山西省煤成氣勘查開發(fā)現(xiàn)狀及探索

龔杰立 ，李國富 ，李德慧 ，劉亮亮 ，王 爭 ，徐 云 ，王旭超

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；2.山西省礦產(chǎn)資源調查監(jiān)測中心，山西 太原 030024；3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030031；4.中國石油工程建設有限公司，北京 100120)

我國富煤、貧油、少氣的能源結構，不利于社會發(fā)展、環(huán)境保護及國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展[1]。2010 年我國天然氣對外依存度不足10%，近年來伴隨國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，2020 年我國天然氣對外依存度已達到43%[2]。

山西省在2019 年被確定為能源革命綜合改革試點地區(qū)，與煤炭伴生的煤成氣資源成為山西省進行能源革命的重要抓手之一。煤成氣包括煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣，“三氣并舉”有助于實現(xiàn)全省轉型發(fā)展戰(zhàn)略目標。自2017 年國家通過《礦業(yè)權出讓制度改革方案》，將煤層氣探礦權和采礦權下放至煤層氣資源稟賦較好的山西、新疆、貴州等6 個省區(qū)開展試點以來[3]，山西在煤層氣開發(fā)利用方面取得較大發(fā)展。為積極響應國家增儲上產(chǎn)七年行動計劃，目前全國煤層氣勘探開發(fā)正如火如荼進行，但均面臨或經(jīng)歷著山西在煤層氣勘探開發(fā)方面的發(fā)展問題，突出體現(xiàn)在：煤層氣和煤炭兩種資源重疊導致的矛盾；資源條件復雜且成功經(jīng)驗的技術移植性差；企業(yè)效益不佳，利潤低，投資步伐緩慢；地面治理效果不及預期等；以上種種因素導致我國煤層氣(瓦斯)經(jīng)多年發(fā)展仍未達預期[4-6]。眾多學者針對我國煤層氣產(chǎn)量多年未達預期的問題開展了深入研究。介丁非等[7]針對我國煤層氣勘探開發(fā)從政策、技術、資源、地質、增產(chǎn)等多個方面進行了研究；張遂安等[8]結合中國煤層氣增產(chǎn)技術發(fā)展現(xiàn)狀，提出了裂縫非線性動態(tài)擴展機理、地應力場反演與重定向理論、壓裂液的流變調控和微地震數(shù)據(jù)噪聲甄別等6 項亟需攻關的科學問題，展望了中國煤層氣增產(chǎn)技術的發(fā)展趨勢。孫欽平等[9]分析了國內(nèi)外煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成功經(jīng)驗與失敗教訓，從影響我國煤層氣產(chǎn)量增長方面探討當前產(chǎn)業(yè)存在的若干問題，分析未來中國煤層氣持續(xù)發(fā)展的重要領域和方向，提出我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展5 項對策建議。2020 年，山西省打響煤成氣增儲上產(chǎn)三年行動大會戰(zhàn)，國家非常規(guī)天然氣基地建設全面提速，在此新形勢下，筆者通過對山西省煤成氣勘查開發(fā)現(xiàn)狀、勘查開采管理制度改革、煤成氣地面開發(fā)與煤礦瓦斯治理方面的有益探索及取得的成功經(jīng)驗進行分析，為全國煤成氣開發(fā)利用提供經(jīng)驗借鑒。

1 山西省煤成氣勘查開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 煤成氣資源勘查

山西是煤炭資源大省，煤炭中蘊藏豐富的煤層氣，其中，沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣為國內(nèi)各大煤層氣開發(fā)企業(yè)的長期主要勘探開發(fā)區(qū)[6]。根據(jù)2021 年9 月18 日自然資源部發(fā)布的《全國石油天然氣資源勘查開采通報(2020 年度)》，2020 年全國煤層氣新增探明地質儲量673.13 億m3，同比增長950.5%，新增探明儲量來自沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣。至2020 年底，全國歷年累計探明煤層氣地質儲量7 259 億m3，探明技術可采儲量3 633 億m3，其中山西省探明煤層氣地質儲量6 465 億m3，占比超全國的89%，探明技術可采儲量3 232 億m3，占比為全國的近89%。

