11月10日，中國和美國在聯(lián)合國氣候變化格拉斯哥大會期間發(fā)布聯(lián)合宣言，強調控制和減少甲烷排放。此后，生態(tài)環(huán)境部相關部門表示，將在煤炭開采、城市固體廢棄物等領域，研究制定有效的甲烷減排措施，促進甲烷回收利用和減排技術的發(fā)展，同時適時修訂煤層氣排放標準。
今年10月，在中共中央、國務院印發(fā)的《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和國務院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》中，均提到要加快推進煤層氣等非常規(guī)油氣資源規(guī)?；_發(fā)。
“規(guī)?；_發(fā)利用，是效果最好的‘減排’。一系列政策的出臺，增強了煤層氣企業(yè)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信心和投資積極性，有利于促進國家和地方政府相關部門進一步加大對煤層氣開發(fā)利用的扶持力度，推進煤礦‘先采氣、后采煤’，實現(xiàn)煤層氣與煤炭的協(xié)調高效開發(fā)。”中煤科工集團西安研究院資源勘探開發(fā)與瓦斯防治技術研發(fā)中心主任姜在炳說。
煤層氣產(chǎn)業(yè)未來之路怎么走?“雙碳”路線圖從頂層設計層面給出了路徑，也對煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展質量提出了更高的要求。
產(chǎn)業(yè)進步明顯 但發(fā)展仍低于預期
我國擁有豐富的煤層氣資源。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)》數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，我國已探明煤層氣田28個，煤層氣地質儲量為7259.11億立方米，全國累計生產(chǎn)煤層氣288.66億立方米;2020年，我國地面開發(fā)煤層氣產(chǎn)量為57.67億立方米，我國煤層氣新增探明地質儲量673.12億立方米。
在很長時間內，煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直未成氣候。“十三五”以來，隨著煤層氣勘探和開發(fā)技術進入自主創(chuàng)新階段，經(jīng)過持續(xù)攻關和試驗研究，煤層氣勘探開發(fā)技術體系逐漸形成，特別是在鉆井完井技術、儲層改造技術、排采關鍵技術、已開發(fā)氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)方面，都取得了明顯的創(chuàng)新和突破，有效降低了煤層氣開發(fā)成本，提高了單井產(chǎn)量。開發(fā)利用率高、商業(yè)化程度高的山西沁水盆地、內蒙古鄂爾多斯盆地等煤層氣開發(fā)熱點區(qū)域，起到了重要的示范引領作用，煤層氣產(chǎn)業(yè)得到長足發(fā)展。
在中煤科工集團重慶研究院原瓦斯研究分院院長孫東玲看來，煤層氣產(chǎn)業(yè)近年來的發(fā)展進步，特別是在抽采技術方面的進步是可圈可點的。
“和美國、加拿大等國家煤層氣賦存條件相比，我國煤層氣儲層條件復雜，可以說是‘先天不足’，所以我們只能通過提高技術水平進行‘后天彌補’。比如，我國煤礦區(qū)松軟低滲煤層比例高達82%，中煤科工集團西安研究院提出的碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂抽采技術，實現(xiàn)了碎軟低滲煤層煤層氣開發(fā)的技術突破。再比如，我們團隊研究的煤礦采動區(qū)煤層氣地面井抽采技術，在抽采利用煤礦工作面瓦斯的同時，也提供了一種治理瓦斯的新途徑。據(jù)測算，該成果應用礦井工作面回風瓦斯?jié)舛瓤山档?0%至50%。”孫東玲說。
在“雙碳”目標下，煤層氣產(chǎn)業(yè)肩負著保障煤礦安全生產(chǎn)、彌補清潔能源缺口等重任，煤層氣開采利用被視為剛性需求。盡管“十三五”以來，煤層氣產(chǎn)業(yè)取得了長足進步，但其發(fā)展仍然低于預期。
