煤层气数值模拟技术进展煤层气资源特点

24三月2024煤层气数值模拟技术进展煤层气资源特点油型气煤型气煤层气与天然气、煤成气、煤矿瓦斯关系示意图一、煤层气的基本概念CMM煤层气CBM煤矿瓦斯天然气煤成气3/24/2024

煤层气是指赋存于煤层及其围岩中的与煤炭共伴生的可燃烃类气体，其主要气体组分为甲烷（CH4），它是地史时期煤中有机质热演化生烃产物。不同学者从不同的角度给予不同的命名，最常见的有煤层气、煤层甲烷等，常见英文名称有CoalbedMethane、CoalSeamsGas等，一般缩写为CBM。煤层气业内绝大多数学者普遍采用“煤层气（CoalbedMethane）”。煤层气一、煤层气的基本概念3/24/2024

一、煤层气的基本概念煤层气与常规天然气的关系与差异由于煤层气的独特的赋存状态（以吸附态为主）、非常规储层（典型的自生自储、多重孔渗的有机储层）和特有的产出机理（排水—降压—解吸－采气），因此煤层气被称之为非常规天然气（UnconventionalityNaturalGas）。3/24/2024

组分

（体积含量）常规天然气煤层气甲烷

（%）93.2~97.596.67~97.33乙烷

（%）1.1~1.30丙烷

（%）0.32~0.430异丁烷

（%）0.025~0.0770正丁烷

（%）0.021~0.0730异戊烷

（%）0.018~0.0290正戊烷

（%）0.009~0.01840二氧化碳

（%）0.012~0.0190.24~0.29氮

（%）0.25~0.44603.09~2.38氧

（%）0.071~0.0920相对密度0.57~0.590.5664~0.5693一、煤层气的基本概念煤层气与常规天然气的关系与差异由于煤层气产出时必须穿越水柱才能到达井口，因此煤层气中监测不到H2S3/24/2024在煤炭工业界通常将涌入煤矿巷道内的煤层气称之为煤矿瓦斯（Gassy），其气体组分除煤层气组分外，还有煤矿巷道内气体的成分，如氮气（N2）、二氧化碳（CO2）等空气组分以及一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等采矿活动所产生的气体组分。在煤层气概念引进初期，有些学者为便于业外人士了解煤层气，通常在煤层气一词后加注“俗称煤矿瓦斯”。近年来，国内外有些学者为区分两者之间的概念差异，将通过煤矿井下抽放（GasDrainagein-mine）、采动区（GOB）抽放或废弃矿井（AbandonedMines）抽排等方式获得的煤层气称为CoalMineMethane（缩写为CMM）。煤层气与煤矿瓦斯的关系与差异一、煤层气的基本概念3/24/2024煤层气生成过程示意图

①原生生物气②热成因气③次生生物气。煤层气的成因一、煤层气的基本概念3/24/2024煤层气的成因一、煤层气的基本概念煤的热模拟生烃实验成果图3/24/2024累计产量已开发待开发

剩余经济可采储量经济可采储量

原始可采储量

地质储量资源量总资源量煤层气资源：是指以地下煤层为储集层且具有经济意义的煤层气富集体。其数量表述分为资源量和储量。二、煤层气资源／储量的界定3/24/2024三、煤层气资源分布特征3/24/2024三、煤层气资源分布特征中国陆上烟煤和无烟煤煤田中，在埋深300～2000m范围内煤层气资源总量为31.46×1012m3。3/24/2024172490×108m31561×108m328895×108m33479×108m368763×108m311139×108m328286×108m3中国各含气区煤层气资源量分布图三、煤层气资源分布特征3/24/2024中国各成煤时代煤层气资源分布图三、煤层气资源分布特征3/24/2024煤层气开发的根本目的无外乎有效地开发和利用煤层气资源、最大限度地改善煤矿安全生产条件（降低瓦斯）、更好地保护人类赖以生存的大气环境等几个方面。对投资者而言，投资的根本目的是获取利润。基于投资目的和开发技术条件，在煤层气资源开发过程中逐步发展成为两类截然不同的开发方式：煤矿业主：从煤矿开采需要出发，对煤矿区煤层气进行采煤采气一体化的开采模式石油公司：为获取商业利润，借鉴常规油气开采技术，对原始储层煤层气地面直井或水平井开发模式3/24/2024煤矿区煤层气开发煤层气地面开发(A)(E)(B)(C)(D)煤层气资源开发方式3/24/2024随着煤层气多分支水平井技术的成熟与发展，为煤层气开发提供了更多的开发方式选择。通过对直井压裂开采和多分支水平井开采的产量曲线和投资效益对比分析，可以得出如下结论：（1）根据直井压裂开采所特有的生产年限长、日产量低的特点，可以利用直井压裂开发模式形成长时期的稳定产能；（2）根据多分支水平井具有单井产量高特点，实现短时期提升煤层气开发项目产能的目的。煤层气地面开发3/24/2024煤层气地面开发3/24/2024采煤采气一体化理念的形成与发展