山西省在深部煤成氣勘查方面實現(xiàn)多點突破，其中2017 年榆社?武鄉(xiāng)區(qū)塊煤層氣、頁巖氣綜合勘查項目，初步預測煤層氣、頁巖氣資源總量約5 000 億m3，屬于超大型氣田[10]。鄂爾多斯盆地東緣歷年累計探明天然氣地質儲量2 772 億m3，其中臨興氣田1 796.75 億m3。鄂爾多斯盆地東緣歷年累計探明煤層氣、致密砂巖氣地質儲量5 314 億m3，延川南區(qū)塊歷年累計探明煤層氣地質儲量208 億m3。保德區(qū)塊歷年累計探明煤層氣地質儲量615 億m3。

山西大力發(fā)展煤成氣的同時也將煤炭采空區(qū)煤層氣開發(fā)作為增儲上產(chǎn)的重要補充，2017 年山西省探明具開發(fā)價值的煤炭采空區(qū)面積約2 052 km2，預測殘余采空區(qū)煤層氣資源量約726 億m3，其中西山、陽泉、武夏、潞安、晉城、霍東和離柳7 個礦區(qū)內(nèi)的煤炭采空區(qū)煤層氣含量較高，采空區(qū)面積達870 km2，預測煤層氣資源量約303 億m3[11-12]。

1.2 地面煤成氣開發(fā)

1.2.1煤層氣

據(jù)自然資源部發(fā)布的《全國石油天然氣資源勘查開采通報(2020 年度)》統(tǒng)計，2020 年全國地面開發(fā)煤層氣產(chǎn)量為57.67 億m3，同比增長5.6%，產(chǎn)量主要來自沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣，當前全國的煤層氣開發(fā)仍主要集中于山西省，山西煤層氣產(chǎn)業(yè)的建設和發(fā)展對中國整個煤層氣產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。

1.2.2致密砂巖氣

致密氣與煤層氣、頁巖氣均屬非常規(guī)天然氣，前期在臨興區(qū)塊施工的L-4 井在太2 段鉆遇厚度達11.3 m 的氣層，射孔后在未壓裂情況下測試日產(chǎn)氣量達119 520 m3，太2 段顯示出較大的勘探開發(fā)潛力[13]。中聯(lián)煤層氣公司在規(guī)?；_發(fā)中實行甜點區(qū)一體化滾動建設，獲取的日產(chǎn)氣無阻流量平均5.8 萬m3，建成的2 個一體化區(qū)年生產(chǎn)能力達3 億m3[14]。當前臨興區(qū)塊已累計鉆井526 口，建設場站11 座，鋪設管線483 km，臨興區(qū)塊運行229 口井，實現(xiàn)年產(chǎn)量近7.3 億m3，2020 年臨興區(qū)塊實現(xiàn)天然氣日產(chǎn)量超500 萬m3，投產(chǎn)后累計供應天然氣18.36 億m3，2021 年最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)塊某一單井日產(chǎn)氣無阻流量近百萬m3。中石油煤層氣公司在鄂爾多斯盆地東緣山西境內(nèi)建設開發(fā)的煤系氣整裝氣田超千億m3，年產(chǎn)能超10 億m3[15]。

1.2.3采空區(qū)煤層氣抽采

開展廢棄礦井地面煤層氣抽采，對提高廢棄礦井煤層氣資源利用率，助力增儲上產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。山西省在廢棄礦井采空區(qū)地面抽采方面已建成覆蓋晉城、西山、陽泉和晉中左權4 個礦區(qū)的廢棄礦井地面煤層氣抽采井累計100 余口，累計利用約1.3 億m3[16]。目前正在運行的廢棄礦井地面煤層氣抽采井共70 余口，日產(chǎn)氣量達16.9 萬m3，真正實現(xiàn)了采空區(qū)煤層氣抽采項目從空白到規(guī)?；l(fā)展。