“煤層氣產(chǎn)能轉化率低、資源動用率低、單井產(chǎn)量低、有氣難產(chǎn)出等問題仍然困擾著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國煤層滲透率普遍較低，70%的煤層氣資源屬于難抽采資源，煤層氣資源動用率極低，抽采利用率不均衡。2020年，煤層氣地面抽采利用率為91.9%，而煤礦瓦斯抽采利用率僅為44.8%。”姜在炳說。
他提出的問題，也是業(yè)內的共識。歸結其原因，業(yè)內專家普遍認為，一方面是由于我國煤礦數(shù)量眾多，煤層氣利用水平參差不齊;另一方面，主要是受技術制約，特別是低濃度瓦斯的利用技術尚不成熟，經(jīng)濟性差，難以形成規(guī)模效應。攻克煤層氣開采利用關鍵性技術也成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展不得不跨越的一道障礙。
多重因素掣肘 亟待提高技術適用性
與美國、澳大利亞等成功發(fā)展煤層氣商業(yè)化開采的國家相比，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)仍處于初級階段，突出表現(xiàn)在規(guī)模小、市場競爭力弱。特別是受能源市場和政策等多重因素影響，煤層氣勘探開發(fā)投資放緩，煤層氣地面產(chǎn)量、煤礦瓦斯利用率仍有待提高，制約煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些矛盾和問題亟待解決。
在業(yè)內專家看來，掣肘煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多因素中，煤層氣開發(fā)利用難度大、技術適用性不強是最大的瓶頸。
我國煤層氣資源賦存條件復雜，開發(fā)技術要求高，區(qū)域適配性差，大量被美國和澳大利亞等國家驗證可行的技術在中國并不適用，而國內部分區(qū)域業(yè)已成熟的煤層氣開發(fā)技術，同樣難以適應其他地區(qū)的地質條件。
“低滲煤層煤層氣開發(fā)鉆完井、增產(chǎn)改造、穩(wěn)定排采和老井改造等共性關鍵技術及裝備尚需繼續(xù)攻關，煤層氣田自動化生產(chǎn)技術落后，薄煤層群的煤層氣合層開發(fā)技術，以及新形勢下的煤與煤層氣協(xié)調開發(fā)技術等還需要繼續(xù)探索。”姜在炳直言我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在一些“卡脖子”的技術難題。
在中煤科工集團重慶研究院研究員霍春秀看來，由于技術不成熟導致煤層氣資源就地利用無法形成規(guī)模效應，經(jīng)濟性較差，也從一定程度上打擊了煤層氣企業(yè)開發(fā)利用的積極性。
“高濃度煤層氣資源較為分散，多數(shù)煤層氣井在建設初期沒有考慮建設配套利用項目，盡管高濃度煤層氣利用范圍廣，但運輸困難;低濃度瓦斯可利用途徑少，企業(yè)開采成本高、利潤低，再加上越來越嚴格的環(huán)保政策要求，導致煤層氣企業(yè)開發(fā)利用的積極性不高。”霍春秀說。
除了技術因素外，不少業(yè)內人士也提到了政府對產(chǎn)業(yè)的扶持力度問題。
細算起來，無論是國家層面還是地方政府，對煤層氣產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度可以用“持續(xù)加碼”來形容，稅費減免、財政補貼、煤礦瓦斯抽采利用等相關政策相繼出臺。除貫徹落實國家相關政策外，山西、貴州等煤層氣資源大省，都建立有煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用地方獎勵補貼制度，作為全國礦業(yè)權出讓制度改革試點省份，兩省都在積極推進煤層氣礦業(yè)權審批制度改革，煤層氣勘查許可取得了實質性突破。
業(yè)內人士普遍認為，政策扶持持續(xù)加碼值得欣喜，但現(xiàn)有補貼偏低，部分扶持政策涉及多方利益，協(xié)調難度大，配套措施難以出臺，地方扶持政策區(qū)域局限性強等情況仍然存在。
