中國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)戰(zhàn)略價值與戰(zhàn)略選擇

秦 勇，申 建，史 銳

(中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 徐州 221008)

我國2020年天然氣總產(chǎn)量1 876.44億m，其中地面井煤層氣產(chǎn)量57.67億m，同比增長5.6%，僅占當(dāng)年全國天然氣總產(chǎn)量的3.07%。加上煤礦區(qū)瓦斯抽采量146億m，全國2020年煤層氣總產(chǎn)量約204億m。結(jié)合煤層氣區(qū)塊2020年致密氣產(chǎn)量約44億m，煤系氣總產(chǎn)量約248億m，距離大產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍有一定差距。據(jù)BP能源公司分析，我國天然氣對外依存度在今后15 a仍將持續(xù)攀高，2020年為42%，2035年將升至55%，嚴(yán)重威脅國家天然氣戰(zhàn)略安全。我國煤系氣資源十分豐富，是保障國家能源安全的重要資源基礎(chǔ)。鑒于此，中國工程院近期發(fā)起組織“我國煤層氣有效開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略”研討，診斷產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，論證建設(shè)煤層氣大產(chǎn)業(yè)的可能性，探討實現(xiàn)煤層氣有效開發(fā)進(jìn)而建設(shè)大產(chǎn)業(yè)的技術(shù)途徑和保障條件。借此契機(jī)，筆者將視野拓展到更為寬廣的煤系氣領(lǐng)域，宏觀論證建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)的可能性和面臨挑戰(zhàn)，就技術(shù)戰(zhàn)略選擇與保障條件闡述了自己的認(rèn)識，期望對大產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略推進(jìn)和實施有所裨益。

1 煤系氣有效開發(fā)和大產(chǎn)業(yè)定義

煤系氣“有效開發(fā)”的基礎(chǔ)是大幅度提高單井產(chǎn)氣量，途徑是大幅度提高資源動用率，結(jié)果是大幅度降低開發(fā)綜合成本，目標(biāo)為實現(xiàn)煤系氣規(guī)模性開發(fā)，進(jìn)而建成煤系氣大產(chǎn)業(yè)。羅平亞院士早在2013年就指出，單井產(chǎn)量低已經(jīng)成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重障礙，強(qiáng)調(diào)了大幅度提高單井產(chǎn)量對煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性。煤層氣在美國曾經(jīng)是一個大產(chǎn)業(yè)，2008年達(dá)到歷史上最高年產(chǎn)量556.71億m，約占全美當(dāng)年天然氣總產(chǎn)量的7.67%。為此，考察美國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史，以單井日均產(chǎn)氣量作為衡量有效開發(fā)的指標(biāo)，從年產(chǎn)量和對天然氣總產(chǎn)量貢獻(xiàn)2個指標(biāo)考察產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模，可為定義我國煤系氣“有效開發(fā)”和“大產(chǎn)業(yè)”提供啟示。

美國煤層氣生產(chǎn)主要集中在6個盆地。1998年，煤層氣產(chǎn)量338億m，生產(chǎn)井約8 000口，單井日均產(chǎn)氣量約11 575 m；2001年煤層氣產(chǎn)量442億m，生產(chǎn)井約15 000口，單井日均產(chǎn)氣量在8 073 m左右；2010年，煤層氣井總數(shù)約5萬口，投產(chǎn)率在90%左右，抽采量534億m，單井日均產(chǎn)氣量約3 658 m。在盆地尺度上，單井日均產(chǎn)氣量在圣胡安和猶他低階煤盆地超過10 000 m，其他低階煤盆地超過5 500 m，中階煤盆地約2 300 m。此外，加拿大煤層氣開發(fā)局限于阿爾伯塔盆地白堊紀(jì)含煤地層，貧水或少水，影響了單井產(chǎn)量的有效提高和煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)展，2009年產(chǎn)量90億m，生產(chǎn)井14 100口，單井日均產(chǎn)氣量1 950 m。為此，類比美國中階煤盆地和加拿大阿爾伯塔盆地單井產(chǎn)氣狀況，我國煤層氣有效開發(fā)的單井平均產(chǎn)氣量可定義在2 000 m/d左右，大致是我國2020年生產(chǎn)井單井日均產(chǎn)氣量的2倍(后述)，這是一個單井產(chǎn)量倍增的標(biāo)志。

1989—2017年，美國累計生產(chǎn)煤層氣10 395.95億m；2008—2010年達(dá)到高峰，年產(chǎn)量均超過500億m，3 a累計1 632.75億m。我國1989—2017年累計天然氣產(chǎn)量約16 979億m，2008年、2009年、2010年分別為802.99億、852.70億和957.91億m，3 a累計2 613.60億m。相比之下，美國1989—2017年煤層氣累計產(chǎn)量約為我國同期天然氣累計產(chǎn)量的62%，其中2008—2010年約為63%，足以作為衡量我國煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模的參考依據(jù)。進(jìn)一步分析，1997—2014年期間，美國煤層氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比例在4.5%左右，歷時長達(dá)17 a，1997年為4.50%，2014年為4.47%，2個年份對應(yīng)的煤層氣年產(chǎn)量分別為309億和398億m(圖1)。由此，可將我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)的標(biāo)志初步定義為年產(chǎn)量>300億m，對全國天然氣年總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率>4.5%。

圖1 美國歷年天然氣總產(chǎn)量及煤層氣產(chǎn)量所占比例(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7])Fig.1 Total natural gas production and CBM production proportion of the United States (data from Reference [7])

2 我國建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略價值

我國煤系氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近30 a發(fā)展，目前處于從煤系氣資源大國轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)大國的關(guān)鍵階段，煤系氣資源有效開發(fā)不僅對于保障國家天然氣供給安全具有可觀戰(zhàn)略價值，也是助力煤炭安全生產(chǎn)、實現(xiàn)國家碳減排目標(biāo)的重要途徑。

2.1 建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)是協(xié)助保障國家能源安全重要途徑

縱觀全球人類能源開發(fā)利用史，迄今經(jīng)歷了木材、煤炭、石油、天然氣4個時代，盡管技術(shù)進(jìn)步使新能源占比不斷提高，但目前的天然氣時代仍將持續(xù)到2070年之后。也就是說，天然氣供給安全是全球當(dāng)代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展最重要的能源保障。我國作為全球人口數(shù)量最多且躍居世界第二大經(jīng)濟(jì)體的快速發(fā)展國家，天然氣需求比任何國家更為迫切，安全保障尤為重要。

全球天然氣消費(fèi)構(gòu)成約在20世紀(jì)90年代初超過石油消費(fèi)構(gòu)成，進(jìn)入天然氣時代。我國天然氣供需關(guān)系在2006年左右發(fā)生反轉(zhuǎn)，對外依存度逐年增長(圖2)。2020年，全國天然氣表觀總產(chǎn)量1 888億m，同比增長9.8%；表觀消費(fèi)量3 259億m，同比增長7.5%；對外依存度42.07%，同比降低了一個百分點(diǎn)。據(jù)BP能源公司預(yù)測，我國天然氣對外依存度今后15 a內(nèi)仍將持續(xù)增長，2035年達(dá)到55%，即使2050年仍有50%左右(圖2)。換言之，我國天然氣戰(zhàn)略安全形勢十分嚴(yán)峻。

圖2 中國天然氣對外依存度變化趨勢(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[14])Fig.2 Change trend of external dependence degree of natural gas in China (data from Reference [14])

