煤层气——煤与气的奇妙交集

　　煤层气——煤与气的奇妙交集

　　我国能源资源禀赋具有“富煤、缺油、少气”的特征，煤层气作为天然气同质同用资源，对于实现“双碳”目标、降低温室气体排放、保障高瓦斯矿区煤炭供应、增加绿色清洁能源供应意义重大。2022年国家能源局提出将煤层气打造成为增强天然气自主保障能力的重要气源。

　　煤层中的“危害”气

　　在沼泽、河流、湖泊中被埋葬保存的植物遗体随着时间的推移，经过微生物带来的生物化学作用和地质变化带来的物理化学作用，挥发分和水分含量逐步减少，发热量和固定碳含量不断增加，成煤物质在经历泥炭化阶段和煤化阶段后，最终形成煤层，也就是我们所熟知的——煤。

　　伴随着这个过程，也产生了大量的甲烷气体。其中一部分跑出了煤层，赋存在煤层附近的围岩中，成为了天然气的一个小分支——煤成气；另一部分以吸附态、游离态或溶解态留在了煤层，这就是我们今天的主角——煤层气。由于其成分以甲烷为主，故也被称为煤层甲烷。它还有一个更为人所熟知的身份——矿井瓦斯。

　　矿井瓦斯是在井下聚集的以甲烷为主的有毒、有害气体的总称，是公认的煤矿生产中的主要有害因素，由于煤矿采动从地层中逸散出来，不仅污染空气，还会造成瓦斯突出，摧毁、堵塞巷道，甚至引起人员窒息死亡、瓦斯爆炸等伤亡事件。

　　如果能在开采煤炭之前先将煤层中的“瓦斯”采出来，将这些错置的资源合理利用，他们就会成为一种优质的能源，这种煤层采动中溢出的“危害”气就也就成为了煤层气资源的一部分。

　　气与煤的紧密相伴

　　煤层气是指赋存于煤层中以甲烷为主要成分的气体，甲烷含量可超过98%，部分也包含重烃气（主要为乙烷）、二氧化碳或氮气等其他气体。

　　它的生聚与煤炭息息相关。我国煤层气资源基本上储集于晚石炭世一早二叠世、晚二叠世、早一中侏罗世和早白垩世四个主要聚煤期所形成的煤层中，丰富程度与煤系地层的分布、厚度及含气量呈正相关关系，煤层这几项参数愈大，煤层气资源愈丰富。聚煤盆地（区）的煤层气丰富程度是评价其有无煤层气勘探价值的重要指标。煤的显微组分含量、灰分含量和热演化程度（煤阶）是影响煤层生气量、吸附保存能力的主要因素，一般来说镜质组含量越高、灰分含量越低、热演化程度越高，煤层气含气量越高。

　　由于煤层气在煤层普遍存在，所以资源量可观，但并非所有煤层均可勘探开发煤层气。可供开发的煤层气资源需要具有规模性、可采性和经济性，受埋深、地应力等外部地质条件以及煤级、煤体结构、含气性等储层内部地质条件的影响，一个盆地煤层气高产富集区往往仅分布于局部，其区带分布大小与地质因素有关，但随着开发技术水平的不断进步，可供动用的煤层气资源将会越来越多。

　　“年轻”的资源

　　人类开采煤的历史可以追溯到公元前500多年，也就是我国的春秋战国时期。相较之下，煤层气算是一个新兴的矿种，其工业起步于20世纪70年代，成规模发展在80年代之后。

　　由于天然气需求量很大，每年需要从国外进口天然气，美国作为煤炭资源大国首先注意到了赋存在煤层中的气体。20世纪70年代末，美国政府通过众、参两院听证会将煤层气确定为非常规气体能源，并于1980年颁布《能源意外获利法》，提出非常规能源开发税收补贴政策，使煤层气成为政府鼓励和支持的主要清洁气体能源。20世纪80年代末美国取得了煤层气地面开采的成功，标志着世界煤层气开发进入一个新阶段，直到目前美国仍是世界上煤层气开采最成功的国家。

　　我国服务于安全生产的煤矿瓦斯抽放（抽采）始于20世纪50年代初。1952年我国在抚顺矿务局龙凤矿建立起瓦斯抽放站，此后至1989年期间我国煤层气勘探开发主要处于矿井瓦斯抽放发展阶段。从“六五”煤层气国家科技攻关项目开始，我国把煤层气作为独立的能源进行研究并设立了煤层气相关研究和试验项目。1989开始，我国不断引进现代煤层气技术，邀请美国专家来华，并于1989年11月在沈阳市召开了我国第一次煤层气会议—能源部开发煤层气研讨会。随后，国家科技攻关计划和地方企业、全球环境基金（GEF）资助设立了多个煤层气的研究项目，并在河北大城、山西柳林进行了煤层气的勘探试验，许多外国公司也纷纷出资在我国进行煤层气风险勘探。1991年我国第一部煤层气学术专著《中国的煤层甲烷》出版。在这期间，煤层气专用设备、软件的引进和人员交流使我国在煤层气资源评价、储层测试技术、开采技术等方面取得了较大的发展。1996年，国务院批准成立了中联煤层气有限责任公司，2000年首次提交储量，2005年实现了地面开采煤层气零的突破，此后我国地面勘查开发和井下瓦斯抽采开发并行，煤层气产业逐渐形成。

