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第一届世界新能源战略高峰论坛

中国工程院袁亮院士:我国煤层气开发利用的意义、现状和对策
   文章来源:北达基金   更新时间:2013-12-02 00:42:33    分享到:
 

一、我国煤层气开发利用的重要意义

目前,世界能源消费已经由发达国家主导向发达国家与发展中国家共享市场,发展中国家的份额逐步上升的格局发展。但是,发达国家在优质能源(油、气、核电等)消费中,仍占主要份额,人均能耗仍远高于发展中国家。这样导致传统能源被过快消耗,新能源开发的任务则变得更加急迫。

煤层气,也称煤矿瓦斯,是与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气,是近一二十年国际上广泛使用的洁净、优质能源和化工原料。开发利用煤层气对我国的意义,主要体现在以下几个方面:

第一, 加大煤层气资源的开发力度是满足能源需求的有效选择之一。

世界能源发展已经历了两次重大变革。工业化前,人类主要利用薪柴作为能源,18世纪第一次工业化革命中蒸汽机的出现带动煤炭逐步取代薪柴。19世纪70年代第二次工业革命,内燃机的出现带动石油逐步取代煤炭。目前,世界能源正处于第三次变革初期,可再生能源迅猛发展,最终将取代化石能源。

目前,世界化石能源只能满足全球能源需求的低速增长,资源供应趋紧,成为当今经济发展的瓶颈。于是,拥有巨大储存量的煤层气逐渐走进人们的视野。煤层气的热值与天然气相当,燃烧后几乎不产生任何废气,是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。20世纪80年代末90年代初,随着美国首先取得了煤层气地面开采的成功,世界各国逐渐开始重视煤层气资源。目前,美国的煤层气产量已占全部天然气产量的7%左右。加拿大、澳大利亚、英国、德国和波兰等国家在煤矿区的煤层气开发和废弃矿井煤层气的商业开发和利用方面也取得了很大的成效。我国一方面是能源供应趋紧,另一方面自身拥有丰富的煤层气资源,所以,加大煤层气资源的开发力度是明智而现实的选择。

第二,加大煤层气开发力度是实现我国能源结构优化调整的重要手段之一。

改革开放三十年来,我国经济持续高速增长,能源消费也随之增长。如果我国能源消费保持8.9%的增速,2020年我国能源消耗将达79亿吨标煤,占目前世界能源消耗总量的一半。即使能持续实现每五年GDP单耗下降20%,要保持9%的年经济增长,2020年我国能耗也将占目前世界能耗的三成。

然而,我国能源储备数量和结构都不容乐观,国家《能源中长期发展规划纲要(2004~2020年)》中已经确定,中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。显然,在相当长的时期内,煤炭作为我国的主导能源不可替代。据预测,2050年我国才能将煤炭调整为基础能源,但仍有30亿吨的需求,比例达40%左右。未来30年,80%左右为燃煤发电,年消耗煤炭占煤炭总产量的50%-70%左右,此格局将难以改变。

因此,逐步提高煤层气发电比例是一个现实的选择,我国煤层气储量丰富,约为36万亿m3,居世界第二位,加大煤层气开发力度是实现我国能源结构优化调整的重要手段。

第三,加大煤层气开发力度是实现我国煤矿安全生产的可靠保障之一。

煤层气空气浓度达到5%-16%时,遇明火就会爆炸,这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。党中央国务院高度重视煤矿安全和瓦斯治理工作,2005年以来,国家先后在淮南、晋城、沈阳、南昌等地召开了全国煤矿瓦斯防治工作现场会,出台了一系列适合我国煤矿安全生产实际的政策法规和文件,各省市自治区及煤矿生产企业认真落实。“十一五”期间,在国家的高度重视下,我国开发利用煤层气取得了显著成效。2005年以来,全国煤矿瓦斯抽采、利用量大幅上升,促进了煤矿安全生产。2010年,全国煤矿瓦斯(煤层气)抽采量达91亿m3,其中,井下瓦斯抽采量为76亿m3 ,地面煤层气产量为15亿m3。瓦斯利用量大幅上升,2010年,全国煤矿瓦斯利用量由2009年的25亿m3,增加到36亿m3,利用率达40%。