我國政府在《能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃2020—2050》中提出了“減煤穩(wěn)油增氣、大力發(fā)展新能源”兩大戰(zhàn)略方向，其中天然氣在2050年能源消費(fèi)中比例提高到15%左右。然而，我國2020年天然氣消費(fèi)占比只有8.4%，與2050年國家目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。正是基于這一嚴(yán)峻形勢，國務(wù)院2018年專門發(fā)文強(qiáng)調(diào)天然氣穩(wěn)定協(xié)調(diào)發(fā)展，勘探開發(fā)的核心任務(wù)是“增儲上產(chǎn)”。我國煤系氣資源十分豐富(下述)，建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)是協(xié)助保障國家天然氣供給戰(zhàn)略安全的重要途徑。

2.2 建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)將持續(xù)助力我國主體能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

煤炭作為我國主體能源，在未來較長一個時期內(nèi)存在其現(xiàn)實合理性，必然將持續(xù)發(fā)揮支撐我國能源供給的兜底保障作用。為此，建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)，將持續(xù)助力煤炭這一主體能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。我國之所以形成以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是由“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦國情以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段所決定的。

(1)所謂的“富煤”系指我國煤炭資源十分豐富，是兜底國家能源戰(zhàn)略安全的“壓艙石”。據(jù)最新一輪《全國煤炭資源潛力評價》成果，全國陸上煤炭資源總量5.90萬億t，截至2009年底全國累計探獲煤炭資源量2.02萬億t，其中尚未占用資源量1.55萬億t。按年均采煤50億t及平均采出率70%估算，目前尚未占用探獲煤炭資源尚可支撐國家200 a以上的煤炭能源供給。

(2)所謂的“少氣”，并非我國缺少天然氣資源，而是豐富的天然氣資源優(yōu)勢尚未轉(zhuǎn)化為國家能源戰(zhàn)略安全保障優(yōu)勢。我國煤層氣資源量在全球名列前茅，煤系砂巖氣和頁巖氣資源量至少是煤層氣資源量的1.5倍以上(下述)。同時，我國近年來實現(xiàn)了埋深1 000～1 500 m區(qū)塊尺度煤層氣商業(yè)化開采，其他區(qū)塊多口1 500～2 400 m深部煤層氣井取得高產(chǎn)突破，煤系氣合采已有單井成功范例。這些現(xiàn)實基礎(chǔ)和探索進(jìn)展，昭示煤系氣產(chǎn)業(yè)有能力協(xié)助我國主體能源(煤炭、油氣)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，是近期至中期國家能源安全保障不可或缺的戰(zhàn)略考慮。

(3)煤系氣有效開發(fā)將為我國煤炭產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供新的機(jī)遇。其一，20世紀(jì)90年代以來的煤礦瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)步，支撐我國煤礦瓦斯抽采量翻了10倍以上，百萬噸死亡率大幅降低，安全生產(chǎn)水平跨入世界先進(jìn)國家行列；但是，煤層乃至煤系富氣地質(zhì)稟賦決定了瓦斯風(fēng)險客觀存在，煤系氣有效開發(fā)是消除瓦斯威脅的現(xiàn)實手段。其二，抓住高碳產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展契機(jī)，發(fā)展壯大煤系氣產(chǎn)業(yè)，帶動煤系氣化工等產(chǎn)業(yè)的啟動和進(jìn)步，有助于產(chǎn)煤企業(yè)向煤氣共采企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。其三，通過“雙碳”目標(biāo)倒逼，促使煤炭企業(yè)立足于自身煤炭、煤系氣資源及開發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，基于資源協(xié)同開采利用實現(xiàn)碳捕集和碳減排，通過碳交易實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)增長。

2.3 建設(shè)煤層氣大產(chǎn)業(yè)將助力國家“雙碳”目標(biāo)順利實現(xiàn)

我國是全球碳排放量最大的國家，CO排放量占全球份額連年增長，2018年為27.8%，2019年為28.8%，2020年達(dá)到30.7%。國家“雙碳”目標(biāo)背景下，政策和市場調(diào)整將有效拉升天然氣需求，天然氣在當(dāng)前至2030年這一特殊時期將發(fā)揮重要影響。我國化石能源開發(fā)利用碳排放量占全部碳排放量的90%，故“雙碳”問題本質(zhì)上是能源問題。2018年，中國碳排放量101億t，其中煤炭生產(chǎn)和生活消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放72.5億t，占比70%。就此而言，煤系氣有效開發(fā)進(jìn)而建設(shè)大產(chǎn)業(yè)，具有降低煤炭開采過程碳排放和節(jié)煤減排雙重效應(yīng)。

一方面，大規(guī)模實施地面井煤系氣開發(fā)，通過預(yù)抽利用最大限度降低采煤活動碳排放量，可望為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出重大貢獻(xiàn)。采煤活動碳排放通過乏風(fēng)排放和抽采瓦斯放空2個渠道，排放氣體均為CH。CH的溫室效應(yīng)是CO的21～25倍，對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)15%，是僅次于CO的第二大溫室氣體。按煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程要求，礦井通風(fēng)所產(chǎn)生的乏風(fēng)CH體積分?jǐn)?shù)不能超過1%，低體積分?jǐn)?shù)瓦斯難以經(jīng)濟(jì)性直接利用而多被排入大氣。2010年，我國采煤活動排入大氣的CH約260億m，是世界第一大采煤CH排放國。2020年，全國仍有約78億m抽采CH排空，絕大部分來自礦井抽采低體積分?jǐn)?shù)瓦斯。提高地面井瓦斯預(yù)抽采率，強(qiáng)化煤礦瓦斯治理效果，同時也將降低采煤乏風(fēng)CH排放量。

另一方面，規(guī)模性開發(fā)利用煤系氣(瓦斯)，有助于改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。這一戰(zhàn)略價值的實質(zhì)，在于“以氣代煤”，降低高碳(煤炭)能源利用比例，實現(xiàn)CO實質(zhì)性低成本減排。以地面井煤系氣和礦井瓦斯中CH體積分?jǐn)?shù)分別為95%，40%為基準(zhǔn)測算，利用1億m地面井或礦井抽采煤系氣代替原煤作為鍋爐燃料，可節(jié)省原煤16.3萬t或6.9萬t，標(biāo)煤11.6萬t或4.9萬t；代替電力，分別節(jié)省電力287 000 MW/h或121 000 MW/h。進(jìn)一步而言，1億m地面井煤系氣代替煤炭發(fā)電，相當(dāng)于減排0.73億m或14.35萬t CO；1億m礦井抽采瓦斯代替煤炭發(fā)電，則減排0.31億m或6萬t CO。

3 建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)可能性

論證這一可能性的前提在于2個方面：一是大產(chǎn)業(yè)的內(nèi)涵和量化指標(biāo)，詳見本文第1節(jié)；二是我國煤系氣產(chǎn)業(yè)目前處于的發(fā)展階段，以衡量產(chǎn)業(yè)增長空間大小。任何一個產(chǎn)業(yè)的生命周期都會經(jīng)歷形成期、成長期、成熟期和衰退期4個階段。其中，成長期對產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，決定該產(chǎn)業(yè)能否進(jìn)入成熟期進(jìn)而形成大產(chǎn)業(yè)。這正是我國煤系氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展當(dāng)前面臨的主要問題，需要適應(yīng)性技術(shù)體系予以支撐，體現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)時代。處于成長期的產(chǎn)業(yè)通常是一個國家的新興產(chǎn)業(yè)，應(yīng)國家需求而產(chǎn)生。鑒于此，建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)可能性在于如下4個方面。

3.1 我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)具備強(qiáng)大需求驅(qū)動

任何大產(chǎn)業(yè)的形成，離不開強(qiáng)大而廣泛的需求驅(qū)動。2020年，我國一次能源消費(fèi)總量同比增長2.2%，其中煤炭消費(fèi)增長0.6%，原油消費(fèi)增長3.3%，天然氣消費(fèi)增長高達(dá)6.9%。鑒于此，有效開發(fā)煤系氣使之形成大產(chǎn)業(yè)，正是國家天然氣戰(zhàn)略安全保障的需要。煤系氣作為天然氣家族成員之一，具有形成大產(chǎn)業(yè)的需求背景。我國天然氣供需缺口逐年拉大，煤系氣“增儲上產(chǎn)”是彌補(bǔ)這一缺口的途徑之一，形成大產(chǎn)業(yè)具備強(qiáng)大的需求驅(qū)動(圖2)。

