煤层气,你了解多少

  概念

  煤层气是指赋存在煤层中,以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主,并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的天然气体,是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气。煤层气俗称“瓦斯”,其中甲烷含量一般在95%以上;二氧化碳含量一般小于2%;氮气含量一般小于10%;碳二以上的重烃含量很少,随煤级不同而变化。

  煤层气是热值高、无污染的新能源,1立方米纯煤层气的热值约40兆焦耳,与常规天然气热值接近,约相当于1.13千克汽油、1.26千克标准煤。可以用来发电,用作工业燃料、化工原料和居民生活燃料。煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中,会加剧全球的温室效应。在采煤之前先采出煤层气,煤矿生产中的瓦斯将降低70%~85%。

  成因

  煤层气是煤层在漫长的煤化作用过程中,经生物化学和热解作用所生成的以甲烷为主的气体。

  煤层气的形成与煤炭息息相关,根据煤炭变质阶段可分为生物降解煤层气(泥炭-褐煤阶段)、热解型煤层气(褐煤-瘦煤阶段)、裂解型煤层气(瘦煤-无烟煤阶段)、次生生物成因煤层气等类型。每吨煤伴随有280~350立方米的甲烷及100~150立方米的二氧化碳析出。

  煤层气主要是煤化作用过程晚期的产物,由于埋藏较浅或者受到晚期抬升作用的影响,次生生物气的混入较普遍。受赋存状态控制,盆地内煤层气具有向斜分布特征;受煤层发育地质时代和沉积环境控制,煤层气主要分布于石炭纪以来的沉积地层,主要包括石炭系-二叠系、三叠系-侏罗系、白垩系-古近系;受煤层区域分布和埋藏控制,目前发现的煤层气主要分布于美国的圣胡安、粉河和黑勇士盆地,加拿大的西加拿大前陆盆地,澳大利亚的悉尼、鲍恩和苏拉特盆地,中国的沁水和鄂尔多斯盆地等。

  世界煤层气资源分布及开发

  根据最新资源评估结果,全球埋深浅于2000米的煤层气资源量大约为268万亿立方米,是常规天然气探明储量的两倍多。煤层气开发主要限于1500米以浅,资源评价一般限于2000米以浅。世界煤层气资源主要分布在12个国家,其中90%以上的煤层气资源集中在俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚等5个主要产煤国。

  世界主要产煤国都十分重视开发煤层气,英国、德国、前苏联、波兰等国主要采用煤炭开采前抽放和采空区封闭抽放方式抽放煤层气。20世纪80年代初美国开始试验应用常规油气井(即地面钻井)开采煤层气并获得突破性进展,标志着世界煤层气开发进入一个新阶段。

  世界上实现煤层气工业开发的国家主要有美国、加拿大、澳大利亚和中国。2012年,美国煤层气产量达到468亿立方米左右,加拿大大约为74.5亿立方米,澳大利亚产量大约是62亿立方米,2013年中国煤层气地面产量达到29亿立方米。

  美国

  20世纪70年代末至80年代初,美国煤层气开采试验获得成功,并快速进入规模发展阶段。至2012年,美国黑勇士、圣胡安、粉河、中阿巴拉契亚、尤因塔、拉顿、阿科马和切诺基等10个主要盆地均已进行煤层气商业化生产,其煤层气产量达到了470亿立方米。

  美国煤层气产业发展的关键在于针对不同盆地、不同地区,发展形成了不同的理论以及与地质特征相配套的开发技术。圣胡安盆地,煤储层超压、渗透性好、厚度大,主要采用裸眼洞穴法完井;黑勇士盆地、拉顿盆地等,煤层常压或欠压、低渗透,采用套管完井加工压裂工艺技术;粉河盆地,煤层厚、高渗透,在“生物型或次生煤层气成藏”理论指导下,采用钻井—洗井技术;在山地地形区或采煤区,主要采用羽状水平井。这些技术的核心在于最大限度地保护储层,降低伤害。

  加拿大

  加拿大煤层气资源总量为20万亿立方米,主要集中分布在阿尔伯塔省。阿尔伯塔省煤层气资源量为15.57万亿立方米,占全国总量的78.6%。据加拿大国家能源委员会预测,2020年,煤层气年产量将达到280亿立方米,最高估计可达到390亿立方米,届时煤层气产量将占加拿大天然气总产量的15%。加拿大煤层气开发主要集中在资源量巨大的阿尔伯塔省,少量位于不列颠哥伦比亚省和东部的新斯科舍省。