煤炭是一次能源的主体。煤炭工业承载着国民经济发展和社会进步的历史重任。煤炭为国民经济建设提供了三分之二以上能源，有效地支撑了国民经济的可持续快速发展。虽然近年来石油、天然气和水电等能源的生产量和消费量在快速增长，但煤炭在能源中的主导地位没有发生根本性变化。煤炭工业以采煤为主的产业理念根深蒂固，尽管煤矿瓦斯抽放已有半个多世纪悠久历史，但煤炭工业总是习惯地将瓦斯抽采作为煤矿瓦斯治理的一项专项措施，没有将瓦斯抽采纳入煤矿生产体系。3/24/2024由于煤层气与煤炭属于典型的同源同体的共伴生矿产，因此煤层气开发与煤炭开采有着密不可分的内在关联。然而，在采煤采气一体化理念被工业界认可之前，尽管煤炭工业界一直在开展煤矿瓦斯抽放，但煤层气开发与煤炭开采一直被视为两个独立的“产业”。

煤炭工业界开展的煤矿瓦斯井下抽放，其出发点是治理煤矿瓦斯，保障煤矿安全生产，投资者主要为煤矿业主。在半个世纪的煤矿瓦斯抽放和利用过程中，也已从当初瓦斯抽放逐步发展成“抽放—利用—环保”的商业理念；而煤层气产业界则是以获取煤层气开发商业利益为出发点，其投资者主要是石油公司或风险投资者。因此倡导所谓的“资源—安全—环境”的商业理念。采煤采气一体化理念的形成与发展3/24/2024随着煤层气开发和煤矿瓦斯抽采事业的发展，煤层气开发与煤炭开采的关系愈来愈被煤炭工业界和煤层气产业界广泛关注。一方面，随着煤矿开采深度的增加，煤矿瓦斯灾害也越来越严重，严重制约着煤炭工业的快速发展。为彻底解决煤矿瓦斯灾害，保障煤炭工业的快速发展，中华人民共和国国务院和有关部委采取了一些有效措施。2005年国家八部委联合颁布了《煤矿瓦斯治理与利用实施意见》，明确提出了坚持“可保尽保、应抽尽抽、先抽后采、煤气共采”的原则和瓦斯治理“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字方针。2006年国务院发布了《国务院办公厅关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》，进一步明确了坚持采气采煤一体化的具体措施。另一方面，煤层气开发取得了突破性进展。山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（以下简称晋煤集团）在国内率先在晋城矿区寺河煤矿完成了煤层气开发的商业化过程，从勘探、开发试验、大规模开发到集输和利用。中联煤层气有限责任公司和中国石油紧随其后，形成了沁水盆地南部煤层气商业开发基地。采煤采气一体化理念的形成与发展3/24/2024随着煤层气开发和煤矿瓦斯抽采事业的发展，煤层气开发与煤炭开采的关系愈来愈被煤炭工业界和煤层气产业界广泛关注。一方面，随着煤矿开采深度的增加，煤矿瓦斯灾害也越来越严重，严重制约着煤炭工业的快速发展。为彻底解决煤矿瓦斯灾害，保障煤炭工业的快速发展，中华人民共和国国务院和有关部委采取了一些有效措施。2005年国家八部委联合颁布了《煤矿瓦斯治理与利用实施意见》，明确提出了坚持“可保尽保、应抽尽抽、先抽后采、煤气共采”的原则和瓦斯治理“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字方针。2006年国务院发布了《国务院办公厅关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》，进一步明确了坚持采气采煤一体化的具体措施。另一方面，煤层气开发取得了突破性进展。