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展以及“雙碳目標(biāo)”約束，我國對清潔能源的需求不斷增長。國務(wù)院發(fā)展研究中心等(2020)預(yù)測，“十四五”期間，我國工業(yè)燃料、城鎮(zhèn)燃?xì)庑略鎏烊粴庑枨蠓謩e約360億m/a和280億m/a；到“十四五”末，工業(yè)燃料、城鎮(zhèn)燃?xì)馓烊粴庑枨罅糠謩e為1 450億m和1 500億m，燃?xì)獍l(fā)電天然氣需求量約1 000億m，3者占天然氣需求總量的比例分別為33%,34%和23%。也就是說，2025年全國僅上述3個領(lǐng)域天然氣需求就高達(dá)4 950億m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全國當(dāng)年可能實現(xiàn)的天然氣產(chǎn)量，煤系氣有效開發(fā)可提供有效補(bǔ)充，近期市場需求同樣十分強(qiáng)烈。

中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院近期發(fā)布《2050年世界與中國能源展望》，設(shè)置基準(zhǔn)、氫能、碳中和3種情景，預(yù)測了未來30 a我國天然氣供需結(jié)構(gòu)?；鶞?zhǔn)情景為：能源相關(guān)技術(shù)按照當(dāng)前趨勢不斷進(jìn)步，新能源成本競爭力不斷增強(qiáng)，能源技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)不斷融合，促進(jìn)能源體系朝著清潔低碳、安全高效、智能多元、便利經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。在此情景下，預(yù)計全國天然氣需求在2025年約4 200億m，2035年約6 000億m，2050年在6 700億m左右，與此對應(yīng)的全國天然氣產(chǎn)量分別約為2 300億、3 000億和3 500億m(圖3)。其中，對2035年和2050年全國煤層氣年產(chǎn)量的期望值分別為300億和400億m，盡管不高，但已展示出一個較大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模(圖3，圖1)。

圖3 基準(zhǔn)情景下中國天然氣消費(fèi)量與產(chǎn)量預(yù)測(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[25])Fig.3 Prediction of China’s natural gas consumption and production under benchmark scenario (data from Reference [25])

3.2 煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)具備雄厚資源基礎(chǔ)

自20世紀(jì)80年代至今，10余家單位先后開展過全國煤層氣資源調(diào)查，評價結(jié)果不斷被修正。統(tǒng)計目前進(jìn)展，賦存在不同深度和地域的全國煤層氣地質(zhì)資源總量在80萬億m左右，包括陸地2 000 m以淺30.05萬億m,2 000 m以深40.47萬億m以及近海海域7萬億～11.5萬億m。如果考慮客觀存在的煤系頁巖氣和砂巖氣資源，全國陸上煤系氣地質(zhì)資源量至少是單純煤層氣資源量的1.5倍，總資源量大于178萬億m。

..我國陸上埋深小于2 000 m煤層氣資源

中國工程院2012年曾從資源規(guī)模性、可靠性和可采性3個方面，論證了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源保障，認(rèn)為具有整裝規(guī)模氣田開采條件的煤層氣可采資源量在4萬億m左右。2014—2015年，中國地質(zhì)調(diào)查局評價陸上41個含煤盆地，提交全國埋深2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量30.5萬億m，含可采資源量12.50萬億m，這是目前最為權(quán)威的官方資源調(diào)查結(jié)果。該成果同樣從上述3方面分析了全國陸上2 000 m以淺煤層氣資源可動用地質(zhì)特點(diǎn)，得出：

在資源規(guī)模性方面，沁水、鄂爾多斯、滇東—黔西、準(zhǔn)噶爾等大型盆地(群)具有優(yōu)先開發(fā)的資源條件。具有整裝規(guī)模氣田條件的大型含氣區(qū)帶包括沁水盆地沁水區(qū)帶、鄂爾多斯盆地東緣、滇東黔西六盤水和織金、準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南等，煤層氣地質(zhì)資源量合計11.10萬億m，可采資源量4.55萬億m。進(jìn)一步考慮海拉爾、二連、川南黔北等盆地群，煤層氣地質(zhì)資源量大于0.5萬億m的含氣區(qū)帶共13個，資源量達(dá)22.00萬億m，可采資源量為9.35萬億m。

在資源可靠性方面，沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣石炭二疊系，太行山東麓、豫西、兩淮、華南、東北等地區(qū)煤田地質(zhì)勘查程度較高，前2個盆地施工了上萬口煤層氣井，測試數(shù)據(jù)豐富，煤層氣資源量比較可靠；鄂爾多斯盆地侏羅系以及吐哈、塔里木、二連、海拉爾等盆地測試資料較少，資源量可靠性較低；大部分埋深>1 200 m的煤層氣資源量基本上靠類比得出，可靠性低。綜合分析，全國相對可靠的煤層氣地質(zhì)資源量在10萬億m左右，可采資源量約4萬億m。

在可采性方面，不同地區(qū)差異較大，可采性較好的區(qū)塊主要分布在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣和東南緣、內(nèi)蒙古東部一些斷陷盆地和南方構(gòu)造活動相對較弱的局部地區(qū)。從現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件分析，構(gòu)造煤儲層的煤層氣可采性差。對于埋深超過1 000 m的深部煤層氣資源，已經(jīng)在鄂爾多斯盆地東緣、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣等地取得區(qū)塊或井網(wǎng)開發(fā)突破，開發(fā)前景可觀。

..我國陸上埋深大于2 000 m煤層氣資源

目前未見全國2 000 m以深煤層氣資源官方評價結(jié)果。早在2004年，國內(nèi)就對濟(jì)陽坳陷深部煤儲層特性及煤層氣資源潛力做過研究，認(rèn)為該坳陷深部存在煤層氣開采有利地質(zhì)條件。2005年召開以“中國煤層氣資源與產(chǎn)業(yè)化”為主題的“香山科學(xué)會議”，會上報告了關(guān)于渤海灣和鄂爾多斯2個盆地深部煤層氣資源量初步評估結(jié)果，認(rèn)為超過7.47萬億m。據(jù)中國石油勘探開發(fā)研究院估計，全國埋深2 000～3 000 m的煤層氣資源量約18.47萬億m。

據(jù)“十一五”國家科技重大專項預(yù)測，鄂爾多斯盆地東部4.16萬km范圍內(nèi)石炭二疊系深部煤層氣資源量5.84萬億m。其中，淺于1 500 m煤層氣資源量0.59萬億m，資源豐度0.50億～1.32億m/km；1 500～2 000 m資源量1.02萬億m，資源豐度0.67億～0.87億m/km；深于2 000 m資源量4.23萬億m，資源豐度0.70億～0.73億m/km。根據(jù)這一預(yù)測結(jié)果，考慮我國主要含煤盆地煤系埋深分布情況，全國埋深大于2 000 m的煤層氣資源量遠(yuǎn)大于18.47萬億m。

