型综合评价技术、深层煤储层关键参数精细描述技术体系、煤储层吸附-游离气预测方法，明确了深层中高阶光亮-半亮煤生气量大、裂隙发育、吸附性好、含气量与游离气占比高，是优先突破方向，揭示了深层煤岩气“生、储、盖”三个方面有利区选的地质条件。在此基础上形成了深层煤层气“生烃性、储集性、保存性、含气性、可压性”一体化选区-目标-甜点评价技术，中国石化应用该技术优选了探区内深层煤层气有利区资源量超3万亿立方米。
三、在开发技术上主要有以下几个方面取得了突破。
1. 水平井技术：相比传统的垂直井，水平井能够更大范围地接触煤层，提高了煤岩气的采收率。多段压裂技术与水平井相结合，大幅提升了气体的产量。
2. 水力压裂技术：水力压裂技术通过高压液体在煤层中形成裂缝，增加了煤岩气的渗透性，使气体更容易被采集。针对煤层“高泊松比、低弹性模量”难改造、有效支撑缝延伸较短的问题，形成了以“远支撑”为核心理念、“大排量、大液量、大砂量”有效支撑的压裂技术，显著提高了深层煤岩气的开采效率。
3. 地下煤层的封闭采气技术：在深层煤岩气的开采过程中，煤层的封闭性是一个关键问题。新型封闭采气技术通过改进封闭材料和工艺，减少了气体的泄漏，提高了资源的利用率。
△某煤岩气田平台
深层煤岩气的未来潜力
中国是全球煤炭资源最丰富的国家之一，煤炭在我国能源结构中占据着举足轻重的地位。然而，在“双碳”(碳达峰、碳中和)目标背景下，如何合理开发利用煤炭资源，同时实现碳排放的有效控制，成为亟待解决的关键问题。在这一背景下，深层煤岩气(也称煤层气或煤矿瓦斯)的勘探开发显示出巨大的潜力和价值。
首先，煤岩气作为清洁能源，燃烧清洁、排放少，可以部分替代石油、煤炭的使用，从而减少二氧化碳和其他污染物的排放。在“双碳”目标提出的大环境下，深层煤岩气的开发将有助于优化能源结构，减少对传统化石能源的依赖，推动能源多元化发展。
其次，煤岩气的开发利用还可以减少地下煤层的瓦斯释放，一方面可以降低温室气体排放量，具有很大的环境效益。另一方面通过煤岩气的开发，可以有效降低煤矿瓦斯含量，改善煤矿安全生产条件，减少事故发生。
除此之外，深层煤岩气开发技术的进步，如水平钻井和水力压裂技术，使得煤岩气的开发变得更加经济高效，而煤岩气市场需求的增加，也为其开发带来了良好的经济前景。特别是在天然气价格高企的情况下，煤岩气成为了一种具有竞争力的替代能源。同时，深层煤岩气的开发不仅能够带来直接的经济收益，还能带动相关产业的发展，创造更多的就业机会和经济价值。
在“双碳”目标的推动下，中国能源结构正逐步向清洁化、低碳化转型。煤岩气的开发利用符合这一转型趋势。通过科学合理的勘探开发，深层煤岩气资源可以实现经济、安全、环境和能源转型等多重效益，为中国能源结构调整和碳中和目标的实现提供坚实保障。未来，随着技术的进一步突破和应用，深层煤岩气必将在能源结构调整中发挥重要作用!
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