在煤炭产量持续增加的情况下,煤矿事故总量、煤矿百万吨死亡率持续下降,煤矿安全生产形势持续稳定好转。2010年,全国煤层气抽采量达91亿m3,全国煤矿瓦斯事故比2005年减少269起、比上年少死亡了1548人,分别下降65%和71.3%。百万吨死亡率从2005年的2.81下降到2010年的0.749的历史最好水平,但与世界先进水平差距仍然较大(2008年美国0.028,俄罗斯0.41,波兰0.25,印度0.32)。我国煤矿地质、开采条件极其复杂,95%以上为井工开采,国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,大部分为低透气性煤层(渗透率<1)。南方煤矿开采条件更加困难,瓦斯事故是煤矿的第一杀手。低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题,长期以来没有解决,此类煤矿瓦斯爆炸事故多发、生产效率低下,安全高效开采难以实现。我国煤矿安全生产要实现根本好转,任重而道远。所以,加大煤层气(煤矿瓦斯)开发力度,是实现我国煤矿安全生产的可靠保障之一。

第四,加大煤层气开发力度是降低温室效应,实现节能减排的重要措施。

资源和环境制约等全球变化因素,对传统能源格局提出挑战。能源利用将进一步向节能、高效、清洁、低碳方向发展。煤层气的主要成分CH4是温室气体,煤层气直接排放到大气中,其温室效应是二氧化碳的21~25倍,对生态环境破坏性极强。2010年,中国煤炭产量32.5亿吨,约占世界煤炭生产总量45%,利用煤炭产生的二氧化碳比利用石油和天然气高得多。在全球高度重视气候变化的今天,我国面临的环保压力越来越大。可见,加大煤层气开发力度,是降低温室效应、实现节能减排的重要措施,可实现能源、安全、环境三重效益。

二、煤层气开发利用现状及存在的问题

世界煤层气开发利用现状。

全球煤层气资源量很大,目前全世界拥有的煤层气资源总量约为240×1012m3。资源量最多的5个国家是俄罗斯、中国、加拿大、美国和澳大利亚。

近年来,尤其是“十一五”期间,我国的煤层气开发利用也取得了显著进展,这主要体现在以下几个方面。

第一,查明煤层气资源,勘探技术实现自主创新。

根据相关部门公布的数字,我国煤层气资源,埋深2000m以浅地质资源量36.81万亿m3,埋深1500m以浅可采资源量10.87万亿m3。截至2010年底,探明储量1852亿m3,比“十五”末期增长近30%,而深部煤层气资源在30万亿m3以上。在探明的基础之上,我国进行了比较大规模的勘探与开发试验。目前已登记区块90余个,对60余个进行过煤层气勘探与开发试验,对沁水盆地和鄂尔多斯盆地10余个区块进行了商业性开采。2010年,勘探与开发试验又出现了重大突破,四川古蔺、贵州织金、黑龙江依兰产出工业价值煤层气流。

与此同时,我国在煤层气开采利用方面也有一些可喜的技术创新。一是地面井增产关键技术国产化和自主创新,它改进完井技术与装备,支撑了地面开发工程规模性发展;羽状水平井关键技术上自主创新,为高效改造低渗煤层提供手段。现在已施工70余口,效果显著;多元气体驱替现场试验,积累必备经验。二是矿井抽采技术重大创新,如区域性煤与瓦斯突出综合防治技术,矿井煤层定向压裂和水力割缝卸压等低透气性煤层增透技术及装备,为近年来国家煤矿安全保障技术体系发展做出了重要贡献。三是创新了煤层气开发模式,其中最重要的是淮南模式和晋城模式。其一,采煤采气一体化、把瓦斯作为资源,在淮南矿区形成了井上下立体的?压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的煤层气开发工程技术,把瓦斯集中“抽采”至地面,变害为宝加以利用,这种方式被称为淮南模式。晋城矿区经过多年的探索,成功创建了“清水钻进,活性水压裂,低压排采,定压集输”等一整套地面抽采煤层气技术,打破了无烟煤煤层气地面抽采的“禁区”。2010年,累计建成地面抽采井3906口,最高单井日产气量达16000m⒊,地面煤层气年抽采能力达30亿m⒊。煤矿规划区-开拓准备区-煤矿生产区“三区联动”立体抽采技术体系,这就是晋城模式。淮南模式和晋城模式为实现安全、能源、环境三重效益并举创造了重要条件。