“煤層氣企業(yè)需要更多鼓勵政策提振信心，現(xiàn)在是姿態(tài)上的鼓勵較多，落實到經(jīng)濟上的補貼較少，希望國家和地方政府能夠進一步在稅收優(yōu)惠、開發(fā)補貼等方面加大扶持力度。”孫東玲說。他同時建議國家和地方政府可以出臺行政性政策，對煤層氣企業(yè)開發(fā)利用情況進行正向激勵和負向考核，設立相應的獎懲措施，以期進一步激發(fā)煤層氣企業(yè)開發(fā)利用的積極性。
變隱患為優(yōu)勢 提高煤礦瓦斯抽采利用率
瓦斯作為威脅煤礦安全的“第一殺手”，隨著煤礦開采深度和開采強度的增加，瓦斯與沖擊地壓、水害、火災等多種災害耦合疊加，治理難度日趨增大，提高煤礦瓦斯抽采利用能力水平是一項長期且艱巨的任務。
中國礦業(yè)大學(北京)原副校長姜耀東認為，進一步加快煤層氣抽采利用，對于提高煤礦安全生產(chǎn)水平，增加清潔能源供應，減少溫室氣體排放，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標意義重大。
“十三五”期末，煤礦瓦斯防治工作交上了歷史最好成績單：2020年，我國首次實現(xiàn)新中國成立以來未發(fā)生重特大瓦斯事故，全國24個產(chǎn)煤省(自治區(qū)、直轄市)有18個實現(xiàn)瓦斯“零事故”。這和將煤層氣抽采利用作為防治煤礦瓦斯事故的治本之策，全面推進先抽后采、抽采達標和區(qū)域防突是分不開的。而一系列先進技術的加持，更是為煤礦瓦斯抽采利用提供了強大的支撐。
近年來，以防治瓦斯災害為主要目的的煤礦區(qū)煤層氣地面抽采和井下瓦斯抽采技術研發(fā)和工程試驗取得了長足進展，特別是碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂抽采技術、直井跨層壓裂技術、極小半徑鉆井技術、煤層氣無桿舉升技術、多層合采井產(chǎn)出剖面測試技術、智能排采、采動區(qū)井煤層氣地面井抽采技術等系列關鍵技術取得了重大突破。
西安研究院一直從事煤層氣地質與勘探開發(fā)基礎理論、關鍵技術和核心裝備的攻關研究，形成了成套的煤礦區(qū)煤層氣高效開發(fā)技術與裝備，“十三五”期間開發(fā)的“碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂抽采技術”達到國際領先水平，在山西潞安、晉城，安徽淮北、皖北，貴州黔北，陜西韓城等礦區(qū)進行了應用推廣，取得了良好的產(chǎn)氣效果，其中淮北蘆嶺、晉城趙莊等煤礦的單井日產(chǎn)氣量均突破1萬立方米。該技術已成為碎軟低滲煤層煤層氣地面抽采和瓦斯超前區(qū)域治理的有效措施。
經(jīng)過多年探索研究，孫東玲帶領團隊研究了多項地面煤層氣抽采技術，其中“煤礦采動區(qū)煤層氣地面井抽采技術”等成果達到國際領先水平，在山西、河南、安徽、新疆等地礦區(qū)成功推廣應用，取得了良好的瓦斯抽采利用及瓦斯治理效果。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，應用該成果后，采動區(qū)地面直井保護有效率可達85%，山西晉城示范礦區(qū)煤層氣單井日均抽采氣量達8500立方米，平均濃度70%，單井平均采氣總量超過220萬立方米。
“目前，西安研究院正在貴州黔北礦區(qū)與河南能源化工集團永貴能源公司新田煤礦合作開展‘三區(qū)聯(lián)動’瓦斯高效抽采技術與工程示范項目，以期實現(xiàn)煤礦規(guī)劃區(qū)超前抽采、準備區(qū)先抽后掘、生產(chǎn)區(qū)先抽后采的目標。”姜在炳說。
煤層氣抽采上來，如何提高其利用率，是困擾行業(yè)的一大難點問題。據(jù)了解，根據(jù)煤層氣濃度的不同，其利用途徑主要有以下三種：高濃度煤層氣增壓集輸、低濃度煤層氣提純、低濃度煤層氣分布式發(fā)電。受多重因素影響，煤層氣的利用率遠遠低于預期。
業(yè)內人士指出，低濃度瓦斯提純成本高;管網(wǎng)難以實現(xiàn)公平開放、集輸調峰能力弱;大多數(shù)礦井未配套利用項目，低濃度瓦斯排空量大;抽采利用缺乏統(tǒng)一標準和規(guī)劃等問題亟待解決。
