煤层气开发利用的中国之路
山西省21世纪议程领导组办公室  董全庚
个人简历：
董全庚 1961年毕业于太原机械学院机械系。1988年深造于国家机械委机械工程师大学，相当硕士课程。从事机械设计工艺20余年，设计改装机床20余台，CW6140定为国家产品。与中科院物理所合作研制成功中国首台CFZ?/FONT>100型Nd Fe B磁材粉末成形100t压机。有设计目录100余项。翻译英俄德法日文种科技文献资料400余万字，中译英俄等文50余万字，有目录100余项，撰写机械科技、翻译理论实践、可持续发展、煤层气开发利用等论文50余篇，以及发表各种论著共有目录100余条。历任技术员、工程师、主任设计师、技术组长、总工程师、机械研究所所长、山西华贤发展公司副总兼工程技术处处长，教授级高级工程师。获科技进步三、二等奖多次，获泰国新产品展览银奖，省优秀论文二等奖。出席中国科协两届学术年会，均有论文入选。

前言
本文谨就煤层气的开采，对总体战略指导下的战术问题，提出探讨，以利各方认识深化，加大行动的自觉性和实施力度，推广阳泉模式，走中国特色的煤层气开发利用之路。
1 中国的能源结构和煤烟型污染
1.1以煤为主体的能源生产消费结构
1996年我国原煤生产和消费占一次能源生产与消费总量的74.2%和78.2%。1996年一次能源消费结构为：石油18.2%、天然气1.7%、煤炭78.2%、水电1.8%。足以说明是单一的煤炭型结构。
1.2煤烟型污染
煤烟型污染，目前是世界上最大的污染源，只有中国、波兰、印度等少数国家属此种类型。就中国而言，全国每年排入大气的烟尘达23Mt、SO214.6Mt，其中燃煤排放量分别为73%和90%。中国北方城市大气中总悬浮微粒日均年值为403 g/m3、南方城市为243 g/m3。SO2年日均值分别为97 g/m3和90 g/m3。西南和华南已出现大面积的酸雨区。
1.3山西是煤烟型污染的典型区
山西全省每年排放烟尘1.45 Mt、SO21.5 Mt，将近全国排放量的1/10。固体废弃物大量排放，煤矸石堆存总量达900 Mt，占地14000ha以上。电厂煤渣、煤灰100 Mt，占地14000ha，年递增矸石，粉煤灰的速度分别为30 Mt和4.5 Mt。每年铁路沿线风吹抛洒浪费煤炭高达8 Mt。近年来山西城乡肺癌发病率和死亡率较70年代上升30%至50%，恶性肿癌占厂矿职工死亡总数的30%。
1.4煤烟型污染的治理
1.4.1首先应注意的是煤炭生产的工艺技术落后，1991年煤矿开采的土地复垦率仅16%，矿井水利用率仅15%。煤炭能量利用效率全国平均只有30%。
1.4.2山西累计采掘煤炭近7000 Mt，地下采空容积，也近7000Mm3，全省采空地面面积约4100km2，塌陷区约550km2。全省每年排出矿井水400Mm3，平均吨煤排水量1.62m3以上，排入河道污染了水体。采煤漏水涉及18个县240余个村庄，23万人吃水困难，2万多ha水浇地变成了旱田。汾河太原段污染物超过国家地表水最低要求的水域限值20至200倍。
1.5 污染治理的展望
治理煤烟型污染的根本问题在于改变能源结构，而能源结构的改变并非易事。发达国家的能源结构是：油、气的比重高于煤炭比重。目前中国天然气的比重仅2%。如果把全国现有的煤层气开采利用起来可增加3%，两项计5%。如进一步使城市实现燃气化，采用煤的地面气化、地下气化、开发无机天然气和其他非常规天然气、大量生产农村生物沼气，也不排除进口一定数量的天然气。可能使气体燃料比重达到15%左右。如果再加大开发核能、水电和其他诸如风能、太阳能、海洋能、地热能等，随着能源结构的改进，煤炭消费比重将下降，污染的治理就大有希望。
2天然气的开发利用是改进能源结构的主要对策