第二,管网建设初见成效,为规模利用奠定基础。

现在已经铺设和开工建设5条煤层气管线,总长度700km,年输气能力70亿m3。沁水-晋城管线,41km;跨省长输管线(端氏-晋城-博爱),98.2km。端氏-沁水管线,首次连接西气东输管道。晋城北-长治主管线,92.24km。临县-保德-原平管线2009年底开工,主干线380km。与此同时,一批管道输送工程即将开工建设,总长度1400km,年输气能力超过80亿m3。沁水-侯马-河津管线、韩城-澄城管线即将动工,国家“十二五”煤层气开发利用规划了晋城-长沙管线。

第三,国家加大投入扶持,提供了产业发展平台。

一是国家政策支持。“十一五”期间国家产业政策给予优惠扶持,启动一系列重大研究计划,重点企业投入巨资建设开发利用煤层气基础能力。国家还在2006年首次将煤层气开发列入五年能源发展规划,在煤层气探矿权、采矿权管理以及煤炭/煤层气资源综合开发、利用等方面出台一系列激励措施。二是领导人重视。张德江2009年12月《求是》撰文,呼吁大力推进煤矿瓦斯抽采利用。国家产业政策给予优惠扶持,启动一系列重大研究计划,重点企业投入巨资建设煤层气基础能力。三是立法保障。2006年,国家首次将煤层气开发列入五年能源发展规划,在煤层气探矿权、采矿权管理以及煤炭/煤层气资源综合开发、利用等方面出台了一系列激励措施。四是科技投入。国家实施了一系列煤层气重大科技计划,“十二五”期间,煤层气产业被纳入国家《新能源产业振兴发展规划》草案,“十二五”国家重大专项即将启动。这其中包括:国家科技重大专项8个研究项目和6个示范工程,973计划4个项目,863计划、国家科技支撑计划、国家技术创新项目、国家自然科学基金等。与此同时,国有重点企业也加大抽采技术研发的投入力度。

第四,国家“十二五”产业规划,国企投入巨资。

一方面,国家能源局计划2015年全国产量200亿m3(地面100亿m3,矿井110~120亿m3),2020年500亿m3。申银万国公司预计,2020年和2030年全国产量300亿m3和550亿m3,2008~2020年CAGR为15%。煤层气产业被纳入国家《新能源产业振兴发展规划》草案,“十二五”国家重大专项即将启动。

另一方面, “十二五”期间,我国天然气在能源消费结构中比例将由目前4%提高到8%,这为相关企业提供了巨大商机。中石油集团未来几年拟投资100亿元以上,预计煤层气年产量2015年45亿m3,2020年产量100亿m3。中联公司计划2011年投资20~25亿元,预计2020年年产能100亿m3。中石化集团计划建成5个地面开发基地。晋煤集团力争在“十二五”末实现年产量100亿m3。

在煤层气开发利用取得成效的同时,我国煤层气开发利用中也存在着很多问题,即严重滞后于我国经济发展的客观需要。2010年,我国煤层气产量91亿m3,其中地面煤层气14.5亿m3,仅完成国家“十一五”规划目标(50亿m3)的29%。相比之下,美国2010年煤层气产量约600亿m3,为我国的6.8倍。同时,据预测我国2015年天然气消费将达到2400亿m3,缺口为500~600亿m3,2020年,缺口将进一步扩大到900亿m3。

造成我国煤层气开发落后于发达国家有多重原因。

第一,客观条件的制约。与发达国家相比,我国煤层气储存条件具有“三低一高”(低饱和度、低渗透性<1mD(渗透率单位)、低储层压力,高的变质程度)的特点,大部分矿区煤层渗透率在10-4~10-3mD,比美国等低3~4个数量级,此类条件下的煤层气开发是世界性难题,直接引进国外技术难以凑效,这也是我国地面抽采煤层气困难的主要原因。

第二,技术手段的制约。地面开发技术适应性弱,关键技术几乎全部来自于国外发明,“本土化”成熟程度不足,适合于本国不同地区地质条件的开采工艺技术整体上与国外存在较大差距。我国地质条件变化大,照搬国外技术难以取得地面开发大面积突破。