中國工程院院士、安徽理工大學校長袁亮多次在公開場合表示，科研院所和煤層氣企業(yè)要研究低濃度瓦斯提純、轉化、利用基礎理論與關鍵技術，研發(fā)系統(tǒng)動態(tài)調控與監(jiān)控預警裝置，破解低濃度瓦斯安全高效綜合利用技術難題，推動我國能源資源綠色、智能、健康發(fā)展。
“2016年，重慶研究院與原山西陽煤集團合作，應用瓦斯蓄熱氧化熱能利用技術，在陽煤五礦小南莊風井建設了一套設計氣體處理能力6萬標準立方米/小時、處理氣體甲烷濃度0.3%至1.2%的瓦斯蓄熱氧化井筒加熱系統(tǒng)。一個供暖季可減排甲烷260萬標準立方米，相當于減排二氧化碳當量3.6萬噸，可為煤礦節(jié)約煤炭3200噸。”在霍春秀看來，除了國家相關政策的扶持外，科研院所和行業(yè)企業(yè)對煤層氣利用關鍵技術的攻關和裝備研發(fā)至關重要，也是進一步提高煤層氣利用率的最行之有效的方法。
廢棄礦井資源利用 安全環(huán)保“一石二鳥”
隨著我國煤炭去產(chǎn)能政策的持續(xù)推進，一批產(chǎn)能落后煤礦和資源枯竭煤礦陸續(xù)關停。廢棄礦井中賦存著大量煤層氣資源，據(jù)中國工程院《我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究》重點咨詢項目研究預測，到2030年，我國廢棄礦井將達到1.5萬處，殘留煤層氣資源近5000億立方米。對廢棄礦井煤層氣進行科學有效的抽采利用，不僅能夠消除廢棄礦井采空區(qū)瓦斯積聚帶來的安全隱患，也為煤炭產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標創(chuàng)造了新的碳減排來源。
“廢棄礦井中賦存著豐富的煤炭、煤層氣、水、地熱等資源，直接關閉將造成巨大的資源浪費和國有資產(chǎn)流失，誘發(fā)安全、環(huán)境及社會問題。”袁亮說。以安徽省兩淮煤炭基地為例，袁亮指出，由于資源枯竭及政策性關閉等原因，一些礦井退出生產(chǎn)后未能得到有效治理和利用，形成多個采煤沉陷區(qū)，給當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)保護工作帶來了難題。
從國際廢棄礦井煤層氣開發(fā)利用情況來看，早在20世紀50年代，英國就開始探索廢棄礦井煤層氣開發(fā)利用;德國在魯爾區(qū)廢棄礦井進行煤層氣開發(fā)，積累了寶貴的經(jīng)驗;作為世界首個將廢棄礦井煤層氣納入溫室氣體排放總量的國家，美國擁有成熟的廢棄礦井煤層氣抽采利用技術。與上述國家形成鮮明對比的，是我國廢棄礦井煤層氣資源極低的開發(fā)利用率。
“英國、德國礦井廢棄有一系列的標準程序，其中包括對后續(xù)煤層氣開采利用方面的考慮和規(guī)劃。但在我們國家，除了資源枯竭的礦井外，大多數(shù)礦井關停主要受政策性影響居多，煤礦企業(yè)簡單粗暴的一關了之，缺乏對礦井廢棄資源開發(fā)利用的長遠規(guī)劃，不利于廢棄礦井資源的開發(fā)利用。”孫東玲說。
霍春秀認為，除了受技術制約外，廢棄礦井煤層氣資源量無法準確評估，地質條件、風險隱患情況不明，開采利用經(jīng)濟性差、無法調動煤層氣企業(yè)抽采利用的積極性等因素，也給廢棄礦井煤層氣抽采利用“拖了后腿”。
盡管廢棄礦井煤層氣抽采利用面臨諸多的痛點和難點，但有關廢棄礦井煤層氣抽采利用的基礎理論研究和先期工業(yè)試驗工作并未停歇，國家的相關支持政策也先后出臺，為廢棄礦井煤層氣抽采利用保駕護航。在一系列政策支持和技術支撐下，煤炭大省山西走在了全國廢棄礦井煤層氣抽采利用的前列。
2020年，山西省自然資源廳在全國首次掛牌出讓3個煤炭廢棄礦井煤層氣抽采試驗區(qū)塊，打響了山西落實能源革命綜合改革試點部署、推進關閉煤礦剩余資源再利用的第一槍。截至目前，山西省廢棄礦井采空區(qū)已累計施工抽采井100余口，抽采利用煤層氣1.28億立方米，相當于減排二氧化碳192萬噸。此外，貴州、重慶等地也不同程度地進行了廢棄礦井煤層氣抽采試驗。
姜在炳表示，山西的案例初步顯示出我國廢棄礦井煤層氣資源抽采利用的潛力。隨著對我國廢棄礦井煤層氣資源潛力的勘探摸底，以及抽采利用技術理論體系的進一步研究和開發(fā)利用工藝的進一步優(yōu)化，廢棄礦井煤層氣資源有望成為煤礦區(qū)煤層氣抽采的重要補充。