中國礦業(yè)大學(xué)近期受中國石油北京勘探開發(fā)研究院委托，系統(tǒng)評價了全國29個主要盆地(群)埋深大于2 000 m煤層氣資源量，提交地質(zhì)資源量40.71萬億m，含可采資源量10.01萬億m，遠(yuǎn)大于2 000 m以淺煤層氣資源量，其中的96%集中在三大盆地。準(zhǔn)噶爾盆地位列第1，2 000 m以深地質(zhì)資源量15.04萬億m，可采資源量4.42萬億m，分別占全國同深度范圍地質(zhì)資源量和可采資源量的37%和44%。鄂爾多斯盆地位列第2，2 000 m以深地質(zhì)資源量12.99萬億m，可采資源量3.08萬億m，分別占全國的32%和31%。吐哈—三塘湖盆地位列第3，2 000 m以深地質(zhì)資源量10.60萬億m，可采資源量1.55萬億m，分別占全國的27%和16%。

..我國陸上煤系氣資源

上述關(guān)于煤層氣資源量的預(yù)測結(jié)果，尚未考慮其他類型的煤系氣資源。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局評估結(jié)果，全國2 000 m以淺煤系氣資源量82萬億m，煤層氣資源30.05萬億m，煤系氣/煤層氣資源量比例系數(shù)為2.69。黔西楊梅樹向斜煤系氣地質(zhì)資源豐度5.66億m/km，比單純的煤層氣資源豐度提高了9倍。貴州省煤田地質(zhì)局近期在土城向斜施工盤參1井，盡管鉆孔深度僅有1 100 m，但煤系氣/煤層氣資源密度比例系數(shù)仍高達(dá)2.07。鑒于此，全國平均比例系數(shù)在2.50以上，結(jié)合陸上煤層氣資源總量71.2萬億m，煤系砂巖氣與煤系頁巖氣之和至少是單純煤層氣資源量的1.5倍，超過107萬億m，即全國陸上煤系氣資源量大于178萬億m。

大家跑得汗流浹背，汗水由頭發(fā)里滲出，漫過眼睛的時候，前面袁安終于撐著洞壁停了下來，李離、上官星雨與吳耕跟上來，向下俯視，發(fā)現(xiàn)他們果然已經(jīng)來到了洞穴的盡頭，洞穴之下，是一根垂直的緋色石柱，合抱粗細(xì)，七八丈高，立在一個空空蕩蕩的石廳的正中央。袁安嘴銜住火把柄，率先滑下來，接著是李離、上官星雨、吳耕，一個接一個由石洞里扶著光滑的石柱，落到石廳正中的地面上。

我國具體地區(qū)煤系氣資源評價結(jié)果或開發(fā)實例不斷涌現(xiàn)。例如，我國2019年煤層氣地面井產(chǎn)量54.63億m，產(chǎn)自煤層氣區(qū)塊且未納入統(tǒng)計的煤系致密砂巖氣產(chǎn)量達(dá)35億m。再如，準(zhǔn)噶爾盆地侏羅紀(jì)煤系致密砂巖氣地質(zhì)資源量1.174萬億～1.363萬億m，可采資源量0.528萬億～0.614萬億m。又如，四川盆地晚三疊世須家河組煤系頁巖氣地質(zhì)資源量46.45萬億m，其中須一段、須三段、須五段各占15%,27%和58%。這些結(jié)果，昭示我國煤系氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展具備強(qiáng)大的資源基礎(chǔ)。

3.3 我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)已形成扎實產(chǎn)業(yè)布局

產(chǎn)業(yè)布局扎實的標(biāo)志體現(xiàn)在以下幾個方面：

第1，初步實現(xiàn)了國家煤層氣勘探開發(fā)規(guī)劃布局。國家能源局(2013)發(fā)布《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》，規(guī)劃再用5～10 a，建成2個大型產(chǎn)業(yè)化基地，建設(shè)一批規(guī)?；_發(fā)示范工程。目前，我國“2+2+”開發(fā)基地戰(zhàn)略布局初步形成：沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣2個產(chǎn)業(yè)化基地歷年煤層氣產(chǎn)量占全國的95%以上；2020年，準(zhǔn)噶爾盆地南緣地面井煤層氣產(chǎn)量達(dá)7 500萬m，黔西約2 400萬m，川南筠連達(dá)3.8億m，表明新疆、西南2個后備產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)初見成效。同時，全國多地實現(xiàn)了地面井煤層氣小規(guī)模商業(yè)開發(fā)，如阜新、兩淮、彬長、庫拜等煤田。

第2，單井日均產(chǎn)量總體達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)。2020年，全國地面井煤層氣產(chǎn)量57.67億m，同比增長5.6%。截至2020年底，全國煤層氣累積鉆井21 217口，其中投產(chǎn)12 880口。按投產(chǎn)井?dāng)?shù)測算，全國2020年煤層氣單井日均產(chǎn)氣量約1 227 m，總體上達(dá)到測算基準(zhǔn)(單井投資200萬元，井口氣價1.02 元/m)下1 228 m/d的盈虧平衡點(diǎn)。

第3，煤系氣產(chǎn)量增長勢頭顯著。采用生產(chǎn)動態(tài)法，擬合不同來源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可概略預(yù)測未來30 a全國煤系氣產(chǎn)量增長情況。

(1)據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測，全國礦井瓦斯抽采量在2025年可能達(dá)到“天花板”，年抽采量在150億m左右，2035年可能降至120億m，這是煤炭限產(chǎn)而關(guān)閉一批高瓦斯礦井的必然結(jié)果；地面井煤層氣產(chǎn)量在2025年為89億m(不含煤系砂巖氣和頁巖氣，下同)，2035年約148億m，2050年約254億m(圖4)。即，2035年全國煤層氣(瓦斯)產(chǎn)量可能達(dá)到268億m。

圖4 我國歷年煤層氣產(chǎn)量及趨勢預(yù)測(數(shù)據(jù)引自國家能源局歷年統(tǒng)計)Fig.4 China’s CBM production and trend (data from statistics of National Energy Administration over years)

(2)中商情報網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅涉及地面井產(chǎn)量，包括煤層氣和煤系其他類型天然氣2部分，缺乏2004—2011年數(shù)據(jù)，故預(yù)測采用不同數(shù)學(xué)模型。結(jié)果顯示，地面井煤層氣、煤系致密砂巖氣產(chǎn)量在2025年分別在80億m和55億m左右，合計135億m；2035年為120億m和90億m，合計210億m；2050年約190億m和132億m，合計322億m(圖5)。

圖5 我國2012—2020年地面井煤系氣產(chǎn)量及趨勢預(yù)測(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[3])Fig.5 CMG production and prediction from surface wells in China during 2012-2020 (data from Reference [3])

(3)上述預(yù)測結(jié)果是當(dāng)前技術(shù)水平和投資力度條件下的最低情景，綜合考慮地面井煤系氣產(chǎn)量最低預(yù)測值和礦井抽采量，2025年全國煤系氣產(chǎn)量約285億m，2035年330億m，對全國天然氣總產(chǎn)量(圖3)貢獻(xiàn)率在11%～12%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和貢獻(xiàn)率相當(dāng)于較大～大的煤系氣產(chǎn)業(yè)。