2 山西省煤成氣開發(fā)利用探索

2.1 煤層氣勘查開發(fā)面臨的現(xiàn)實問題

前期山西省在煤層氣勘查開發(fā)方面取得了較大成效，但隨著深部煤成氣勘查開發(fā)成為重點發(fā)展方向，煤成氣勘查開發(fā)政策、深部煤成氣開發(fā)關鍵技術等問題亟待解決，以提高煤層氣開發(fā)主體的勘探開發(fā)積極性，實現(xiàn)山西省非常規(guī)天然氣基地建設目標。

2.1.1政策滯后性

首先是煤層氣勘探開發(fā)主體在辦理煤層氣資源勘查開采行政許可的過程相對滯后，辦證所需要件多、手續(xù)辦理復雜繁瑣，以煤層氣開發(fā)項目建設為例，項目建設過程中需辦理各項手續(xù)批復文件、證書等73 項。其次是現(xiàn)行煤層氣扶持優(yōu)惠政策出臺較早，無法適應山西省進行深部煤成氣勘查開發(fā)的發(fā)展現(xiàn)狀，對煤層氣開發(fā)主體激勵性偏低，煤層氣開采成本與供氣價格倒掛，使企業(yè)勘查開發(fā)的投資積極性變?nèi)酢?/p>

2.1.2技術適應性

深部煤成氣資源賦存條件復雜，對深部煤成氣勘查開發(fā)的技術要求更高，但當前地面勘探開發(fā)關鍵技術無法實現(xiàn)成功復制，地面排采關鍵技術尚未實現(xiàn)整體性突破；開發(fā)區(qū)低成本高效建產(chǎn)工程技術有待進一步研究；煤層氣和致密氣老區(qū)長效穩(wěn)產(chǎn)工程技術亟需解決；地質工程一體化認識和低成本鉆井、壓裂、采氣等實現(xiàn)效益開發(fā)的工藝技術體系有待進一步研究，技術適應性嚴重影響了行業(yè)利潤水平和競爭能力[17-18]。

2.2 勘查開發(fā)體制機制改革

山西省通過煤層氣管理體制改革，以暢通煤層氣勘探開發(fā)管理體制機制，解決煤層氣管理權不匹配、“圈而不探”“占而不采”的頑疾，激發(fā)山西省煤層氣勘探開發(fā)活力[5]。

2017 年8 月，山西省發(fā)布全國首個省級煤層氣勘查開發(fā)專項規(guī)劃《山西省煤層氣資源勘查開發(fā)規(guī)劃(2016—2020 年)》，對煤層氣作為獨立礦種進行規(guī)劃，其中涵蓋煤層氣、煤炭礦業(yè)權、煤炭采空區(qū)、含煤地層等含氣區(qū)域，適度兼顧與煤系天然氣(致密砂巖氣)、頁巖氣等氣體礦產(chǎn)的統(tǒng)籌開發(fā)，是全國油氣類規(guī)劃的重要實踐創(chuàng)新和探索[19]。

2020 年4 月山西省頒發(fā)《山西省煤成氣開采項目審批流程(試行)》，以解決煤成氣項目審批職能部門和管理層級多、審批周期長的問題，推行全省市/縣“一枚印章管審批”，在市/縣即可實現(xiàn)大多數(shù)審批事項的辦理。

2020 年5 月山西省開始施行《山西省煤層氣勘查開采管理辦法》，規(guī)定了煤層氣探礦權的延續(xù)及最低工作量，通過規(guī)范煤層氣資源的勘查開采以促進山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展，開展煤成氣綜合開發(fā)[9]?！渡轿魇∶簩託饪辈殚_采管理辦法》鼓勵更多企業(yè)投資參與煤層氣勘查開采；鼓勵企業(yè)加快勘查；簡化礦業(yè)權審批登記，取消“試采報批”，減少采礦登記要件；鼓勵零散氣利用，減少直排和空燒；推進煤層氣項目進入政務服務一體化平臺審批，大幅壓縮報批耗時；鼓勵“三氣”綜合評價和利用，實現(xiàn)多氣同采共輸，以降低基礎建設成本；大幅提高“最低勘查投入標準”和“勘查開采透明度”；對低于最低勘查投入規(guī)定要求的探礦權，不予辦理延續(xù)登記；以提高礦權流轉率，促使礦權人加大投入[20]。

