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煤层气是赋存于煤层及其围岩之中的一种自生自储式非常规天然气。它是一种新型的洁净能源和优质化工原料，是我国在21世纪的重要接替能源之一。开发利用煤层气，对缓解常规油气供应紧张状况、改善煤矿安全生产条件、实施国民经济可持续发展战略、保护大气环境等多方面均具有十分重要的意义。
（一）国家需求
1．发展煤层气工业，是国家能源安全的需要
随着国民经济的快速增长，对能源的需求量日益增大，国内能源短缺的形势也越来越紧迫。作为能源主要支柱的石油的供给已难以满足国民经济的飞速发展。我国目前原油年增长率只有1.7%，与为适应国民经济增长速度所需的4%-5%能源增长率相差甚远。2000、2001两年原油纯进口量均超过6000万吨。这种局面直接威胁到了我国的能源安全。改变这一局面的重要途径就是根据我国实际地质条件和资源环境，充分开发和利用国内其它资源，来减轻原油供给的压力。煤层气是一种洁净而经济的资源，在美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等许多国家已给予了充分的重视，其中美国已在多个盆地投入大规模的开发，2001年煤层气产量已达400多亿立方米，约为我国同期天然气产量的1.3倍。
我国具有丰富的煤层气资源。根据多方估算，煤层气资源总量为25－35万亿立方米，新一轮全国煤层气资源预测结果，我国煤层气资源量为31万亿立方米，居世界第二位，与我国陆上常规天然气资源量（30万亿立方米）相当。目前我国已探明煤层气储量为754亿立方米，控制储量3000多亿立方米。因此，煤层气是除常规天然气以外，资源量最大、最为现实的洁净能源，勘探开发煤层气是国家能源可持续发展战略最为现实的选择。
2．加快利用煤层气可补充常规天然气长远资源量的不足
利用常规天然气补充石油资源的不足已成为共识。由于天然气管道和下游市场制约了天然气开发和利用的速度，造成了当前天然气后备资源充足的假象，随着国民经济的快速发展和天然气工业上、下游配套建设的迅速扩大，对天然气的需求量将有一个大的飞跃，将会出现常规天然气供不应求、后备资源不足的局面。据测算，2020年天然气需求量达到1800-2000亿立方米，但天然气产量仅为1200-1300亿立方米，而且缺口还会逐渐拉大。因此，开发和利用丰富的煤层气资源，是补充我国常规天然气长远资源不足的重要举措，也是天然气工业发展由常规向非常规发展的必然趋势。
3．开发中国东部地区煤层气，将会减轻经济发达地区能源短缺的压力。
从我国地质条件和勘探成果分析，常规天然气资源主要分布在中西部地区。据统计，66%的天然气资源、75%的探明储量、53%的天然气产量分布于中西部地区，西气东输要依赖于长输管线才能将西部天然气资源输送至东部经济发达地区。而中国东部煤层气资源非常丰富，75%的煤层气资源分布于中东部地区，这些经济发达和较发达地区煤层气就近开发利用，不受输气管线的限制。因此充分开发利用东部煤层气资源能减缓东部能源短缺的压力
4．加快煤层气开发将有效改善煤矿生产安全条件，保护大气环境。
赋存于地下的煤层气对煤矿安全生产构成重大危害。2000年，起源于瓦斯的煤矿事故占全国煤矿事故的58%以上。随着煤矿开采向深部的延伸，煤矿瓦斯事故日趋严重，国家财产也蒙受巨大损失。如果在采煤前将煤层气开采出来，就会从根本上消除矿井瓦斯灾害的隐患，提高煤矿安全生产的保障程度。
煤炭开采过程中向大气释放的甲烷以及煤炭燃烧释放出来的二氧化碳是大气温室气体的重要来源，我国每年由于采煤向大气释放的煤层甲烷量高达60亿立方米，占全球这种重要温室气体同样来源的46%。加快煤层气的开发利用可以减少甲烷气体向大气的排放，有效地改善我们赖于生存的环境。
（二）国内外研究现状和发展趋势
煤层气长期被作为灾害性气体对待。直到20世纪70年代早期，由于发生能源危机，煤层气才被作为潜在的能源看待。美国在1976年成功打出第一口商业性生产煤层气井，1981年初步实现了煤层气的商业性生产，成为世界上第一个对煤层气进行工业性开发的国家；1991年全美煤层气生产量为88.6亿立方米，到2001年已增长到400多亿立方米。发展十分迅速。
受美国煤层气开发成功的鼓舞，世界上许多国家都积极引进美国的成功经验，进行煤层气地质研究和勘探开发试验。其中，澳大利亚、加拿大、波兰等国家较为活跃。20世纪80年代以来，我国各有关部门和科研教学单位相继开展煤层气研究与开发试验工作，虽然在柳林、晋城、淮南等局部地区取得进展，但至今尚未取得实质性突破。截止目前，除美国外，其他国家都尚未能进行煤层气的大规模开发。其主要原因，一是没有彻底解决各自的具体技术问题；二是美国煤层气地质理论存在很大的局限性，各国尚未建立起符合其地质条件的煤层气理论体系。
煤层气的同位素地球化学与成因类型方面的研究，由于尚未形成自身较成熟的理论与方法，无论从基础研究或应用研究的角度看，均非常薄弱，目前主要根据或借鉴常规天然气地球化学方面的理论与方法，在总体上处于探索性研究和积累资料的阶段。煤层气的成因类型与划分，目前基本上是沿用常规天然气的有关概念或方案。需在深入研究碳同位素分馏机理与分布规律的基础上，拓展煤层气氢、氮、氧、硫及稀有气体等同位素及其母质的相关同位素研究，建立完善或成熟的成因分类方案与相应的地球化学综合判识指标体系，进一步研究各类煤层气的资源潜力。