3.4 我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)具備寬廣科技儲備

通過多年科技攻關(guān)，初步形成五大關(guān)鍵技術(shù)系列，覆蓋了全國煤系氣主要地質(zhì)條件類型，助力實現(xiàn)了老產(chǎn)業(yè)基地提產(chǎn)增效，新產(chǎn)業(yè)基地快見成效。一是產(chǎn)業(yè)老基地提產(chǎn)與挖潛，面向沁水盆地、鄂爾多斯盆地兩大基地，形成了優(yōu)質(zhì)儲層識別、二次改造、排采管控制度優(yōu)化等系列增產(chǎn)技術(shù)。二是深部煤層氣勘探開發(fā)，形成了以煤層氣賦存態(tài)認(rèn)識突破為基礎(chǔ)的深部優(yōu)質(zhì)煤儲層識別和甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選技術(shù)，針對性優(yōu)化了儲層改造和排采管控技術(shù)，先后在阜康西、延川南、臨興、馬必東等多個區(qū)塊實現(xiàn)產(chǎn)氣突破。三是煤層群煤層氣共勘合采，建立了以合采地質(zhì)條件兼容性評價為核心的壓裂層組優(yōu)選和產(chǎn)層組優(yōu)化設(shè)計方法，助力黔西等地區(qū)普遍實現(xiàn)了單井產(chǎn)氣突破。四是煤系“多氣”綜合開發(fā)，形成了以“微構(gòu)造控氣+分區(qū)分階段開采”為核心的大寧—吉縣模式和以“穿層體積壓裂+排氣降壓+誘導(dǎo)接續(xù)排采管控”為核心的臨興模式，實施成效顯著。五是構(gòu)造煤儲層煤層氣有效開發(fā)，發(fā)展了以“間接壓裂/跨層改造+L型/U型井分段壓裂+采動井”為核心的適應(yīng)性技術(shù)，在淮北、晉城、盤江、平頂山等礦區(qū)以及韓城區(qū)塊推廣應(yīng)用。

第1，老基地盤活是壯大我國煤系氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模的最現(xiàn)實途徑，老井提產(chǎn)是挖潛盤活與上產(chǎn)的首要基礎(chǔ)，2個產(chǎn)業(yè)老基地在此方面開展了有效的技術(shù)探索，效果顯著。

(1) 沁水盆地鄭莊區(qū)塊單井日均產(chǎn)量長期只有500 m左右，“十三五”期間形成了高產(chǎn)靶區(qū)成因機(jī)制、疏導(dǎo)式開發(fā)工程、疏導(dǎo)式排采控制理論3項新認(rèn)識，建立了精準(zhǔn)選區(qū)及開發(fā)優(yōu)化、二開全通徑水平井鉆井、疏導(dǎo)式壓裂改造、疏導(dǎo)式排采控制及低壓環(huán)狀集輸?shù)?項勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，解決了以往增產(chǎn)改造技術(shù)與煤層氣開發(fā)之間的三大矛盾，實現(xiàn)了高階煤層氣效益開發(fā)的“5個轉(zhuǎn)變”(表1)，老井和新井單井日均產(chǎn)量分別提高到1 000 m和2 400 m，區(qū)塊日產(chǎn)氣量由2017年的46萬m提高到2020年底的100萬m，優(yōu)質(zhì)儲量控制程度由40%提高到85%，勘探投資節(jié)余26%，低效區(qū)塊整體盤活。

表1 鄭莊高階煤層氣區(qū)塊效益開發(fā)5個轉(zhuǎn)變[57]

(2)鄂爾多斯盆地東南緣韓城區(qū)塊構(gòu)造煤發(fā)育，縫網(wǎng)堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，部分井存在越流補(bǔ)給，長期處于低效狀態(tài)，通過技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新，部分老井得到盤活。采用跨層壓裂技術(shù)改造9口老井，有效提高了構(gòu)造煤儲層壓裂縫導(dǎo)流能力，單井日均產(chǎn)氣量由40 m提高到2 491 m。形成套管補(bǔ)貼、水泥封堵、橋塞封層和人工隔板4套封層堵水技術(shù)，18口單井日均產(chǎn)氣量增加約1 000 m，累計增產(chǎn)1 332萬m，單井日均產(chǎn)水量降低18 m。發(fā)展了酸化解堵技術(shù)，6口井應(yīng)用效果良好，其中1口井日均產(chǎn)氣量由450 m上升到1 271 m，累計增產(chǎn)20.2萬m。

(3)鄂爾多斯盆地東緣延川南區(qū)塊先前低效井占總井?dāng)?shù)的1/3，近年來嘗試多種老井改造增產(chǎn)技術(shù)，達(dá)產(chǎn)率提升到80%。通過“氮?dú)鈹_動”實現(xiàn)層內(nèi)疏通，解決了煤粉阻塞滲流通道造成的產(chǎn)氣遞減問題，21口井見氣效率達(dá)90%，單井日均增產(chǎn)400 m。引入可控沖擊波技術(shù)，消除了近井筒地帶堵塞，24口老井中23口見效，井均增產(chǎn)916 m/d，其中11口井增產(chǎn)倍數(shù)大于1倍，最高14.53倍(圖6)。

圖6 延川南區(qū)塊老井可控沖擊波改造增產(chǎn)效果對比(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[34])Fig.6 Effect comparison of controllable shock wave stimulation for old wells in South Yanchuan block (data from Reference[34])

研發(fā)成功“長距離有效支撐+大規(guī)模體積改造”深部煤儲層改造技術(shù)，16口井全部見效，單井日均增產(chǎn)1 500 m，產(chǎn)氣水平提升5～6 倍。

第2，我國煤層氣資源90%以上賦存在十大盆地，開辟新基地是產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，“十三五”期間新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣、黔西地區(qū)適應(yīng)性開發(fā)技術(shù)探索應(yīng)用初見成效。

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣地質(zhì)條件復(fù)雜，低成本高效開發(fā)技術(shù)問題長期困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展。針對地質(zhì)條件特點(diǎn)開展儲層改造、排采優(yōu)化技術(shù)探索，多個區(qū)塊打出高產(chǎn)煤層氣井，順層定向井最高產(chǎn)氣量達(dá)28 336 m/d，新增煤層氣探明儲量220億m，建成年產(chǎn)能1.5億m，實現(xiàn)年產(chǎn)量7 500萬m，大型煤層氣產(chǎn)業(yè)基地初見雛形。針對疊置含氣系統(tǒng)，構(gòu)建了選層指標(biāo)體系與方法，實現(xiàn)了壓裂煤層優(yōu)選。針對大厚度煤層，探索形成“大液量、大排量、大砂量、中砂比、階梯式加砂、橋塞封隔”適配性壓裂改造技術(shù)，獲得穩(wěn)產(chǎn)3 200～3 300 m/d產(chǎn)氣效果。大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合壓裂液，形成了適應(yīng)該區(qū)煤儲層地質(zhì)條件的五段雙控排采法。針對大傾角地層條件，根據(jù)煤層深度和厚度分別設(shè)計了三段制和五段制定向井，保證了井網(wǎng)均勻分布。

(2)黔西地區(qū)集中了我國南方70%的煤層氣資源，構(gòu)造煤發(fā)育，多薄煤層與砂巖、泥巖互層頻繁，合采地質(zhì)條件兼容性較差。針對這些難點(diǎn)開展技術(shù)攻關(guān)，單井產(chǎn)氣量從不足300 m/d普遍提升至目前的平均920 m/d，相當(dāng)一部分井穩(wěn)產(chǎn)超過1 500 m/d，最高穩(wěn)產(chǎn)達(dá)6 000 m/d，提交煤層氣探明儲量122億m，2020年產(chǎn)量2 400萬m。揭示了煤層氣系統(tǒng)疊置機(jī)理及其對合采效果控制特點(diǎn)，不跨系統(tǒng)分壓合采成為壓裂層段優(yōu)選的基本原則。建立了以資源規(guī)模、構(gòu)造復(fù)雜程度、煤體結(jié)構(gòu)“一票否決”為核心的煤層氣地質(zhì)選區(qū)指標(biāo)體系，初步解決了甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選的技術(shù)難題。形成了以主產(chǎn)層優(yōu)選、產(chǎn)層組合、產(chǎn)層貢獻(xiàn)三指數(shù)為核心的合采產(chǎn)層組優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，為合采兼容性評價和產(chǎn)層組優(yōu)選提供了技術(shù)解決方案。形成了“小層射孔、組段壓裂、合層排采”適配性工藝技術(shù)，實現(xiàn)了叢式井組煤層氣商業(yè)性合采生產(chǎn)。