為實現(xiàn)增儲目標，促進山西省煤層氣勘探開發(fā)，山西省依照《關于委托山西省國土資源廳在山西省行政區(qū)域內(nèi)實施部分煤層氣勘查開采審批登記的決定》和《關于委托山西省等6 個省級國土資源主管部門實施原由國土資源部實施的部分礦產(chǎn)資源勘查開采審批登記的決定》文件精神，在2017 年至2019 年3 年內(nèi)通過競價招標的方式掛牌競爭出讓多個煤層氣探礦權(表1)，同時為解決資源利用率不高的問題，山西省推行了煤層氣礦業(yè)權退出機制。

表1 2017—2019 年山西省煤層氣礦區(qū)出讓情況Table 1 Transfer of CBM mining areas in Shanxi Province from 2017 to 2019

2.3 技術創(chuàng)新破解開發(fā)“瓶頸”，助力增儲上產(chǎn)

煤層氣開發(fā)實現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化技術創(chuàng)新是關鍵，2020 年度山西省科技重大專項指南提出，將通過5 個重點方向的科技攻關來突破山西省非常規(guī)天然氣開發(fā)理論和技術的瓶頸，最終形成一批具有國際領先的非常規(guī)天然氣探采用技術。

山西省《煤成氣增儲上產(chǎn)專項資金管理暫行辦法的通知》中強化了煤成氣增儲上產(chǎn)專項資金的管理，支持加快建設煤成氣產(chǎn)業(yè)化技術和示范應用攻關項目、創(chuàng)新平臺建設項目等，其中煤成氣專項資金只針對新增的儲量和產(chǎn)量補貼，提高了企業(yè)對煤成氣增儲上產(chǎn)的積極性。

單井產(chǎn)量低、資源動用率低、產(chǎn)能轉化率低是制約煤層氣基地產(chǎn)業(yè)化建設開發(fā)的主要因素[21]。為實現(xiàn)煤層氣商業(yè)化運作，煤層氣開發(fā)主體在各區(qū)塊內(nèi)進行了積極探索。

延川南地處鄂爾多斯盆地東緣南段河東煤田南部，區(qū)內(nèi)探明面積達251 km2，探明地質儲量為208 億m3，平均井深超1 300 m，中石化臨汾煤層氣公司基于延川南深部煤儲層大埋深、高煤階、低孔隙度、低滲透率，儲層壓力系數(shù)低的地質特點，建立了深部高階煤煤層氣勘探開發(fā)地質理論、深部煤層氣分區(qū)評價技術、深部煤層氣開發(fā)的排采制度、深部煤層氣低成本工程工藝技術系列,通過科技攻關探索構建了以提高資源動用率為核心的地質工程一體化增效技術體系，試驗的21 口井中19 口井實現(xiàn)單井日增產(chǎn)400 m3。經(jīng)多年精細化管控，延川南地區(qū)單井平均日產(chǎn)氣量超1 300 m3,區(qū)塊日產(chǎn)氣量超100 萬m3，實現(xiàn)了延川南區(qū)塊深部煤層氣的商業(yè)化開發(fā)[22-28]。

中石油煤層氣公司緊抓山西省煤成氣增儲上產(chǎn)發(fā)展機遇，探索形成了埋深800 m 以淺的煤層氣勘探開發(fā)技術。具體包括：煤層氣地質選區(qū)評價技術系列，煤層氣高效建產(chǎn)區(qū)優(yōu)選的地震采集和處理技術，儲層保護與井壁穩(wěn)定一體化的煤層氣水平井鉆完井技術，針對“低強度、高濾失、易傷害、裂縫復雜”煤層的壓裂增產(chǎn)技術，以井底流壓為核心的煤層氣智能排采技術，煤層氣“三低”集輸工藝等。推進老區(qū)產(chǎn)能挖潛，保德區(qū)塊在年生產(chǎn)能力5.5 億m3基礎上實施“蜜點”挖潛，新井滾動擴邊年產(chǎn)能增加0.8 億m3，其作為我國首個大型中低階煤煤層氣田，歷年累計探明地質儲量615 億m3[29-33]。