山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（以下简称晋煤集团）在国内率先在晋城矿区寺河煤矿完成了煤层气开发的商业化过程，从勘探、开发试验、大规模开发到集输和利用。中联煤层气有限责任公司和中国石油紧随其后，形成了沁水盆地南部煤层气商业开发基地。采煤采气一体化理念的形成与发展3/24/2024采煤采气一体化不仅是“安全—资源—环境”商业理念的全面体现，而且更是一种值得倡导的资源综合开发的新模式。采煤采气一体化的实施，从根本上改变了以往的煤层气开发和煤炭开采的传统做法。煤炭工业不再将瓦斯抽采作为专项措施，煤层气地面开发也不再作为单纯的可燃烃类气体资源的开发，而是将瓦斯抽采和煤层气开发视为煤矿安全生产体系的重要组成部分。采煤采气一体化理念的形成与发展3/24/2024采煤采气一体化的内涵和外延从产业层面，采煤采气一体化的内涵应体现以下几方面：统筹规划，煤、气共采先采气，后采煤，协调发展井下抽采与地面开发并举，分区实施。3/24/2024统筹规划，煤、气共采为有效地开发和利用同源同体的煤炭资源和煤层气资源，必须坚持统筹规划，煤炭资源和煤层气资源共采的原则。切实做到以煤炭开采为中心，建立采煤采气一体化开发模式。煤炭开采煤层气地面抽采煤层气井下抽采采煤采气一体化的内涵和外延3/24/2024先采气，后采煤，协调发展为实现保障煤矿安全生产、综合开发资源、保护大气环境之目的，必须坚持统筹规划、先采气、后采煤的基本开发原则，建设先进的高效开采的绿色矿山。为进一步落实国家八部委提出的“应抽尽抽、先抽后采、煤气共采”的原则，2006年3月17日国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局发布了《煤矿安全规程》第68条修订稿，明确规定“高瓦斯矿井的易自燃煤层，应采取以预抽方式为主的综合抽放瓦斯措施和综合防灭火措施。使本煤层瓦斯含量不大于6m3/t或工作面最高风速不大于3.5m/s。”采煤采气一体化的内涵和外延3/24/2024采空区几年后煤炭开采区煤矿规划区煤层气地面开发废弃矿井抽采煤矿生产区煤矿井下抽采水平井或直井地面预抽井下抽采与地面开发并举，分区实施从煤气共采的角度，可根据煤矿开采规划的区划，可分为采空区、煤矿生产区、近期煤炭开采区和煤矿规划区。由于不同区域的煤层气资源条件和开发条件差异较大，因此煤层气开发应采取不同的开发模式和开发技术。采煤采气一体化的内涵和外延3/24/2024煤矿井下抽放依据抽排的对象分为（四种抽排类型）：开采层抽排邻近层抽排围岩抽排采空区抽排（包括采动区抽排和废弃矿井抽排）

根据抽排方法不同可分为（四种抽排方法）：钻孔法抽排巷道法抽排混合法抽排地面直井抽排根据抽排与采煤的时间顺序分为（四种抽排方式）：采前预抽边掘边抽边采边抽采后抽排

采煤采气一体化的煤层气开发技术3/24/2024巷道钻孔倾斜方向顺煤层长钻孔预计工作面巷道位置回风顺槽运顺顺槽倾斜方向顺煤层钻孔切眼首采层卸压线底板抽瓦斯巷道顶板抽瓦斯巷开采保护层抽卸压瓦斯方式顶板岩石水平钻孔采煤采气一体化的煤层气开发技术煤矿井下抽放3/24/2024采煤采气一体化的煤层气开发技术煤层气地面开发与煤矿瓦斯地面预抽尽管煤层气开发的目的不同，但从技术层面看煤矿瓦斯地面预抽与煤层气地面开发完全是一样的，其区别在于开发的位置。煤矿瓦斯地面预抽是在未来3～5年将要采煤的区域抽采煤层气，煤层气地面开发则是在远离煤矿的煤层气富集区开采煤层气资源。随着多分支水平井技术的发展，为煤层气开发提供了更多的开发方式选择。