2.1世界各国能源结构现状
世界上能源结构优化的国家，天然气的比重都很大，增加液体、气体燃料比重，降低固体化石燃料比重，是改善能源结构，提高热效率，实现清洁生产，保护环境的重要举措。
由此看来，中国要发展，增加能耗是必然的趋势，如不改变目前的能源结构，未来的污染更不堪设想。因而加大力度勘探，发现新的油气田是必然的战略要求和对策。
2.2世界天然气的工业概况
进入90年代以来，各国都不同程度发现了新油气田，1993年世界天然气储量比上年度增加了3%，石油富集的国家，天然气的储量也多，北美、东欧、北非、中东储量相当丰富。目前中国产气量达到250亿m3，仍然是很少的。从天然气贸易来看，日本、韩国都是主要进气国家。中国也应不排除商业进气，以弥补天然气工业的不足，另一方面必须另辟蹊径，大力发展煤层气，才能使燃气的比重有所提高。
2.3煤层气资源开发利用状况
据权威机构预测，世界天然气剩余资源量为280Tm3。非常规天然气总计有1100 Tm3，仅煤层气一项就有113 Tm3至269 Tm3以上，其中前苏联43 Tm3-----79 Tm3，中国20 Tm3----79 Tm3，加拿大14 Tm3----74 Tm3，美国11 Tm3，澳大利亚10 Tm3，欧洲7 Tm3。进几年仍不断有新的煤层气储量发现，就世界而言，总计甚至可超过常规天然气的剩余储量。中国煤层气的探明储量公认为35 Tm3，可采量也在5 Tm3以上，能连续开采70余年。
3 煤层气开发利用简史
3.1瓦斯的危害
长期的生产实践，人们深深地认识和领教了瓦斯的危害，或涌出使人窒息，或引起爆炸塌方、使井毁人亡。1997年11月4日贵州盘江矿务局一煤矿爆炸死亡43人。当月13日和27日安徽淮南矿务局两煤矿瓦斯爆炸，共死134人。瓦斯已经成为煤炭生产中的死敌，人们要想采煤，必先排气或排风，把井下的瓦斯排出去，方能安全作业。排风成为先决条件，故有“以风定产”之说。瓦斯的成分主要是甲烷CH4，常含60%至95%以上，它是温室气体，其温室效应是CO2的24倍。对臭氧层有破坏能力。瓦斯中甲烷含量在4%至16%时易引起爆炸，含13%时爆炸最烈。排风的目的就是要使甲烷稀释到4%以下。
3.2瓦斯的利用
瓦斯常被工人用管子引来点火、照明、煮饭，作燃料使用。后来，人们把它抽集在气罐中，再引出来点火使用。山西的阳泉煤矿、晋城的永红煤矿把井下混合瓦斯抽集起来，用配气系统送给用户烧水、煮饭或供澡塘、饭店之用。
80年代末，辽宁本溪、唐山开滦、山西沁水、河东都先后与外商洽谈，计划引进先进的地面钻孔、酸化压裂开采煤层气技术。1998年1月8日中国中联煤层气有限责任公司与美国德士古石油公司在北京签约，开采安徽境内淮南煤田2600Km2范围内的煤层气。但本世纪末中国的煤层气未必能形成大的工业规模。
4 山西在煤层气开发中的战略地位
4.1山西煤层气储量丰富
山西煤炭已探明的储量，国内一般认为是2808亿t左右，山西六大煤田、五大产煤地都有丰富储量，属于容易开采的地质结构，煤层气的含量都大于6m3/t煤，最高达38m3/t煤。一般预测储气量在3Tm3以上，可采资源量也超过1 Tm3以上。而且山西分布广泛，若开采利用，有利于实现城镇燃气化。
4.2山西对现代技术的跟踪
80年代末，山西晋城矿务局潘庄煤矿，率先向煤炭部提出引进现代化开采煤层气的立项与可研报告，1992年与美国丹佛的中美能源公司签定79.37万美元技术配套与引进合同，开发145km2范围内的煤层气。接着成立了晋丹煤层气开发公司，并试钻6口井，最多日产达1万m3。1994年6月山西华贤发展公司与澳大利亚BHP公司签订了开发山西河东煤田北部和晋城永红煤矿的煤层气开采意向。1993年前后有华晋焦煤公司、山西能源公司、华北石油地质局等与美国休斯敦的安然能源开发公司、芝加哥的美国石油公司、澳大利亚洛厄尔公司等共同开发河东煤田中南部、总计投资达2000万美元，开发范围为1万多Km2。先后也钻了十余口井，试产情况良好。1995年以后华北石油局又与美Amoco签约开发包括陕西合阳、韩城，跨黄河包括山西大宁、临猗、河津等，占地7700Km2范围内的煤层气。1996年，阳泉韩庄煤矿又与瑞典合作开发煤层气，中联公司进行试采，各试钻2口井，气苗显示良好。