第3，構(gòu)造煤儲層性質(zhì)碎軟，含氣量往往極高，滲透性特低，鉆孔煤壁極易失穩(wěn)，煤層氣有效開發(fā)是一個世界性難題。同時，構(gòu)造煤地區(qū)煤層氣資源量約占我國2 000 m以淺資源總量的1/4，多數(shù)高瓦斯高突出礦井位于這類地區(qū)。鑒于煤礦安全生產(chǎn)和煤層氣有效開發(fā)需求，中煤科工集團(tuán)西安研究院等發(fā)明了頂板水平井分段壓裂技術(shù)，為碎軟煤儲層地面井煤層氣高效開發(fā)提供了技術(shù)解決方案。揭示了分段穿層壓裂縫延展機(jī)理，建立了頂板水平井位置優(yōu)化、井壁穩(wěn)定性評價、雙曲線射孔位置優(yōu)化以及深穿透定向射孔技術(shù)，確定頂板井眼距離煤層頂面不超過1.5 m，提高了壓裂縫穿層煤體改造效率。形成了“泵送橋塞封隔分段、多段多簇定向射孔、逐段分步定向壓裂”等成套技術(shù)，以及“先低后高、先細(xì)后粗”加砂工藝，適時應(yīng)用段塞式加砂技術(shù)，在煤層中形成了多組具有高滲流能力的垂直主裂縫帶。該項技術(shù)應(yīng)用于淮北、淮南、晉城、韓城、冀北等礦區(qū)及柿莊、黔西等區(qū)塊，其中淮北1口井最高產(chǎn)量超過10 000 m/d，3 a穩(wěn)產(chǎn)在3 000 m/d以上。

4 我國建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)面臨困難

近年來，國家能源局、中國工程院等權(quán)威機(jī)構(gòu)均對我國煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模性發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)做過診斷，可歸納為資源稟賦、保障條件雙重制約。資源稟賦制約需要持續(xù)科技攻關(guān)予以突破，保障條件制約則有待國家產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)一步完善，兩者結(jié)合則將消除投資者后顧之憂，激發(fā)產(chǎn)業(yè)活力。在此基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為面臨的主要困難在于對資源稟賦的深刻理解以及適應(yīng)性勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的戰(zhàn)略選擇與創(chuàng)新，也與完善產(chǎn)業(yè)激勵與保障政策密切相關(guān)，包括5個方面。

(1) 煤層氣長期沒有實現(xiàn)效益開發(fā)，業(yè)界內(nèi)外逐漸失去耐心。任何一個產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步都可以總結(jié)為技術(shù)時代、產(chǎn)品時代、市場時代三段式循環(huán)發(fā)展規(guī)律，然后通過產(chǎn)業(yè)升級重新回到技術(shù)時代。美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程詮釋了這一客觀規(guī)律，其中技術(shù)探索期長達(dá)近百年，大產(chǎn)業(yè)形成經(jīng)歷了漫長發(fā)展瓶頸期。與此相比，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)20世紀(jì)80年代末期起步，歷經(jīng)20余年美國工藝技術(shù)引進(jìn)消化期后于2003年開始商業(yè)化生產(chǎn)，目前仍處于復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性工藝技術(shù)探索階段，雖然目前地面井產(chǎn)量尚未突破百億m大關(guān)，但取得的科技進(jìn)步、產(chǎn)氣成效和奠定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)客觀存在(上述)，大產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前正處于“爬坡”關(guān)鍵時期，需要耐心。正如羅平亞院士(2013)指出的那樣，盡管目前我國煤層氣發(fā)展處于十分困難的時期，但必須堅定信念、毫不動搖、加強(qiáng)基礎(chǔ)、創(chuàng)新思維，堅持煤層氣開采理論及應(yīng)用技術(shù)的深入研究。

(2) 高效低成本勘探開發(fā)技術(shù)體系逐漸形成，但單井產(chǎn)量倍增總體上尚未實現(xiàn)。煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)必須低成本成倍增加單井產(chǎn)量，我國煤系氣產(chǎn)業(yè)尚處于單井產(chǎn)量提高階段。美國2001年煤層氣產(chǎn)量442.31億m，生產(chǎn)井約15 000口，單井日均產(chǎn)氣量8 078 m/d。我國近年來煤層氣新鉆井很少，截至2020年底生產(chǎn)井12 880口，單井日均產(chǎn)量1 227 m，僅有美國20 a前的1/6.58(表2)。我國業(yè)界經(jīng)常強(qiáng)調(diào)地質(zhì)條件復(fù)雜性，這是一種消極應(yīng)對心態(tài)，關(guān)鍵在于通過基礎(chǔ)研究與技術(shù)探索，找到針對性解決方案，實現(xiàn)單井產(chǎn)量倍增，帶動產(chǎn)能到位率(截至2018年僅59.4%)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模性發(fā)展。直接而言，需要進(jìn)一步改變技術(shù)研發(fā)思路，高度重視適用性技術(shù)嘗試，而非單純追求理論和技術(shù)創(chuàng)新。

表2 中美兩國煤層氣生產(chǎn)效率對比(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[1,7,56])

(3)強(qiáng)調(diào)煤層氣資源探明數(shù)量，對儲量動用率關(guān)注不夠。2020年底，全國煤層氣保有探明地質(zhì)儲量7 259.11億m；2020年地面井煤層氣產(chǎn)量57.67億m，儲采比高達(dá)126。美國煤層氣商業(yè)化開發(fā)頭一年(1989年)儲采比為40，1990年煤層氣產(chǎn)量56億m時儲采比為26，產(chǎn)量最高年份(2008年，556.71億m)儲采比為11，2017年產(chǎn)量278億m時儲采比僅12(圖7)。相比之下，我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢的原因，并非探明儲量不足或資源探明率太低，也非后備基地不足，有效開發(fā)促進(jìn)大產(chǎn)業(yè)形成的關(guān)鍵，在于核實探明儲量優(yōu)質(zhì)資源及提高現(xiàn)有探明資源動用率。

圖7 美國歷年煤層氣產(chǎn)量與儲采比之間關(guān)系(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[5])Fig.7 Relationship between CBM production and reserve production ratio in the United States over the years(data from Reference [5])

(4) 注重傳統(tǒng)領(lǐng)域攻堅克難，新領(lǐng)域新方向探索力度不足。我國業(yè)界多年來強(qiáng)調(diào)煤層氣資源稟賦不如北美，專注在“劣質(zhì)”資源背景下尋找“優(yōu)質(zhì)儲層”，致力于復(fù)雜地質(zhì)條件、構(gòu)造煤儲層等傳統(tǒng)領(lǐng)域攻堅克難，實質(zhì)上陷入了一種思維定勢，導(dǎo)致“事倍功半”。回顧澳大利亞煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史，或許能為我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)提供啟示。澳大利亞曾在4個州15個盆地開展煤層氣勘探與開發(fā)試驗，目前生產(chǎn)集中在昆士蘭州，2019年產(chǎn)量401.29億m，成為當(dāng)今世界最大煤層氣生產(chǎn)國(圖8)。其中，蘇拉特盆地產(chǎn)量315.88億m，占全澳產(chǎn)量的78%。事實上，蘇拉特盆地前期受到忽視，2000年才啟動煤層氣勘探，原因在于目標(biāo)層系中侏羅統(tǒng)瓦隆組厚煤層不甚發(fā)育，100余個煤層中單層厚度小于0.3 m煤層的占煤層總數(shù)比例高達(dá)90%。然而，2019年，蘇拉特盆地生產(chǎn)井5 818口，以直井裸眼合采為主，井均產(chǎn)氣量14 875 m/d，是我國平均水平的12倍。我國多個盆地和層系煤系氣地質(zhì)條件與蘇拉特盆地相似，如果轉(zhuǎn)變思維“趨利避害”，則有可能實現(xiàn)事半功倍。