煤层气主要以吸附状态赋存于煤基质微孔隙的内表面上，这是煤层气藏与常规天然气藏的主要区别之一。研究煤对煤层气的吸附特征对认识煤层气的储存机理、解吸运移规律等具有重要意义；煤样的吸附等温线及吸附常数，是煤层气资源评价、储层特征描述、气井产能预测、理论回采率计算等方面所需要的重要参数。根据实验研究及理论分析，煤的吸附能力（饱和吸附量）主要受煤的变质程度、煤岩组成、灰分等控制；吸附能力随煤变质程度的提高呈折线变化关系。总结煤吸附甲烷的研究实践及研究成果发现，由于认识不足和（或）测试手段等原因，常常忽视了煤层气处于超临界状态、吸附实际发生在固-液-气三相体系之中、煤层气并非只有甲烷而是多组分的混合气体等一些实际条件。
煤层气的成藏机制是煤层气基础地质理论中的核心问题。煤层气藏是指在地层压力作用下保存有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，具有独立的构造形态，是进行煤层气勘探和开发的基本地质单元。在这方面的研究国内外都比较薄弱，我国学者做了一些初步工作。梁生正等根据含气饱和度将煤层气藏划分为水压圈闭煤层气藏和气压圈闭煤层气两种类型（对于第二种类型，认为就是常规气藏）；钱凯等人根据美国煤层气勘探成果，提出了水压向斜、水压单斜、气压向斜、背斜构造、异常低压这样5种煤层气藏类型；赵庆波将煤层气藏划为顶板水网格状微渗滤封闭、承压水封堵、构造圈闭和压力封闭型气藏4种类型。这3种划分，都以"圈闭"为基础，根据构造形态和含气饱和度为依据。张新民等认为，煤层气藏不建立在"圈闭"概念之上，并根据煤对甲烷吸附能力的大小和其变化趋势，以及最大吸附量与生气量之间相对大小的关系，在煤热演化系列中将煤层气藏划分为少生中储、多生低储、多生高储和变生少储4种类型。但是无论哪种意见，均没有建立起系统的煤层气成藏理论，不能具体指导煤层气勘探、资源/储量计算等生产实践。当前应在煤层气藏边界条件界定、形成煤层气藏的基本要素、煤层气藏的保存与改造、煤层气藏的成因类型等方面开展深入研究，以满足实际需要。
国内外对煤层气藏经济开采机理的研究和认识远不如常规天然气的研究那样深入和丰富，国内外可借鉴的知识也有限。20世纪80年代早期，美国开始地面开发煤层气的试验和研究，提出煤层气的开采是通过排水降压实现的理论，在理论研究和开发技术上均处领先地位，有代表性的研究如：W.Sung,
H.S.Price, J.P.Seidle, R.Schraufnagel以及T.Ertekin等人，从煤层气藏的双重孔隙和各向异性以及地层条件下研究甲烷气的吸附－渗流机理。但在实验方法和实验模型方面没有形成系统的方法，对高煤级煤层气缺乏相应的有效技术。我国在煤层气开发理论方面的研究起步较晚，仍处于探索阶段。
从储层物性上看，煤层气藏是基质、割理、裂隙的多重变形介质体系。外生裂隙缝对煤层渗透性影响很大，孔隙度及渗透率受储层压力、地层应力制约而变化，甲烷的产出导致煤基质的收缩；目前还没有研究考虑产气过程中地应力对孔隙度、渗透率和气水相对渗透率等的影响以及流-固两相的耦合关系。在煤层气解吸-渗流耦合作用机理与模型方面，尽管考虑了微孔隙内的稳态和非稳态扩散，但没有考虑吸附、扩散与渗流的耦合与制约。在煤层气藏"水"的问题上没有研究煤层的含水特性，含水饱和度，气-水两相流的流态，目前也没有开展煤层复杂介质气－水相对渗透率实验和研究。
在增产技术研究方面，普遍采用水力压裂方法增产。在裂缝几何形态表征和裂缝扩展规律研究等方面采用与常规天然气藏压裂相类似的方法，而没有建立和形成适合煤层气特征的压裂增产理论和方法。在提高煤层气采收率研究方面，美国和加拿大进行过向煤层注入CO2和N2置换CH4
的室内和现场实验，在我国这项工作刚刚开始进行实验室研究。
可见，为了实现煤层气藏的经济开采，必须研究煤层物理性质在开发过程中的变化规律，建立煤层气藏甲烷流动的基本理论，在此基础上进行开采机理和增产机理研究，提出煤层气经济开采实施方案。
（三）项目研究的科学意义和可能的突破点
中国的煤盆地，具有复杂的演化史和构造变形史，构造样式复杂，煤的变质作用类型多，至今还没有系统的符合中国地质条件和技术环境的煤层气科学理论，以及在此基础上产生的有效指导思想，致使我国煤层气产业化进程缓慢。美国学者也认为，建立在未经过强烈构造变形改造的含煤盆地基础上的美国煤层气勘探开发理论，由于不太适合中国和匈牙利的复杂煤盆地而遇到了挑战。中国煤层气开发所面临的难题，也是国际上煤层气产业化所面临的亟待解决的重大科学问题，代表了该科学领域发展的前沿。因此，研究中国煤层气藏的形成机制，建立适应于中国复杂地质条件的煤层气富集理论和低成本开采技术，对发展煤层气地质理论、为我国提供21世纪的新型洁净能源基地、带动煤层气经济开采技术的产生、推动我国和世界煤层气产业的发展等均具有重要意义。
本项目拟在煤层气储集机理及非均质性、煤层气成藏的动力学条件、煤层气分布和富集理论及低渗煤层气经济开发机理等方面取得突破。 |
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