4.3史无前例的战略研讨会
1997年山西煤层气开发利用领导组和山西省计委在太原于4月22日至23日召开了煤层气开发利用战略研讨会，会上中联煤层气有限责任公司负责人讲话时，强调山西是中国煤层气开采的重点。山西沁水、河东两大煤田又是山西煤层气开采的重点，因而山西就成为全国的重中之重。会议经热烈研讨，一致认为煤层气作为一种清洁的新能源，对于改变中国能源生产和消费结构的现状，减少煤烟型污染具有重要的战略意义，是一个新的里程碑。
5.煤层气现代技术的难产和滞后作用
5.1外商的心态
作为技术和资金的主要投入者外商来说，追逐利润当然是主要的，但目前中国煤层气资源的地质状况等尚不甚清楚。使外商不能下决心的客观因素外，就是愿不愿意输出技术，美国现代技术的形成和完善也不过20年的历史，但在国际上是领先的。
目前的状况是各外商与企业有不同形式的合作，同时划定各自的范围，只作一些基础准备工作，等待时机。
5.2国外技术对中国的适应性
首先是地质状况对国外技术是否有适应性。以沁水潘庄、永红两煤矿为例，说明中国煤层气单位含量高的地区，其他条件并非优越。比如煤层结构、裂隙发育状况、空隙度、渗透率、气流的衰减率，煤层厚度，外部条件等。请看下面渗透率的比较分析。美国圣胡安和黑勇士盆地煤层的渗透率平均都在1至30毫达西，而潘庄和永红仅1%左右毫达西，可见未来抽采的难度很大。其次是地理状况或外部条件，因为要外送到较大城市，必然要敷设管道，投资很大。三是持续开采的可能性，永红煤矿仅8.8Km2，潘庄145 Km2，虽然布井没有问题，但是加工转化或煤层气的贸易公司仍未形成。四是技术上的疑难问题和生产过程的适应上尚需一个试验过程。
5.3技术上合理、经济上可行尚不完善
山西与外商合作已近八九年了，尚未形成可行性研究，因为一是在未来范围内试钻若干口典型的示范井，考察产气量的峰值及稳定情况。美国典型井都在1万m3/d•井至2万m3/d•井以上，中国迄今试井口只产3000至5000m3/d•井，而且很不稳定。二是形成商业市场的条件尚不成熟，比如用户及稳定的需要量，管道敷设情况，加工转化条件、中间厂商等尚不确定。三是风险性的前期投资太大，有可能在成千万美元投入后，由于形不成商业利润而被迫放弃，因而市场更难预测。
5.4何日形成规模
综上所述，煤层气的开采，首先要熟悉地下情况，下决心投下风险资金。逐步研究出一套适合于中国特色的开采技术来。一般说来从准备试钻采到形成规模需5年或更长时间。究竟到2005年呢，还是到2010年，才能够形成美国今天的规模，仍难预测。
6阳泉井下混合瓦斯的开发利用一枝独秀
6.1阳泉市混合瓦斯的利用，实现城市50%的气化率
中国进入70年代、80年代以来，城市都陆续实现燃气化，大多数都是建立煤炭气化公司，生产煤气及其他焦化产品。80年代以后，阳泉市没有兴建一座煤炭气化公司，只是把矿务局各矿的井下混合瓦斯增压引进储气罐中，然后通过管网送给居民及公用事业。实现了50%的城市气化率。
6.2 阳泉市利用混合瓦斯的模式