中石油煤層氣公司在鄂爾多斯盆地東緣確立大吉、石樓西、三交北為煤成氣上產(chǎn)主戰(zhàn)場，通過建立地質工程一體化平臺，整體效率提升30%，致密氣動儲采用水平井分段壓裂技術，針對儲層物性特征，優(yōu)化壓裂工藝，形成了適應不同砂巖儲層的改造工藝和改造方法。排采階段依據(jù)致密氣低壓、低產(chǎn)、小水量的生產(chǎn)特征，形成“以泡排為主、柱塞氣舉和速度管為輔”的排水采氣工藝體系。中石油煤層氣公司所屬的三交區(qū)塊年產(chǎn)氣達1.02 億m3、三交北區(qū)塊年產(chǎn)氣達1.5 億m3、石樓西區(qū)塊年產(chǎn)氣達8.2 億m3，大寧?吉縣(臨汾)區(qū)塊年產(chǎn)氣達6.4 億m3。

中石油華北油田煤層氣公司堅持技術創(chuàng)新驅動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，堅定“一定、二探、三落實”的勘探評價技術路線，深入研究中深部煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律，對控產(chǎn)要素綜合預測進行創(chuàng)新，煤層氣勘探評價實現(xiàn)了由“廣撒網(wǎng)式”向“探尋高效優(yōu)質儲量”轉移，持續(xù)提升儲量品位，沁水盆地煤層氣儲量動用程度由“十二五”的10% 提升至“十三五”的43%，新增探明儲量超700 億m3，累計提交煤層氣探明地質儲量2 386 億m3。

中石油華北油田煤層氣公司開展的高階煤煤層氣成藏及控產(chǎn)機理研究，形成了成藏地質、勘探評價、“四要素”控產(chǎn)、“疏導式”排采控制等理論，創(chuàng)新了集“勘探、鉆井、壓裂、排采、集輸”于一體的煤層氣配套工程技術體系，為煤層氣開發(fā)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供了技術支撐。鄭莊老區(qū)開展低效區(qū)開發(fā)先導試驗，對水平井施行交互式壓裂，堅持疏導式排采管控，單井平均日產(chǎn)氣量達到8 500 m3，周邊部分垂直井單井日增產(chǎn)550 m3，盤活鄭莊老區(qū)低效區(qū)煤層氣儲量70 億m3，建立起國內(nèi)煤層氣低效區(qū)資源盤活示范區(qū)[34-35]。2021 年6 月，華北油田山西煤層氣分公司日產(chǎn)氣量突破400 萬m3，日產(chǎn)氣量較年初增加超50 萬m3。

中聯(lián)煤層氣公司沁水盆地南部區(qū)塊通過降壓提產(chǎn)、儲層改造、煤粉解堵和新技術應用等措施，保證了潘莊老區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，薄煤層開發(fā)取得突破，單井平均日產(chǎn)氣量6 149 m3，呈現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛力，為增儲上產(chǎn)目標的實現(xiàn)提供了保證，儲量方面，截至2020 年底，已形成晉南、晉中、晉西陜東3 個主要儲量區(qū)[14]。

2.4 “三氣共采”激發(fā)勘探開發(fā)積極性

煤巖系中蘊含豐富的煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣，通過技術創(chuàng)新實現(xiàn)“三氣共采”，可提高單井經(jīng)濟效益，激發(fā)企業(yè)勘探開發(fā)積極性，促進煤成氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在國家增儲上產(chǎn)“七年行動計劃”及山西省煤成氣增儲上產(chǎn)三年行動的合力推動下。各煤層氣開發(fā)主體積極進行科技攻關，加大“三氣共采”投資開發(fā)力度。

