作為煤炭資源大國(guó)，我國(guó)煤層氣資源豐富，據(jù)自然資源部2022年最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)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(guó)煤層氣資源在鄂爾多斯、沁水、吐哈、準(zhǔn)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(guó)石化探區(qū)內(nèi)煤層氣地質(zhì)資源量約為10萬(wàn)億立方米，占全國(guó)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(zhǔn)噶爾盆地。

煤層氣：一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源

煤層氣又稱煤礦瓦斯，是指儲(chǔ)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氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)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(dāng)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(yīng)約為二氧化碳的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。

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(guī)天然氣接近，相當(dāng)于1.13千克汽油、1.21千克標(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)；有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，支撐能源接替；有利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，助力節(jié)能降碳。

01煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展

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

美國(guó)是煤層氣產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)源地，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，先后在圣胡安、黑勇士、粉河等盆地實(shí)現(xiàn)煤層氣規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)，2008年產(chǎn)量達(dá)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(guī)模在200億立方米左右。

2000年，加拿大改進(jìn)美國(guó)的理論技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)，2009年產(chǎn)量達(dá)95億立方米，后因多方面原因，產(chǎn)量持續(xù)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(xiàn)單井產(chǎn)量大幅提升，2018年產(chǎn)量約393億立方米，取代美國(guó)成為全球煤層氣最大生產(chǎn)國(guó)。目前，煤層氣年產(chǎn)量超過(guò)400億立方米，居全球首位。

我國(guó)煤層氣的探索始于20世紀(jì)80年代，前期主要針對(duì)1500米以淺的煤層氣資源開(kāi)展評(píng)價(jià)和勘探。“六五”期間，我國(guó)首次組織開(kāi)展全國(guó)瓦斯資源大調(diào)查。之后，中聯(lián)煤層氣公司、藍(lán)焰煤層氣公司、煤層氣開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程研究中心、煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心、中國(guó)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(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。“十一五”為規(guī)模起步期，產(chǎn)量年平均增速達(dá)140%，“十二五”進(jìn)入調(diào)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(guó)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(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，已經(jīng)成為補(bǔ)充天然氣供應(yīng)的區(qū)域性氣源。

我國(guó)煤層氣資源賦存條件復(fù)雜，煤儲(chǔ)集層品質(zhì)差、非均質(zhì)性強(qiáng)，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)取得顯著進(jìn)展，在“十二五”和“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)和中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)海油、新華燃?xì)獾绕髽I(yè)重點(diǎn)項(xiàng)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(duì)沁水淺層高階煤層氣、鄂爾多斯深層中高階煤層氣、準(zhǔn)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(qū)方案，形成了煤層氣儲(chǔ)層測(cè)試-測(cè)井-地震精細(xì)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(jì)算物理模擬-施工工藝-裂縫監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層改造技術(shù)體系、精細(xì)排采控制技術(shù)體系。目前，我國(guó)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(xiàn)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(zhàn)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(guó)埋深大于1500米的深層煤層氣資源量可達(dá)50萬(wàn)億立方米，占全國(guó)煤層氣資源量的70%，中國(guó)石化油氣礦權(quán)內(nèi)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(chǔ)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(dá)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(dá)50%，具備高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。但深層煤儲(chǔ)層地應(yīng)力高、有效應(yīng)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(zhàn)略性突破，形成了增儲(chǔ)建產(chǎn)的新陣地?！笆奈濉币詠?lái)，中國(guó)石化在延川南區(qū)塊年產(chǎn)煤層氣4億立方米，累計(jì)產(chǎn)氣28.8億立方米，實(shí)現(xiàn)了中-深層煤層氣商業(yè)規(guī)模開(kāi)發(fā)；2023年，在大牛地氣田陽(yáng)煤1HF井與南川區(qū)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(dá)10.4萬(wàn)立方米，6個(gè)月累計(jì)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(jì)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(guó)石油在鄂東大寧吉縣提交探明儲(chǔ)量1122億立方米，2023年產(chǎn)量超10億立方米，2025年產(chǎn)量將達(dá)50億立方米。中國(guó)海油在鄂東北神府區(qū)塊提交探明儲(chǔ)量超1100億立方米，2023年產(chǎn)量超1億立方米。

