关于煤层气开发的问答

什么是煤层气？

煤层气是一种由煤层生成并主要以吸附状态富集于煤层中的非常规天然气，主要成分是甲烷（95%～98%），因此被称为煤层甲烷，在煤矿中又俗称“瓦斯”，主要吸附在煤基质颗粒表面、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，是煤的伴生矿产资源，是近二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。

煤层里为什么会有气？

煤是由植物埋藏地下，经过漫长的地质年代和地壳运动，在隔绝空气的情况下，在细菌、压力和温度的作用下，逐步演变而成的。煤的原始有机物质主要是碳水化合物、木质素，成煤作用由泥炭化和煤化作用两个阶段完成。

煤的形成过程十分漫长

在绿色有机体转变为煤炭的成煤过程中，经过生物化学热解作用，会以吸附或游离状态，在煤层及固岩里产生一种以甲烷为主的自储式气体。这种气体就是煤层气，按其成因类型可分为生物成因气和热成因气。这种气体的大量聚集，就形成了煤层气藏。煤层气藏形成需具备五个条件，即煤层厚度、煤变质量度、封盖条件、水文地质条件和煤层埋藏深度。

金丝鸟可以预防瓦斯爆炸？

瓦斯气体是气体的英文音译词，英文是gas，是一种易爆炸的气体。在煤层气名词出现前，煤层里的气体一般称为瓦斯气。它在矿井中爆炸，是一种热链式反应（也叫链锁反应），俗称“瓦斯爆炸”。

当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。

这种爆炸，必须同时具备三个基本条件：瓦斯的浓度、充足的氧气含量和足够能量的点火源。点火源如明火、煤炭自燃、撞击火花、电火花等。

瓦斯爆炸直接威胁矿工的生命安全，一直是煤矿安全生产的主要威胁之一，是困扰采矿业的重大难题，造成巨大损失和重大伤亡的事故屡有发生。因此，瓦斯爆炸被称为“瓦斯恶魔”。

为了预测“瓦斯爆炸”，躲避采煤风险，早在科技尚不发达的17世纪中叶，英国的威尔士地区和法国北部，矿井工作在采取一些必要安全措施外时，有的矿工会提着一个装有金丝雀的鸟笼下到矿井，把鸟笼挂在工作区内。因为金丝雀对“瓦斯”或其他毒气特别敏感，只要有非常淡薄的瓦斯产生，对人体还远不能有致命作用时，金丝雀就已经失去知觉而昏倒。矿工们看到这种情景后，会立即撤出矿井，避免伤亡事故的发生。

17世纪煤矿工人常常手持金丝鸟，以辨别工作场所的空气是否适合呼吸

瓦斯气就是煤层气吗？

瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。在煤炭界，习惯上指矿井瓦斯。

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、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源。煤层气和瓦斯的主要成分都是CH4（甲烷）。瓦斯和煤层气基本没什么区别，都是可燃可爆且对人具有窒息作用的无毒无色无味气体。煤矿上将那些呈游离状态的甲烷和其他混合性有毒有害气体统称为瓦斯。

煤层气就是天然气吗？

煤层气和天然气属于一个家族。常说的天然气是常规天然气，而煤层气是非常规天然气。细致分析，他们有“四个不同”：

（1）储集机理不同。常规天然气是以游离状态储集在储层的孔隙空间当中，在气源充足的情况下，其聚集量主要与孔隙空间的大小有关。煤层气则以吸附状态赋存在孔隙的表面之上，其聚集量与煤层的吸附性密切相关。

（2）成藏过程不同。常规天然气由烃源岩生成后，经过一定距离的一次运移和二次运移在储层中聚集成藏，运移方向受流体动力场控制，即天然气主要是在浮力和流体压力的驱使下进行运移；煤层气由煤源岩生成之后直接被煤储层吸附而聚集，这种聚集不受流体动力场的控制而受温压场的控制。