中聯(lián)煤層氣公司通過技術攻關，形成了儲層評價、動態(tài)壓裂等技術創(chuàng)新體系，通過小井眼鉆井技術，大幅降低鉆井周期。臨興區(qū)塊采用煤系氣勘探開發(fā)一體化模式進行建設，實現(xiàn)“當年鉆井測試+當年建管道+當年投產(chǎn)銷售”，極大提升了勘探開發(fā)的工程進度，降低了成本回收周期[36]。

2016 年，沁水盆地榆社?武鄉(xiāng)區(qū)塊進行了深部煤系三氣分壓合采試驗，后期單井日產(chǎn)氣量達到1 000 m3，實現(xiàn)了“三氣共采”，穩(wěn)產(chǎn)期近一年，取得了較好效果。2018 年該區(qū)塊內(nèi)的榆社東區(qū)塊被山西省列為“三氣”共探共采重大科技項目基地[37]。近年來臨興氣田探索了煤層氣、致密砂巖氣合采技術，“十三五”國家科技重大專項中該區(qū)塊煤系氣合采的部分試驗井在“煤層＋砂巖層”合采效果較為穩(wěn)定，預計示范區(qū)約60%的氣井可實現(xiàn)“煤層＋砂巖層”合采，對不適宜合層開采的地層，探索了先致密砂巖氣后深部煤層氣的同井接替合采方案，實現(xiàn)了煤成氣的經(jīng)濟高效開發(fā)。在鄂爾多斯盆地東緣中聯(lián)煤層氣公司臨興區(qū)塊通過“煤層氣+致密氣”“煤層氣+頁巖氣”合采試驗，多個試驗井在“煤層＋砂巖層”段壓裂試氣后實現(xiàn)高產(chǎn)，單井日產(chǎn)氣量最高超過4 000 m3[4]。雖然“三氣共采”的勘探開發(fā)在局部取得突破，但“三氣共采”實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)仍需加大地質研究和技術創(chuàng)新的實踐探索。

2.5 煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動井上下聯(lián)合抽采模式

瓦斯是煤礦災害主要來源之一，煤礦企業(yè)從自身安全生產(chǎn)出發(fā)，探索出了一套煤與煤層氣共采理念，堅持以用促抽、以抽保安，為煤礦井下生產(chǎn)提供了強有力的安全保障，同時在國際上借助CDM 項目出售碳排放指標賺取外匯的案例，改變了外界對煤礦瓦斯價值的理念[38]。

科技創(chuàng)新推動技術發(fā)展進步，山西省煤礦瓦斯治理已從局部抽采，探索出了全礦區(qū)、全層位、全時段煤與煤層氣共采“四區(qū)”(規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū))(圖1)聯(lián)動井上下聯(lián)合抽采模式及技術體系。煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動井上下聯(lián)合抽采模式解決了煤與煤層氣共采的時空協(xié)調關系及煤礦采掘的時空接替問題，實現(xiàn)了安全高效、科學有序地開采煤炭與煤層氣資源。煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動抽采技術體系堅持規(guī)劃區(qū)地面超前預抽、煤礦準備區(qū)井上下聯(lián)合抽采、生產(chǎn)區(qū)精準卸壓抽采、煤炭采空區(qū)地面鉆采。

圖1 煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動井上下聯(lián)合抽采模式Fig.1 Coal and CBM co-mining“four zones”combined with well up and down pumping mode

煤礦采前地面預抽井技術在晉城寺河礦實現(xiàn)煤層瓦斯含氣量平均每年降低1.36～2.4 m3/t，東五盤區(qū)采煤速度提高1 倍以上，煤炭資源采出率提高10%以上，在晉城成莊礦實現(xiàn)煤層瓦斯含氣量最高每年降低1 m3/t，建成了山西省煤與瓦斯共采綠色開采示范礦井，標志著山西省煤與瓦斯共采技術取得重大突破[39-41]。通過煤礦采前地面預抽，原晉煤集團瓦斯超限由2006 年的300 多次，降至2018 年的3 次，瓦斯事故基本杜絕[42]。晉煤模式在陽泉礦區(qū)、西山礦區(qū)、柳林礦區(qū)實現(xiàn)地面規(guī)?；茝V，原晉煤集團地面煤層氣年抽采量長期保持在14 億m3。