圖8 澳大利亞昆士蘭州煤層氣產(chǎn)量(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[92])Fig.8 CBM production in Queensland,Australia over the years (data quoted from Reference [92])

(5)不同類型煤系氣礦業(yè)權(quán)單獨(dú)設(shè)置，約束了煤系氣高效綜合開發(fā)。煤系氣泛指賦存在煤系中的各類天然氣，主要為煤層氣及煤系砂巖氣、煤系頁巖氣。如前所述，我國煤系砂巖氣與煤系頁巖氣資源量之和大于107萬億m，全國煤系氣資源總量超過178萬億m，是支撐大產(chǎn)業(yè)建設(shè)的資源基礎(chǔ)。按我國現(xiàn)行油氣資源管理制度，煤層氣、頁巖氣、常規(guī)天然氣分屬不同獨(dú)立礦種，分別授予礦業(yè)權(quán)，致密砂巖氣納入常規(guī)天然氣范疇管理。不可回避的是，煤系作為一個相對獨(dú)立的地下天然氣聚集體系，構(gòu)成煤層氣、煤系頁巖氣和煤系致密砂巖氣的綜合地質(zhì)載體，單一氣種開采浪費(fèi)資源且投入產(chǎn)出效益低，巖性頻繁互層條件下無法做到單獨(dú)開采。同時，煤層氣企業(yè)在現(xiàn)有煤層氣區(qū)塊生產(chǎn)的煤系致密砂巖氣產(chǎn)量逐年增大，2020年超過了煤層氣產(chǎn)量的70%。然而，這一部分煤系氣產(chǎn)量目前不能完全納入國家對非常規(guī)天然氣的財稅補(bǔ)貼范疇，影響到企業(yè)和投資人對煤系氣綜合開發(fā)的積極性。

5 建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)宏觀建議

國內(nèi)專家高度關(guān)注煤系氣產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展，近期提出了極有見地的戰(zhàn)略建議，為筆者框架性思考提供了極有價值的啟發(fā)和借鑒。同時，我國煤系氣資源數(shù)量與當(dāng)前產(chǎn)量存在的巨大反差，一方面說明有效開發(fā)建設(shè)大產(chǎn)業(yè)仍面臨技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等一系列重大挑戰(zhàn)，另一方面也昭示煤系氣“增儲上產(chǎn)”的可觀潛力以及保障國家能源安全的長遠(yuǎn)價值。

5.1 我國煤系氣有效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向

適用技術(shù)是高效低成本開發(fā)我國不同地質(zhì)條件煤系氣資源的惟一途徑。本著這一指導(dǎo)思想，結(jié)合對困難和問題的上述分析，認(rèn)為發(fā)展5方面關(guān)鍵技術(shù)將助力我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)。

(1) 煤礦井下瓦斯低成本高效抽采關(guān)鍵技術(shù)。煤炭仍將是我國未來幾十年的基礎(chǔ)能源，量大面廣的煤礦瓦斯抽采利用是煤系氣大產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成。為了區(qū)域達(dá)標(biāo)以及保證煤炭采區(qū)及時接替，煤礦瓦斯抽采傳統(tǒng)上多以成本換達(dá)標(biāo)、以密集布孔換時間，成本高昂。例如，平頂山礦區(qū)采用高抽巷+井下鉆孔抽采工藝，瓦斯治理成本在東部礦區(qū)為44.4～150.5元/t煤(平均73.8元/t煤)，西部礦區(qū)在11.8～50.3元/t煤之間(平均28.2元/t煤)。如果考慮噸煤安全提取費(fèi)用，瓦斯治理成本還會進(jìn)一步拉高。就此而言，研發(fā)完善低成本高效煤礦井下瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)，是助推煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)的重大科技需求之一。

(2)老區(qū)煤層氣井改造與增儲提產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)。截至2021年8月底，沁水、鄂爾多斯盆地東緣兩大基地建成產(chǎn)能142億m/a，但日產(chǎn)量低于500 m/d的低效井在生產(chǎn)井中占比約50%，產(chǎn)能到位率僅58%，低品位儲量動用難度較大。相關(guān)區(qū)塊近年來嘗試傳統(tǒng)技術(shù)(如二次壓裂、CO吞吐、氮?dú)鈹_動、酸化解堵等)和新技術(shù)(如可控沖擊波)相結(jié)合方式，開展小規(guī)模老井改造試驗，產(chǎn)量倍增效果顯著，一方面證實了老井改造技術(shù)可行性和增產(chǎn)潛力，另一方面展示出發(fā)展適應(yīng)性技術(shù)的重要性。但是，就全國范圍而言，現(xiàn)有技術(shù)對不同區(qū)塊地質(zhì)條件的適應(yīng)性不明，新技術(shù)成熟度需要更大范圍的先導(dǎo)性試驗予以提升。全國低效井日產(chǎn)氣量如果通過2次改造、排采制度優(yōu)化等實現(xiàn)倍增，無疑將對大產(chǎn)業(yè)形成做出大額貢獻(xiàn)，是建設(shè)煤系氣大產(chǎn)業(yè)的最現(xiàn)實途徑。

圖9 深部煤系氣賦存態(tài)轉(zhuǎn)化模式Fig.9 Transformation pattern of occurrence state of deep coal measure gas

(3) 深部煤系氣優(yōu)質(zhì)儲層評價與開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。全國埋深大于1 000 m煤層氣地質(zhì)資源量59.58萬億m，包括可采資源量18.03萬億m；煤系砂巖氣和頁巖氣主要賦存在深部，資源量至少是煤層氣的1.5倍以上。同時，近年來研究成果改變了過去對深部煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件的傳統(tǒng)認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)較高地層溫度導(dǎo)致游離氣比例顯著增高(圖9)，煤儲層滲透率與地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)而非僅受埋深控制，較高地應(yīng)力與地層溫度耦合致使深部儲層能量極高，深部弱富水高能量儲層條件適合于煤系氣“排氣降壓”開采，深部煤層氣富集高滲條件受到微構(gòu)造高點(diǎn)控制。相關(guān)認(rèn)識已被我國近年來現(xiàn)場試驗陸續(xù)證明，深部井“見氣時間短、見氣時壓力高、見氣后產(chǎn)液量少”；一批深度在1 300～2 400 m的煤系氣井產(chǎn)出了4 000 m/d的高產(chǎn)氣流，部分井最高日產(chǎn)氣量高達(dá)數(shù)萬m。也就是說，深部煤系氣具有良好的有效開發(fā)地質(zhì)條件，是促進(jìn)我國形成煤系氣大產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實新領(lǐng)域，但是適應(yīng)性勘探開發(fā)技術(shù)尚處于探索階段，急需持續(xù)科技攻關(guān)并加大現(xiàn)場試驗力度。

(4)薄互層煤系氣勘探與有序開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。尋找新領(lǐng)域新層系，采用常規(guī)適應(yīng)性成熟技術(shù)實現(xiàn)煤系氣高效開發(fā)，有可能促進(jìn)大產(chǎn)業(yè)建設(shè)“事半功倍”。我國前期忽視薄互層煤系天然氣的巨大潛力，澳大利亞蘇拉特盆地侏羅系瓦隆組薄互層煤系氣規(guī)模性開發(fā)提供了成功范例，即：薄互層煤系具有發(fā)育富集高滲煤系氣復(fù)合儲集體的地質(zhì)條件，效益開發(fā)潛力可觀。初步分析，我國內(nèi)蒙古東部上白堊統(tǒng)大磨拐河組及相當(dāng)層位煤系、鄂爾多斯盆地西緣—河西走廊地區(qū)上石炭統(tǒng)羊虎溝組、楚雄盆地上三疊統(tǒng)一平浪組等，煤系氣開發(fā)地質(zhì)條件與蘇拉特盆地瓦隆組有相似之處，值得探索。然而，目前我國該方面研究和現(xiàn)場試驗剛開始起步，薄互層煤系氣聚集特點(diǎn)、分布規(guī)律及優(yōu)質(zhì)層段地質(zhì)控制機(jī)理尚不十分清楚，高滲甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測、勘探及有效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系尚未建立，開展科技攻關(guān)及先導(dǎo)試驗是揭示并釋放這一巨大潛力的必由途徑。