阳泉市及阳泉矿的领导，独具慧眼，80年代初就着手开发利用井下混合瓦斯。后来得到国家重视，1983年国家计委批准立项，1984年开工建设，1985年开始陆续送气。设计能力为日供混合瓦斯45.6万m3，用户34598户，总投资3133.34万元。阳泉矿务局9对矿井建立了瓦斯抽放系统，建抽放泵站8座、装备各类抽放设备25台，总装机容量3227KW，单机运行时最大抽放能力为1106.4m3/S。敷设抽放管路120Km，截止1995年累计抽放煤层瓦斯（按100%折算）21.1亿m3，1992年抽放量达1.06亿m3，1990年棗1995年全局抽放气量总计为4.5亿m3。
6.3阳泉下一步的开发前景
阳泉煤矿矿区总面积1835Km2，煤的地质储量17300Mt，1995年底共有煤矿312座，原煤产量为34.44Mt，服务年限100年以上，除目前4个开采区以外，尚有一个接替区和7个勘探规划区，开发前景广阔。
煤层气品质优良，含量中CH4占90%以上，N2占5%，CO2占0.5%，重烃占2%左右。煤层气预测储量为350 Gm3，可采储量至少170 Gm3。目前年抽用量仅95Mm3，但排放为200 Mm3，利用率仅47%。按目前供气量再扩大1倍，仍可服役几百年。
6.4实施21世纪议程的试点市
1997年12月阳泉市被确定为实施21世纪议程的山西试点城市，实施的重点是：a）以煤为主的清洁生产，b）以煤矸石、电厂煤渣、粉煤灰为主的固体废物治理，c）以电厂清洁燃烧为主的大气中悬浮微粒的治理，d）以桃河阳泉市城区段为主的市容市貌治理。而煤层井下混合瓦斯的抽放利用实现城市燃气化则是试点城市的关键之一。目前阳泉市加大投资，分五步实施扩大煤层混合瓦斯抽放和利用规模：1）第一步实现日供气45万m3，民用3.5万户，已经完成。2）荫营、固庄、五矿连网日供气16万m3。3）地方大阳泉矿、南庄矿连网日供气12.19万m3，1996年送气，1997年全部完成。4）五矿、荫营、南庄、大阳泉矿连网，日供气27.19万m3，民用4.96万户5）总的日供气量100万m3/d，大连网工程2005年完成。
6.5经济、社会、环境效益三统一
阳泉市煤层混合瓦斯作为城市燃料气之用，属清洁燃料，已为全体市民接受且欢迎。但是价格一直偏低，虽采取一些政策性的补贴，目前仍低于太原市价（0.50元/m3），据说调到0.4元/m3时，就会开始有盈利。社会效益显著。初步计算，全市每年减少炉灰排放8.13万t，黄土用量0.1Mt、飞灰4.28t、减少SO2排放13.715t，节约煤炭0.3Mt，拉煤拉土，排放垃圾运输量18450t•km、耗油节约200万元、改进了工业燃烧方式，实现清洁生产、提高产品质量、增加产值，社会效益总计在千万元以上。环境效益也很突出，改善了市民生活条件，提高生活质量、减少三废污染，改善了城市面貌，还节约了能源、减少温室气体排放和臭氧层的耗损，既保护了城市小环境，也保护了人类唯一的地球。
7阳泉模式的现实意义
7.1技术上的可行性
在美国地面钻孔大规模开采煤层气姗姗来迟的今天，人们不得不考虑大批的在产矿井和在建矿井现有混合瓦斯的利用，而且采用现代技术先采气也只能在规划区进行，因此阳泉模式可望成为中国特色的煤层气开采利用之路。首先是技术上可行。
7.1.1以原来的排风系统稍加改进，增加泵站，储气罐及配气系统就可形成抽一采一储一供大系统。
7.1.2抽采时利用采动作用，既抽可采煤层也抽邻近不可采煤层和围岩内的储气，扩大了气源，消除了潜在的隐患。
7.1.3采用顶板穿层钻孔将几个不可采煤层和邻近围岩连通，这要取决于钻孔长度和管道的结构。
7.1.4倾斜顶板岩巷、走向顶板高抽巷，主要抽采巷道内从四方八面逸来的混合瓦斯
7.1.5采用封闭打钻抽放采空区聚集的煤气层，结合定向钻孔和地面钻孔抽采大量聚集的混合瓦斯。
7.1.6在小型煤窑群集的地方，探索一种连网管式的系统抽采，对打钻、长孔、管道的构造作特殊设计以利于抽采。
7.2经济上的合理性