3/24/2024采煤采气一体化的煤层气开发技术煤层气地面开发与煤矿瓦斯地面预抽（1）根据直井压裂开采所特有的生产年限长、日产量低的特点，可以利用直井压裂开发模式形成长时期的稳定产能。3/24/2024采煤采气一体化的煤层气开发技术煤层气地面开发与煤矿瓦斯地面预抽（2）根据多分支水平井具有单井产量高特点，实现短时期提升煤层气开发项目产能的目的。根据开发区的煤层气地质条件、地形地貌特征、国内目前具备的设备条件和工艺技术水平，可根据每口井的具体条件设计单翼、双翼、三翼、四翼多分支水平井。3/24/2024采煤采气一体化的煤层气开发技术一井多用，高效抽采与采动区抽采通过煤层气开发与井下瓦斯抽采相结合和一井多用（采前抽、采动抽、采后抽），实现煤层气高效抽采,以建立先进的安全高效的绿色矿山。煤矿采动区瓦斯抽采是一种特殊的抽采方式，其技术要点包括：采煤前在采煤工作面中央施工大口径直井（非抽采层段和含水层段套管固井，抽采层段采用筛管完井或裸眼完井，充分利用采煤后在采煤上方的采动影响区（GOB）来抽采主采煤层和上覆煤层及上覆地层中的煤层气，从而降低采煤工作面和井下巷道的瓦斯浓度，以获得防治煤矿瓦斯灾害和开发煤层气资源的双重效益。3/24/2024采煤采气一体化的结论与建议根据作者对采煤采气一体化理论和技术的深入研究，形成如下结论和建议：（1）由于能源形势和煤矿安全生产的需要，全面推广采煤采气一体化模式势在必行。（2）采煤采气一体化的理念是“安全—资源—环境”，而不是“资源—安全—环境”。（3）煤层气开发必须坚持地面开发与井下抽采并举的方针，确保煤矿安全生产。（4）尽可能实施一井多用战略（采前抽、采动抽、采后抽），实现煤层气高效抽采。（5）建议煤矿业主根据当地的煤层特征和煤层气资源条件，选用合适的煤层气抽彩技术进行抽采，切莫盲目仿效。（6）建议煤层气地面开发企业认真考察地面开发条件，采取适宜的开发技术，应尽可能地考虑未来煤矿开采问题。3/24/2024早在20世纪70年代，美国的一些煤矿业主为了减少煤矿瓦斯灾害，试图利用石油天然气开采技术进行瓦斯抽放，通过一段时间的试验获得成功。形成的社会背景美国煤层气开发之所以取得如此辉煌的成就，除具有良好的煤层气资源条件外，在很大程度上得益于开发初期政府给予的财政支持和政策激励，特别是《原油意外获利法》中的第29条税收补贴政策（TheSection29TaxCreditinCrudeOilWindfallProfitTaxAct），使开发煤层气的收益超过了天然气，极大地增强了煤层气工业的竞争能力，激励了油公司积极投资于煤层气开发。☞☞随着国民经济的迅速发展，社会对优质能源的需求迅猛增长。因此寻找和开发新的油气替代资源迫在眉睫，尤其是20世纪70年代的石油危机，促进了新能源的发展。煤层气则是最理想、最现实的化石能接替资源。☞一、美国煤层气产业的形成与发展3/24/2024洞穴完井技术的应用和煤层压裂技术的突破，加速了美国煤层气产业的形成与发展。☞形成的技术背景一、美国煤层气产业的形成与发展3/24/202