煤礦準備區(qū)井上下聯(lián)合抽采屬加速抽采，通過井下定向長鉆孔與地面井壓裂影響區(qū)溝通，實現(xiàn)井上下聯(lián)合抽采，提高了地面煤層氣抽采量，緩解了礦井生產(chǎn)掘進難和生產(chǎn)銜接緊張等局面，實現(xiàn)了準備區(qū)煤炭與煤層氣協(xié)調開發(fā)。

生產(chǎn)區(qū)卸壓抽采技術是結合井下工作面回采對煤儲層擾動的影響，充分利用地面采動井組或L 型井，對工作面回采過程中釋放的瓦斯進行及時有效地抽采，以保障上隅角瓦斯不超限。此技術在晉城礦區(qū)、大同礦區(qū)、陽泉礦區(qū)、西山礦區(qū)均進行了推廣應用，取得良好抽采效果。晉城礦區(qū)YCCD-02 井在回采至井位處時，日抽采純量最大3.79 萬m3，運行期間平均日抽采量1.56 萬m3，單井累計抽采量超3 157.75 萬m3。陽泉礦區(qū)新景礦地面L 型水平井平均瓦斯日抽采純量1.3 萬m3，累計抽采量410 萬m3，杜絕了瓦斯超限問題。大同礦區(qū)塔山礦工作面回采過程中絕對瓦斯涌出量達35 m3/min，采用地面采動垂直井組抽采瓦斯體積分數(shù)最高可達28.69%，平均3.5%；將上隅角瓦斯體積分數(shù)控制在0.4% 以下，保障了工作面安全高效生產(chǎn)[43-44]。采空區(qū)地面抽采技術不僅在以晉城、西山、陽泉礦區(qū)為代表的高瓦斯礦井得到應用推廣(表2)，在大同礦區(qū)為代表的低瓦斯礦井也得到了應用推廣。

表2 煤礦采空區(qū)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Production data of goafs in the coal mine

2.6 礦權重疊的協(xié)調與共贏

為加快非常規(guī)天然氣基地建設，山西省鼓勵企業(yè)間合作或調整礦業(yè)權范圍等方式妥善解決重疊區(qū)內(nèi)煤層氣地面開發(fā)與煤礦生產(chǎn)的銜接問題，經(jīng)過多方探索形成了煤層氣企業(yè)與煤炭主體協(xié)作開發(fā)的“三交模式”、煤炭反哺煤層氣開發(fā)的“華潞模式”、煤與煤層氣四區(qū)聯(lián)動共采的“晉城模式”[4,45]。

以中石油煤層氣公司與呂梁地方煤礦為例，多年來煤層氣地面建設緩慢的癥結在于礦權重疊嚴重，為解決礦權重疊導致的利益矛盾，臨縣政府、中石油煤層氣公司及煤礦主體共同協(xié)調2 種資源的開發(fā)機制，在礦權重疊區(qū)，中石油和煤炭開采企業(yè)相互配合，利用聯(lián)合勘探、聯(lián)合開發(fā)、聯(lián)合利用等方式從對立走向合作，實現(xiàn)共贏[46]。

煤層氣開發(fā)與頁巖氣、致密砂巖氣開發(fā)的不同在于除具有優(yōu)化能源結構、保護生態(tài)環(huán)境的作用外，還兼具保障煤礦安全生產(chǎn)、減少礦井風排瓦斯的現(xiàn)實意義。在當前的“碳中和、碳達峰”目標指引下，隨著煤礦開采逐年向深部擴展，礦井瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)的威脅日益嚴重，“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”對于煤層氣開發(fā)主體與煤礦企業(yè)間進一步深化合作將是雙方發(fā)展的共同需求[47]。