（3）气藏边界不同。常规天然气有明显的气藏边界，并且气藏边界内外天然气含气是具有“有”和“无”质的变化；而煤层气藏与常规天然气藏最大的区别之一就是气藏边界不确定，只要有煤就有煤层气的存在，在某些地质条件下，煤层气相对富集形成煤层气藏。因此，煤层气藏内外是含气丰度的差别，而不是有气和无气的差别。

（4）流体状态不同。常规天然气藏和煤层气藏都有气、水两相存在，但二者所处的状态不同：常规天然气藏一般以气相为主，即储集空间被游离的气相所占据，存在少量束缚水，水主要以边水和底水的形式存在于气藏的边部和底部，具有统一的气水界面；而煤储层中大的孔隙空间主要是被水所占据，水中含有一定量的溶解气，部分孔隙中存在游离气相，气藏中的大部分气体以吸附相存在，占80%以上，即煤层气藏中有吸附气、游离气和溶解气三种存在形式。

煤层气的主要用途是什么？

煤层气的热值跟甲烷（CH4）含量有关。地面抽采的煤层气甲烷含量一般大于96.5%，高热值为每立方米38.9311兆焦，低热值为每立方米34.5964兆焦。井下抽采的煤层气目前一般将甲烷含量调整到40.8%后利用，此时煤层气的高热值为每立方米16.24兆焦，低热值为每立方米14.63兆焦。

每标准立方煤层气大约相当于9.5度电、3立方米水煤气、1升柴油、接近0.8千克液化石油气、1.1～1.2升汽油。另外，煤层气燃烧后几乎没有污染物，因此它是相当便宜的清洁型能源。它可以用作民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料，用途非常广泛。如家庭的生活用火，工厂发电，汽车燃烧都将其作为动力。当前，我国煤层气利用率较低，所以煤层气的开发利用，是我国当前乃至世界能源界亟待解决的问题。

为什么要开采煤层气？

开发煤层气，有三个方面的重要意义：

（1）降服“瓦斯恶魔”，变害为宝，保障煤矿的安全生产，改善煤炭生产经济效益。在煤炭开发生产过程中，频频发生瓦斯爆炸，既造成严重的人员伤亡、财产损失，又造成大量的能源浪费。我国国有重点煤矿中高瓦斯矿井占47%。据统计，1950-1990年，我国发生瓦斯事故1500余起，约占世界瓦斯突出事故的40%，历年因瓦斯事故死亡的人数为世界总死亡人数的30%～40%。仅1983至1994年间，我国就发生瓦斯事故675起，死亡4571人，直接经济损失150亿元，造成了严重的生命与财产损失。从这一点来讲，开采煤层气是煤矿开采的首要安全保障，也是国务院一直强调的，要想开发煤矿，必须先开发煤层气，将瓦斯浓度降低到一定的安全范围内才允许开发煤矿。

（2）改善国家能源结构，促进国民经济的发展。我国的能源结构与世界发达国家相比极为不合理，煤炭占比大，石油仅为世界平均水平的三分之一，天然气为十分之一。我国能源紧缺，不能满足高速发展的国民经济对能源的需求，只有大力发展煤层气等新型清洁能源，才能弥补我国能源的缺失。

（3）减少大气污染，保护人类的生存环境。甲烷的温室效应大约是二氧化碳的20倍以上，据粗略估计，我国每年向大气排放的煤层气甲烷约为60亿立方米，占世界的三分之一，既浪费了能源，又对环境造成了极大的破坏。开发煤层气，不仅能改善我国的能源结构，还可以减少大量瓦斯排放造成的环境污染，并加速我国以煤为主的能源系统逐渐向环境无害化的可持续发展模式的过程转化，实现碳中和、碳达峰的承诺目标，树立遵守国际公约，保护地球环境的良好国际形象。

中国的煤层气“难成大器”吗？

中国2000米以浅的煤层气资源量约为36.81万亿立方米，大有开发利用的潜力。但是，开发利用初期出现了“产量少、利用率低、勘探投入不足、产业发展低于预期”的局面，于是有人便产生了煤层气“难成大器”的悲观情绪。随着国家对煤层气逐步重视，中国的煤层气急速增长。