第三,政策法规的制约。其一,政策法规不健全,影响到企业开发煤层气的积极性。其二,缺乏统一规划,带来一系列矛盾和问题。其三,资源管理体制不顺, 煤层气/煤炭开采部署无法有效衔接和推进。其四,投融资机制不完善, 多元化投融资机制尚待建立。其五,激励和约束机制有待强化。此外,煤层气/煤炭矿权重置及管理主体分离,煤层气/煤炭矿权开发客体分离,煤层气/煤炭开采接替时空配置缺乏科学方法,煤层气/煤炭企业之间缺乏利益的有效协调与平衡机制,相关政策不协调等等,也都使不同开发主体对法律法规理解产生歧义。

三、我国煤层气开发利用的科学思考与对策

针对煤层气(煤矿瓦斯)开发与利用的现状以及未来的能源需求,我国未来必须从安全、能源和环境的三重效益入手,破解开发与利用的难题。

从“十二五”开始,我国重视煤层气(煤矿瓦斯)产业发展,查清煤层气资源量及储存条件,总结和推广“十一五”以来的成功经验。我国煤层气的开发要做到“两条腿走路”。一是适合地面煤层气开发条件的地区,优先安排勘探开发,突破关键技术和政策瓶颈,解决“气权矿权重置”等问题,推广“晋城模式”,走先抽煤层气后采煤的路子,努力用5~10年的时间,地面抽采煤层气达到150~250亿m3以上。二是短期内无法采用地面煤层气开采的“三低一高”矿区,推广“淮南模式”,走煤矿区采煤采气一体化、煤与瓦斯共采的路子,力争用5~10年时间,煤矿区瓦斯抽采量达到150~250亿m3,尽快实现我国煤层气(煤矿瓦斯)开发利用的安全、能源和环境三重效益的最大化,抽采量达300~500m3,利用率达60~80%。

实现我国煤层气开发利用目标的科学思考和对策。

第一,国家加大煤层气(煤矿瓦斯)开发的研究力度,持续研究攻关针对不同矿区的“三低一高”条件地面开发煤层气和煤矿区深部采煤采气一体化的煤与瓦斯共采关键技术及工艺装备。加大国家科技重大专项、973、863和科技支撑计划的支持力度;加大开展煤层气(煤矿瓦斯)开发基础理论、技术装备的攻关研究力度;力争用5~10年时间取得重大突破。

第二,基于我国煤矿资源赋存条件的特殊性,未来5~10年,在“三低一高”、地质条件复杂煤矿区,首先推广我国自主创新、具有世界领先水平的低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采技术,高度重视基础研究和科技攻关;搞清深部煤炭开采过程中的构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场的分布规律,提高煤层气抽采效率,实现煤矿瓦斯抽采和利用最大化,形成以抽促采、以用促抽、以抽保安全的科学开采新格局。在产煤大省建立示范矿区,尽快提升我国煤矿瓦斯治理能力和整体安全生产水平。

第三,国家支持开展煤层气浓缩、液化、提纯研究,推进规模化、产业化发展,提高产品附加值。加强煤层气集输管网规划和工程建设,实施分步能源系统建设,力争实现利用浓度的全覆盖,开发新的利用途径,使我国煤层气利用达到世界先进水平。

第四,国家从体制和机制上为煤层气的开发利用提供保障,加强顶层设计,破解影响产业发展的政策“瓶颈”。进一步出台鼓励煤层气开发和利用的相关政策和措施,构建我国煤矿企业及煤层气开发企业为开发利用主体的新局面;引导并支持资金、人才资源向煤层气开发利用企业聚集。支持国家级煤层气开发与利用研发平台建设,支持技术服务产业发展;在相关高校设立煤层气开发利用学科,培养高水平专业技术人才。

我国煤层气(煤矿瓦斯)开采与利用应立足于煤矿科学开采,充分发挥主导能源煤炭伴生资源煤层气(煤矿瓦斯)安全、能源和环境三重效益,坚持科学开发、科学利用,全面推动这一新兴产业的健康快速发展!

(北京大学世界新能源战略研究中心顾问中国工程院袁亮院士)


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