  澳大利亚

  澳大利亚是继美国之后在煤层气勘探方面进展较快的国家,截至2007年,澳大利亚新增煤层气口井186口,煤层气产量达到29亿立方米,2009年煤层气产量达到53亿立方米,2011年煤层气产量达到62.5亿立方米。

  中国煤层气发展历程

  我国是煤层气资源量大国,煤层气资源量位居世界第三。埋深2000米以浅煤层气地质资源量36.8万亿立方米,可采资源量约12.5万亿立方米,分别是常规天然气储量及可采储量的1/3和1/4。从探明储量来看,2015年煤层气约6300亿立方米,低于常规天然气,高于页岩气(埋深4500米以浅)。

  我国煤层气资源主要分布在华北和西北地区,其中华北地区、西北地区、华南地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%和1.3%。1000米以浅、1000~1500米和1500~2000米的煤层气地质资源量分别占全国煤层气资源地质总量的38.8%、28.8%和32.4%。大于1万亿立方米的盆地或区带有9个:依次为鄂尔多斯、沁水、准噶尔、滇黔贵、吐哈、二连盆地等。

  “十一五”期间,我国煤层气开发从零起步,施工煤层气井5400余口,形成产能31亿立方米。“十二五”期间,我国重点开发沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘,建成煤层气产业化基地,已有产区增加储量、扩大产能,配套完善基础设施,实现产量快速增长。

  随着中国城镇化的进程,居民能源消费结构的变化以及环保监管日趋严格的背景下,天然气替代煤炭供电供热需求的提升,煤层气将有更大的发展空间。

  典型实例

  高煤阶煤层气:沁水盆地

  沁水盆地是我国煤层气商业化开发较早,也是目前我国煤层气产量最高的含煤盆地,是世界上高煤阶煤层气的典型代表。在盆地南部的樊庄区块获得了高产煤层气井,最高日产量达1.6万立方米/吨,平均稳产可达2000~3000立方米/吨。

  沁水盆地位于山西省中南部,是晚古生界残留盆地。盆地南部地区是我国重要的煤层气勘探区,蕴藏着丰富煤层气资源,目前已成为中国煤层气勘探开发的热点地区之一。

  中煤阶煤层气:圣胡安盆地

  圣胡安(San Juan)盆地是美国煤层气开发最成功的盆地。它位于美国西部科罗拉多州西南部和新墨西哥州西北部,平面上呈椭圆形,面积1.94万平方公里。估算煤炭资源3248亿吨,煤层气资源2.38万亿立方米,可采煤层气资源量2897亿立方米。

  圣胡安盆地内整个白垩系均有煤层分布,最重要的煤层和煤层气资源位于Fruitland地组中,Fruitland地组煤层从地表到地下1280米均有分布。大于122米的煤层煤炭资源为2450亿吨,煤层气为1.3万亿立方米。Fruitland Fairway煤层气富集区带是目前世界上最大的煤层气富集区,面积600平方公里,年产量占美国煤层气年产量的50%左右。

  在圣胡安盆地中北部较浅的部位,在热演化作业和流体动力学共同作用下生成了大量的气体,且含量比预期要高,也反映了煤层气中次生生物成因的生成。

  低煤阶煤层气:粉河盆地

  粉河盆地是目前世界范围内未成熟低煤阶煤层气商业开发最成功的地区,位于美国西部的怀俄明州东北部和蒙大拿州东南部,面积约73.815平方千米。粉河盆地是形成于晚白垩世-始新世的落基山前陆盆地,为一轴向北西的不对称凹陷。盆地地层蕴含有丰富的煤层气。

  粉河盆地煤层气开发活动主要分布于盆地东部地区。煤层埋深91~610米,煤层厚24~45米,厚煤层分布稳定。2000年,煤层气单井日产量为10万~1400万立方米,平均日产量5660立方米,年产量为37.64亿立方米,占全美煤层气年产量的9.5%。由于井浅,不用压裂,完工一口井仅需1~2天,极大地降低了费用,提高了利润。

  另外一些因素如气田地租费用低,管道发达,采收率高等,共同促进了粉河盆地的煤层气开发迅速发展,并成为美国煤层气商业开发新区。

  (张学青 整理)

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