中国42个主要含气盆地埋深2000米以浅的煤层气地质资源量36.81万亿立方米，主要分布在华北和西北地区（占总资源量84.4%）,与陆上常规天然气资源量38万亿立方米基本相当。

我国煤层气已进入快速发展轨道，全国煤层气探明储量达到1700亿立方米，与2005年相比，增长70%；累计施工煤层气井3600多口，增长5倍；年产量达7亿立方米，增长18倍，产能达到25亿立方米。

2009年累计抽采煤层气64.5亿立方米，利用19.3亿立方米，其中地面煤层气产量10.1亿立方米，利用量5.8亿立方米，与2005年相比，五年时间煤层气抽采量、利用量增加了约3倍，煤层气抽采利用不断取得进展。

中国的煤层气不是“难成大器“，而是“大器晚成”。

中国煤层气的开发利用经历了哪三个阶段？

人类发现和使用煤炭已有3000多年的历史（12世纪到17世纪得到广泛应用，17世纪初期“蒸汽动力”被应用于工业机器，甚至发动火车等，蒸汽机发明之后，进入煤炭时期。18世纪的工业革命，煤炭被广泛用作各种工业生产中的燃料）。但是，利用煤层气是近些年的事情。

随着中国经济的快速发展，能源短缺的问题进一步加剧，煤层气受到中国政府的高度重视。中国的煤层气“六五”期间（1981-1985年）开始启动，“十五”期间（2001-2005年）写入国家煤炭工业规划。

截至2020年底，先后经历了三个发展过程：一是20世纪80年代至2000年，在地质研究上为寻证，在勘探上为寻找，在开发上为探索；二是2001至2002年，在地质研究上为探因，在勘探上为普查，在开发上成绩不大；三是2003至2020年，在地质研究上为求源，在勘探上为详查，在开发上为商业化生产。2020年，累计探明煤层气地质储量7500亿立方米，开发煤层气田25个，煤层气年产量达到了55亿立方米。

中国煤层气的开发利用前景如何？

煤层气的开发利用是一举多得的民生工程，具有广阔的发展前景。

（1）具有良好的资源和政策条件。我国煤层气资源十分丰富，在区域分布、埋藏深度等方面也有利于规划开发。我国已基本形成了国家支持煤层气抽采利用的政策体系，并且支持力度不断加大，各地和企业的积极性空前高涨，煤层气抽采利用的政策环境、社会环境十分有利。

（2）市场需求巨大。在中国的一次性能源消费结构中，煤炭约占74.6%，处于主导地位，石油占17.6%，而天然气仅占2%，远低于23%的世界平均水平。随着终端能源需求逐步向优质高效洁净能源转化，燃气的需求迅速增长，市场供应缺口较大。开发利用煤层气，可以节约资源，有效弥补我国常规天然气供用量的不足，优化能源结构，煤层气利用市场潜力很大。

（3）适应低碳经济与环境保护的要求。煤层气与石油、煤炭相比，同样热值下释放到大气中的CO2比石油少50%，比煤炭少75%。每利用1亿立方米甲烷，相当于减排150万吨CO2。2009年，我国利用煤层气19.3亿立方米，共减少排放2880万吨CO2。煤层气的开发利用不仅可以有效降低甲烷的排放量，而且能够大大减排温室气体CO2，保护大气环境，这正是目前低碳经济所倡导的。

（4）保障煤矿安全生产。煤层气的开发不仅可以利用新能源获得巨大的经济效益，而且可以改善瓦斯环境，减少矿井事故，提高煤田勘探程度，为煤层顶板管理、火灾防治、煤尘爆炸等提供依据。在目前国内煤矿事故频发的情况下，可以通过煤层气的开发，加强煤矿地质安全保障，有效地降低煤矿事故，促进煤矿安全生产。

作者：王濮