(5)煤炭地下氣化-煤系氣聯(lián)采關(guān)鍵技術(shù)。煤炭地下氣化具有低成本、高產(chǎn)氣速率、運(yùn)行可控、環(huán)境影響小的特點(diǎn)。1 t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放熱量相當(dāng)于800 m標(biāo)準(zhǔn)天然氣，一個地下氣化爐每天可生產(chǎn)數(shù)萬m合成粗氣，地下氣化爐群產(chǎn)氣能力十分可觀?；谖覈S富的煤炭資源開展地下氣化，同時利用地下爐腔釋放余熱聯(lián)合開采爐腔上覆地層煤系氣(熱采)，可能有效開發(fā)我國廣泛發(fā)育的極低滲儲層煤系氣資源。為此，煤炭地下氣化近年來受到我國油氣行業(yè)高度關(guān)注。然而，煤炭地下氣化集建井、采礦、轉(zhuǎn)化“三位”為一體，類似于將地面煤氣化工廠建設(shè)在地下，全產(chǎn)業(yè)鏈涉及地質(zhì)、采煤、工程熱物理、能源化工、環(huán)境保護(hù)以及探測監(jiān)控等諸多學(xué)科，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)油氣工程更為復(fù)雜。同時，地下水環(huán)境保護(hù)、氣化爐穩(wěn)定性、深部地下氣化運(yùn)行控制是煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)化面臨的3個技術(shù)瓶頸，煤炭地下氣化-煤系氣聯(lián)合開采技術(shù)框架尚未確定，通過科技攻關(guān)突破技術(shù)瓶頸，有望為煤系氣大產(chǎn)業(yè)建設(shè)另辟蹊徑。

5.2 關(guān)于建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)國家政策的建議

經(jīng)濟(jì)性是企業(yè)參與和多元化投資格局形成的根本動力，機(jī)制創(chuàng)新是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的保障基礎(chǔ)。僅就煤層氣而言，國家產(chǎn)業(yè)政策已經(jīng)相對完善，財稅優(yōu)惠和激勵措施相對到位。然而，在煤系氣層面上，煤系各類天然氣分屬不同獨(dú)立礦種，開發(fā)利用項目分別形成獨(dú)立配套政策措施體系，煤層氣享受政策更為優(yōu)惠(開采利用量獎補(bǔ)在頁巖氣標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上乘1.2系數(shù))，但煤系氣相關(guān)配套政策措施優(yōu)化協(xié)調(diào)問題尚未解決。鑒于此，欲要實現(xiàn)煤系氣有效開發(fā)進(jìn)而形成大產(chǎn)業(yè)，一方面需要延續(xù)目前行之有效的產(chǎn)業(yè)政策，另一方面補(bǔ)充完善欠缺措施。

(1) 持續(xù)實施國家科技重大專項計劃，助推煤系氣大產(chǎn)業(yè)盡快形成。建議改變單純以共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為目標(biāo)的傳統(tǒng)思維，采用“基地建設(shè)+適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)”組織思路，面向擬建設(shè)“基地”特定開發(fā)地質(zhì)條件，以單井產(chǎn)量倍增為核心，以發(fā)展適應(yīng)性低成本高效勘探開發(fā)技術(shù)為目標(biāo)，依托產(chǎn)業(yè)骨干支撐企業(yè)，聯(lián)合研究積累深厚的科研機(jī)構(gòu)和高校，以“五率(資源動用率，單井提升率，有效建產(chǎn)率，產(chǎn)能達(dá)成率，產(chǎn)量提升率)”為約束或考核指標(biāo)，以“示范工程+先導(dǎo)試驗”為主要實施方式，針對上述五方面關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向組織實施煤系氣國家科技重大計劃，突破適應(yīng)性技術(shù)瓶頸，形成支撐我國煤系大產(chǎn)業(yè)建設(shè)的差異化關(guān)鍵工藝技術(shù)體系。

(2) 先行先試煤系氣礦業(yè)權(quán)合一制度，激勵煤系氣潛力充分釋放。煤系構(gòu)成一個相對獨(dú)立的地下天然氣聚集體系，符合以賦存地層特點(diǎn)設(shè)立獨(dú)立礦種的自然條件。更為重要的是，煤系氣潛力充分釋放事關(guān)有效開發(fā)形成大產(chǎn)業(yè)的國家重大需求，而我國目前面臨煤系多類天然氣礦業(yè)權(quán)分置而阻礙煤系氣有效開發(fā)的產(chǎn)業(yè)政策困局。建議充分利用國家油氣礦業(yè)權(quán)改革及管理層級下移契機(jī)，重點(diǎn)面向煤系氣綜合勘查開發(fā)需求，試行煤系多氣礦業(yè)權(quán)合一管理制度，將所有類型煤系氣統(tǒng)一視為一個獨(dú)立礦種，在少量公益性勘查與資源潛力評估或者原有礦業(yè)權(quán)區(qū)塊整合梳理基礎(chǔ)上，規(guī)劃和投放部分煤系氣綜合礦業(yè)權(quán)區(qū)塊，同時享受國家現(xiàn)行及今后可能出臺的非常規(guī)天然氣財稅優(yōu)惠激勵政策，在有條件的省區(qū)及骨干支撐企業(yè)試行完善后予以推廣。

6 結(jié) 論

(1) 建設(shè)我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)具有三大戰(zhàn)略價值，一是大產(chǎn)業(yè)可能構(gòu)成彌補(bǔ)國家天然氣巨大供需缺口的基石之一，二是大產(chǎn)業(yè)建設(shè)將持續(xù)助力我國主體能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，三是煤系氣有效開發(fā)利用將助推國家“雙碳”目標(biāo)得以實現(xiàn)。

(2) 建成我國煤系氣大產(chǎn)業(yè)具有四大可能性，包括國家對天然氣清潔能源的強(qiáng)大需求驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)發(fā)展具備雄厚的煤系氣資源基礎(chǔ)、已經(jīng)形成了較為扎實的產(chǎn)業(yè)布局以及初步具備了面向我國不同地質(zhì)條件煤系氣勘探開發(fā)的科技儲備。

(3) 我國煤系氣有效開發(fā)存在五大問題需要正視，一是業(yè)內(nèi)外對產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏耐心，二是單井產(chǎn)量倍增尚未總體實現(xiàn)，三是高度關(guān)注煤系氣資源儲量動用率的提高，四是加大對新領(lǐng)域新方向的探索力度，五是消除不同類型煤系氣礦業(yè)權(quán)單獨(dú)設(shè)置的約束。

(4) 提出了2個方面7項戰(zhàn)略建議。就技術(shù)發(fā)展方向而言，建議支持煤礦井下瓦斯低成本高效抽采、老區(qū)煤層氣井改造與增儲提產(chǎn)、深部煤系氣優(yōu)質(zhì)儲層評價與開發(fā)、薄互層煤系氣勘探與有序開發(fā)、煤炭地下氣化-煤系氣聯(lián)采等5項關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)。建議延續(xù)或完善2項產(chǎn)業(yè)政策，一是持續(xù)組織實施煤系氣國家科技重大計劃，二是先行先試煤系氣礦業(yè)權(quán)合一礦管措施。

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