通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)深層煤層氣典型井區(qū)的成藏特征與改造效果，初步形成了一定的理論認(rèn)識(shí)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(guó)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(zhǔn)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(wěn)定海侵背景下形成的煤層單層厚度大、煤質(zhì)較好；持續(xù)快速海侵背景下形成的煤層單層厚度小、層數(shù)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，建立了巖芯觀測(cè)-CT掃描-測(cè)井響應(yīng)煤巖類型綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、深層煤儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)精細(xì)描述技術(shù)體系、煤儲(chǔ)層吸附-游離氣預(yù)測(cè)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(shù)據(jù)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(zhǔn)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(yuǎn)超淺層煤層氣產(chǎn)量。

第三，針對(duì)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(jī)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(chǔ)，控制煤的生烴能力與儲(chǔ)集性能；良好保存條件（構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)、灰?guī)r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(chǔ)上形成了深層煤層氣“生烴性、儲(chǔ)集性、保存性、含氣性、可壓性”一體化選區(qū)-目標(biāo)-甜點(diǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)優(yōu)選了中國(guó)石化探區(qū)內(nèi)深層煤層氣有利區(qū)資源量超3萬(wàn)億立方米。

第四，針對(duì)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(yuǎn)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(nèi)凈壓力，增大改造面積，提高遠(yuǎn)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(xiàn)遠(yuǎn)距離支撐，延川南、大牛地與南川等區(qū)塊應(yīng)用效果顯著。

03深層煤層氣增儲(chǔ)上產(chǎn)仍需進(jìn)一步攻關(guān)

深層煤層氣已實(shí)現(xiàn)單井戰(zhàn)略突破，但是總體尚處于探索階段。我國(guó)深層煤層氣類型多樣，地質(zhì)條件復(fù)雜，資源稟賦差異大，富集高產(chǎn)機(jī)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(bào)率低，效益開(kāi)發(fā)難度大；深層煤層氣勘探程度低，礦權(quán)少，增擴(kuò)礦權(quán)面臨挑戰(zhàn)。為推進(jìn)深層煤層氣的增儲(chǔ)上產(chǎn)，需進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾方面的持續(xù)攻關(guān)：

一是加大新區(qū)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(xiàn)了規(guī)模有效開(kāi)發(fā)，勘探層位為太原組8號(hào)煤。山西組5號(hào)煤儲(chǔ)層條件與8號(hào)煤相當(dāng)，中-高階深層5號(hào)煤的勘探突破對(duì)于深層煤層氣立體開(kāi)發(fā)與效益增儲(chǔ)具有重大意義，是當(dāng)前的戰(zhàn)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(qū)的中-高階深層煤層氣地質(zhì)資源量豐富，具有實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開(kāi)發(fā)的資源基礎(chǔ)，發(fā)展前景廣闊。此外，我國(guó)深層低、中、高階煤層氣資源量相當(dāng)，但以準(zhǔn)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(xiàn)規(guī)模開(kāi)發(fā)，是中國(guó)煤層氣未來(lái)發(fā)展的重要方向。

二是加強(qiáng)深層煤層氣富集理論與“雙甜點(diǎn)”區(qū)優(yōu)選研究，加強(qiáng)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(qiáng)化排采規(guī)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(qiáng)深層煤層氣研討交流，聯(lián)合攻關(guān)不同地區(qū)不同煤階富集高產(chǎn)機(jī)理研究和鉆完井、壓裂等關(guān)鍵技術(shù)。

專家視點(diǎn) 深層煤層氣工程技術(shù)現(xiàn)

2018年以來(lái)，我國(guó)逐步開(kāi)展1500米以深煤層氣勘探評(píng)價(jià)試驗(yàn)，各區(qū)域結(jié)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(yàn)，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(shè)產(chǎn)能3.8億立方米/年。