　　从煤中来的清洁能源

　　煤层气的主要组份中，甲烷（CH？）占90%以上，二氧化碳、氮气等杂质浓度很低，基本不含硫、不含重烃，热值在每立方米8000千卡以上，1立方米煤层气约相当于1千克燃油、1.3千克标准煤、9.5度电、1千克柴油、0.8千克液化石油气、1.1～1.3升汽油。而煤层气燃烧所产生的污染，大体上只有石油的1/40，煤炭的1/800，煤层气燃烧后生成二氧化碳和水，不产生一氧化碳等有毒气体，是一种非常洁净的气体能源。

　　煤层气经过排水解析，从地下采出，逐级加压后即可与天然气管网同输，用途也与天然气类似，煤层气消费市场的主要定位是常规天然气的补充与接替，以及煤炭、焦炉煤气、水煤气、液化石油气、重油等燃料的替代。目前我国对煤层气的消费主要在城市燃气、发电、工业燃料和天然气化工等方面。

　　作为与天然气基本上同质同用的煤层气，主要作为城市燃气用于居民生活、公共建筑、工商企业、冬季采暖、夏季空调、天然气汽车等。除了可以并网入户之外，由于其成藏的特殊性，在一些特殊地区具有天然气不具备的一些供给优势。如在贵州多山地、人口居住分散的地区，浅层、低成本煤层气井可以实现就近的煤层气供给，保障附近地区用气需求，解决了燃气管道长距离铺设问题。

　　煤层气发电是煤层气资源利用的重要途径，国内外主要产煤层气的国家普遍将煤层气用于发电工业。目前煤层气企业积极推进探索与煤矿联合治理煤矿瓦斯、联结下游发电的合作方式，既保障了地面开采煤层气的高效利用，也降低了煤炭开采风险，提高了煤层气和煤炭企业的营收，实现了煤层气公司与煤矿企业互利共赢，给中小企业进行煤层气开采提供了可借鉴的模版。

　　以煤层气作为燃料的工业企业和以煤层气作为原料的化工企业，生产规模一般较大，通常建设独立的供气系统。化工利用途径和天然气相仿，用作化工原料开发天然气化工、碳化工系列产品等。

　　意义与机遇

　　煤层气资源开发利用兼具能源、安全、环保三大属性。能源方面，作为天然气的同质资源，煤层气的使用有利于进一步优化能源结构，提高清洁能源利用效率和综合利用水平，缓解我国洁净能源供需矛盾。安全方面，加快煤层气开发利用，强力推进煤矿瓦斯先抽后采、抽采达标，有利于从根本上预防和避免煤矿瓦斯事故，提高煤矿安全生产水平，构建以人为本的和谐矿区。环保方面，煤层气的开发利用是实现温室气体减排目标的重要手段，社会进步对控制温室气体排放提出了更高的要求，煤层气的温室效应是二氧化碳的21~25倍，每利用1亿立方米甲烷相当于减排二氧化碳150万吨，大规模实施煤层气开发，不断提高利用率，可大幅度降低温室气体排放，保护生态环境。

　　虽然煤层气在各个方面都可看作优质的化石能源，且开采方式与常规天然气类似，但由于其自生自储型的特征，单井产量和气藏规模与其他天然气气藏相比难以形成规模，且煤储层孔隙主体被水占据，煤层气需要长期排水降压生产，增加了煤层气的投资周期。所以相对于其他能源产业，近年来我国煤层气产业发展较慢，市场竞争力较弱，特别是2013年以来煤层气勘探开发投资有放缓的趋势。

　　2021年煤层气迎来了新的机遇，在鄂尔多斯盆地的大宁－吉县地区深部煤层气获得突破，探明了我国首个大型高丰度深层煤层气田，突破了业内公认的2000米世界级“技术禁区”。相较于中浅层煤层气，深部煤层气（埋深在1500米以深）在构造条件、保存条件、储集条件、生烃强度、含气量等方面都展示出了极大的勘探开发潜力，并呈现出全面开花态势，为煤层气产业带来了新的机遇。

　　煤层气作为一种与煤伴生的清洁能源，在近30年来的发展中，在能源、安全、生态方面都发挥了重要作用，现在又迎来了深部煤层气的重大发现，使煤层气成为当前现实的接替气源，煤层气将在清洁能源消费供应中发挥越来越重要的作用。

　　摘自《地球》2023年6期