2.7 煤層氣分質分級利用

煤層氣常被用作民用或工業(yè)燃料，但在需求和技術的驅動下，已被用作優(yōu)質的化工原料，煤層氣的利用通常分為3 個層級，最低端是作為清潔燃料，其次是利用煤層氣生產(chǎn)高品質產(chǎn)品，如陶瓷、玻璃；更高一級的是更高附加值的產(chǎn)品，如當前的煤層氣生產(chǎn)金剛石、石墨烯、氫能等[48]。2020 年8 月在成莊礦實施的“煤礦低體積分數(shù)瓦斯直燃制熱一體化技術”項目實現(xiàn)了6%～30%的低濃度瓦斯的安全高效利用，項目集成了兆瓦級金屬纖維燃燒技術、瓦斯直燃控制系統(tǒng)、安全燃燒阻爆系統(tǒng)，開發(fā)了低濃度瓦斯直燃制熱一體化技術，該技術處于國內(nèi)領先水平[49]。

自2012 年始，太原理工大學研究煤層氣中提取制備納米洋蔥碳，并對納米洋蔥碳無法量產(chǎn)的世界難題成功破解，2019 年完成中試并投產(chǎn)轉化，年銷售額破千萬元。2020 年太原理工大學和華陽新材料科技集團聯(lián)手成功實現(xiàn)了金剛石的試生產(chǎn)，煤層氣資源探尋出一條“論克拉賣的價值鏈”。從納米洋蔥碳到金剛石，山西實現(xiàn)了煤層氣利用的高水平發(fā)展[48]。

3 結論

a.山西省踐行國家能源戰(zhàn)略發(fā)展，立足自身豐富的煤炭與煤層氣資源，深入推進勘查開發(fā)體制機制改革，推行煤層氣礦業(yè)權退出機制以提高資源利用率，通過市場競爭出讓空白煤層氣勘查區(qū)塊，實現(xiàn)資源高效配置，促進煤成氣資源的勘探開發(fā)，為煤成氣增儲上產(chǎn)提供了政策支撐和資源保障。

b.煤層氣老區(qū)通過技術創(chuàng)新破解開發(fā)瓶頸，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)?！叭龤獠⑴e”實現(xiàn)新建區(qū)塊產(chǎn)能快速釋放，降低投資回收期，激發(fā)企業(yè)勘探開發(fā)積極性，加速非常規(guī)天然氣基地建設。

c.規(guī)劃區(qū)地面超前預抽、煤礦準備區(qū)井上下聯(lián)合抽采、生產(chǎn)區(qū)精準抽采、煤炭采空區(qū)地面鉆采構建起煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動抽采技術體系，解決了煤礦采掘的時空接替問題，在山西省重點煤礦區(qū)取得推廣應用，初步形成了我國煤礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)調開發(fā)模式，為實現(xiàn)兩種資源合理開發(fā)，在保障煤礦安全、環(huán)保、高效發(fā)展等方面奠定了基礎。

d.煤層氣是與煤伴生的清潔能源，發(fā)展煤層氣地面抽采符合國家碳中和、碳達峰戰(zhàn)略要求?！跋炔蓺?、后采煤、采煤采氣一體化”是踐行“雙碳”目標實現(xiàn)的可靠路徑，地面開發(fā)煤層氣對提升煤礦安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義，企業(yè)間創(chuàng)新合作模式是加快煤層氣地面開發(fā)建設，有效解決重疊區(qū)內(nèi)煤層氣地面開發(fā)與煤礦生產(chǎn)銜接問題的重要手段，煤炭及煤層氣兩大產(chǎn)業(yè)合作共贏是協(xié)同發(fā)展的必由之路。

e.煤層氣作為傳統(tǒng)的潔凈、優(yōu)質能源和化工原料，依托需求與技術的雙重創(chuàng)新驅動實現(xiàn)煤層氣利用高質量發(fā)展，增加煤層氣這一基礎燃料的附加值，變身高端產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。