深層煤層以原生結(jié)構(gòu)為主，相比較非常規(guī)頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)，煤層井壁穩(wěn)定難度大、儲(chǔ)層改造要求高。

在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了由直井向水平井、水平井叢式井組轉(zhuǎn)變，一個(gè)井臺(tái)部署2～8口水平井，同時(shí)由三級(jí)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，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(xiàn)造斜段、穩(wěn)斜段一趟鉆，著陸段+水平段一趟鉆。

在提高薄煤層鉆遇率方面，要求嚴(yán)格水平段軌跡控制，通過(guò)建立地質(zhì)模型，采用近鉆頭測(cè)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(xì)化軌跡控制技術(shù)，目前平均鉆遇率達(dá)97%。

在提高井壁穩(wěn)定性技術(shù)方面，采用“強(qiáng)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(rùn)滑防卡”三個(gè)方面研發(fā)復(fù)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(qiáng)化對(duì)煤層的吸附能力和對(duì)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(qiáng)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(zhuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控與專家支持系統(tǒng)。

煤層氣經(jīng)濟(jì)勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在儲(chǔ)層改造，近年來(lái)，煤層氣儲(chǔ)層改造技術(shù)逐步進(jìn)步。理念上，借鑒頁(yè)巖氣大規(guī)模壓裂改造技術(shù)，由基質(zhì)酸壓向體積壓裂轉(zhuǎn)變；技術(shù)上，由“壓得開(kāi)”向充分利用割理特征實(shí)現(xiàn)深煤層“壓得碎”轉(zhuǎn)變；效果上，由“多造縫”向充分支撐的“多造有效縫”轉(zhuǎn)變。前期針對(duì)深部煤層煤體結(jié)構(gòu)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(kuò)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(qiáng)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(xiàn)規(guī)模效益建產(chǎn)還面臨諸多挑戰(zhàn)，在基礎(chǔ)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(qiáng)化深層煤層氣基礎(chǔ)理論研究及設(shè)計(jì)。需要從物理、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械及耦合因素創(chuàng)新開(kāi)展深層煤層氣井壁失穩(wěn)機(jī)理研究；開(kāi)展深部煤層、巖石力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)，獲取關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)；通過(guò)煤巖壓裂物理模擬試驗(yàn)，采用離散元方法模擬考慮隔離面的縫網(wǎng)起裂與擴(kuò)展，刻畫縫網(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(kuò)展機(jī)理；綜合考慮地質(zhì)復(fù)雜、管柱強(qiáng)度、摩阻、水力清潔等開(kāi)展設(shè)計(jì)，提升工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)化理念；開(kāi)展大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在煤層風(fēng)險(xiǎn)防控、提速提效、方案優(yōu)化等方面的應(yīng)用研究，提升實(shí)時(shí)預(yù)警、隨鉆分析及區(qū)域多井分析能力，為快速?zèng)Q策提供依據(jù)，提升鉆完井科學(xué)化水平。

二是攻關(guān)煤層長(zhǎng)裸眼水平井鉆井技術(shù)。采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)水平井開(kāi)發(fā)是大幅降本的有效途徑，針對(duì)長(zhǎng)裸眼段泥巖煤層開(kāi)展井壁穩(wěn)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(zhǎng)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(xiàn)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(dǎo)流、次縫能導(dǎo)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(qiáng)研究，結(jié)合煤層特征、水平段長(zhǎng)、井距、累產(chǎn)、綜合成本等，建立經(jīng)濟(jì)壓裂評(píng)價(jià)方法，明確壓裂規(guī)模，實(shí)現(xiàn)高效壓裂。

四是探索集約式大井臺(tái)鉆完井模式。進(jìn)行叢式井組評(píng)價(jià)分析，綜合煤層發(fā)育、鉆機(jī)擺放、壓裂作業(yè)模式等因素明確最佳井組部署方式，針對(duì)大井組大偏移距三維水平井建立綜合延伸極限預(yù)測(cè)模型，攻關(guān)大偏移距長(zhǎng)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(qiáng)化入井液處理技術(shù)研究應(yīng)用，提升鉆井液、壓裂液重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)降本增效。