首先是省去了城市煤炭气化系统建设的主要投资，减少了对城市的污染。煤矿排风和城市用气系统的衔接，省去了重复管理和操作人员、节省了开支。把将要排空的混合瓦斯作燃料使用，实现清洁燃烧双重保护了环境。由于瓦斯成本低廉，减轻了城市人民负担。
7.3开发的普遍性
阳泉模式已经运行十几年，安全、可靠。混合瓦斯燃烧时理论上只生成水和CO2，不会发生煤气中毒，也不产生煤焦油，也不象石油天然气那样生成积累性的沥青。晋城永红矿年产20万t，建了3000m3储气罐抽采井下混合瓦斯供邻近职工居民用气也有近十年历史，都很成功。因此瓦斯含量大的所有煤矿都可采用阳泉模式开发利用混合瓦斯。阳泉混合瓦斯中，CH4的含量一般控制在25%左右，也就是说浓度高的瓦斯稀释二倍至三倍方供用户使用。全国范围内无论南北时有瓦斯爆炸，说明瓦斯含量较高，只要开发得力，都会化害为利。
7.4社会的现实性
中国煤炭年产量已达13亿t，也就是说每年有80亿m3的瓦斯排空，如按30%左右稀释使用，则可供用气200亿m3。
7.5发展的可持续性
现在探讨抽采井下混合瓦斯，主要是立足于生产矿井、利用采动作用。如果考虑废旧矿井、结合井下管道和地面钻孔抽采，则不少于现在在产矿的瓦斯量。有人统计全国统配煤矿仅在1953年----1989年间就报废矿井297处，报废的煤约300亿t，相当于现在年产量开采20年。如将这一部分煤矿中的瓦斯抽采出来，必将大大增加现在的燃气比重。
8 前景展望
8.1煤层气开采的现代技术何时有望
一般说来与外商签约后最多5年，成败便见分晓。也就是说通过勘探，试钻取样化验分析，试建井、试采气、测算产气的稳定程度和衰减系数，考验输气管道，执行输气合同，测算盈利情况和资金回收期。最后才能决定继续或者放弃。但是从80年代初到本世纪末，已经快20年了，仍未有迹象说明本世纪末可形成规模。从现在起估计2005年或2010年才可能形成规模，未必能在全国范围内象煤矿那样分布和发展起来。但是一旦发展起来，仍可增加中国的燃气比重，并可望增加很多。
8.2煤炭地下气化方兴未艾
1994年3月我国煤炭地下气化课题组在中国矿业大学余力教授带领下，通过半工业性试验。在徐州矿务局稳定产气90余天，地下通道长168m，断面2.5m2，日产气最多时为10万m3，热值达1200kcal/m3。1995年在唐山市刘庄煤矿开始了工业性实验施工，投资1700余万元，先后创造性地解决了48项技术难题。迄今为止，两座地下气化炉的连续正常运行并成功地为唐山卫生陶瓷厂连续稳定供气6个月，说明这项技术中国处于世界领先地位。煤炭地下气化技术可以使不可采煤层、废弃矿井、遗留煤层等实现地下气化，但要避开围岩的气藏。
8.3其他非常规天然气的开发
其他诸如油页岩、沙岩、深水水域等。近几年各国对无机天然气也有新的探密，中国戴金星院士在这一领域也有研究。俄国学者认为只要直钻寒武纪以下，就有石油和天然气。总之这方面的勘探开发仍有前景。
8.4生物沼气的进一步开发
生物沼气在中国农村普遍生产使用，但未能形成规模，因而使用的范围也不大。有人设想在原始森林、草地、浅塘和沼泽地带，利用枯木、朽草、腐败的草、灌、乔木都可大规模地生产生物甲烷，然后增压、集气、配气，通过管网供用户使用。这样在广大农村，缺乏天然的矿物化石和气体燃料的西藏、青海等地也可实现燃气化。人们还设想，生物发酵生产沼气不仅夏天可行，冬天在认为的车间也可进行，这样四季都有生物沼气，而且有工业生产的规模。
在扩大燃气气源以后，并在全国连网，实现燃气化的进程不会太远。再加上太阳能、风能、水能、海洋能、地热能的进一步开发，核能的大量使用。我国的能源结构将会逐步形成，燃气20%、石油20%、水电10%、核能10%、燃煤35%、其他清洁能源5%。这样一个新的格局的出现，中国将进入能源先进国家的行列。