一、煤炭工业发展现状
煤炭是我国重要的基础能源和重要原料，煤炭工业的发展支撑了国民经济的快速发展。在20世纪50年代和60年代，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占90％和80％以上，2004年煤炭所占的比例分别为75.6%和67.7%。
（一）改革开放以来煤炭工业取得显著成绩
1．煤炭产量持续增长
全国原煤产量由改革开放初期的6亿吨左右提高到2004年产量19.56亿吨，增长2倍多，处于历史最高水平，为我国国民经济发展提供了能源保障。
2．生产水平大幅度提高
大中型煤矿机械化水平、单产、单进、原煤工效，都逐年增高。建成了一批国际领先、高产高效矿井，初步建全了技术、设计、制造、培训比较完整的技术保障体系。
3．产业结构调整取得重大进展
政企分开迈出重大步伐，大多数国有大中型煤炭企业开始建立现代企业制度。一些企业开始了跨地区、跨行业的产业联合，煤、电、化、路、港、航产业链开始形成，一批劣势企业退出市场。
4．行业整体效益不断增加
在经历三年严重的经济困难后，2001年煤炭行业开始走出低谷，呈现恢复性增长。2002年后步入快速增长周期，经济运行质量不断提高。2004年全国规模以上煤炭企业补贴后实现利润达418亿元。
（二）行业主要特点
1．煤炭是资源性行业
煤炭是不可再生的资源。煤矿的寿命取决于其所拥有的煤炭储量。我国大多数煤矿远离城市和经济发达地区、社会负担重，经济基础差。地区条件不一，煤炭企业发展不平衡性在行业中十分突出。
2．煤炭是高危行业
因煤矿生产条件所限，从历史上看，在各国工业部门中，煤矿的事故死亡率是最高的。我国煤矿95%生产能力是井工开采。高瓦斯和双突矿井占全国煤矿矿井总量的1/3，90％矿井有煤尘爆炸危险性。随着开采深度增加，影响安全生产因素愈来愈多，条件愈来愈复杂。
3．煤炭是投资高风险行业
煤矿开采环节复杂，矿井建设投资大，周期长，见效慢，煤炭市场不确定因素多。因此，从建井到生产，经营风险大，多数煤炭企业产业结构上的问题影响了企业市场适应能力和抗灾能力。
4．煤炭是为国民经济发展做贡献的行业
煤炭属于初级产品，煤矿的效益向后续加工工业传递和辐射。单一的产品结构，企业经济效益难以提高，我国煤炭开采的价值和效益体现在后续产业和对国民经济发展的支撑作用。
二、煤炭工业面临的主要挑战
（一）资源保障问题
我国煤炭品种齐全、资源比较丰富，但资源勘探程度低，经济可采储量和人均占有量较少，资源破坏和浪费严重，生态环境和水资源严重制约煤炭资源的开发。
我国煤炭资源区域分布不均衡。秦岭、大别山以北，煤炭储量占全国总储量的90.7%，其中晋、陕、蒙三省（区）占全国的65%。
资源保证程度低。截止2000年末，我国尚未利用的精查储量约为600亿吨，目前可供大中型矿井利用的精查储量仅300亿吨左右。据估算，到2020年，煤炭精查储量需增加约1250亿吨。
当前我国资源破坏和浪费严重。部分煤炭企业存在着"采厚弃薄"、"吃肥丢瘦"等浪费资源现象，全国煤矿平均资源回收率为30%～35%左右，资源富集地区的小型矿井资源回收率只有10%～15%。我国适合建设大型煤炭基地的整装煤田，随意被分割肢解现象严重。
（二）煤矿生产能力与技术结构问题
1．煤矿生产技术水平低
全国采煤机械化程度仅为42％，除部分国有大矿之外，大多数煤矿生产技术水平低，装备差，效率低。特别是乡镇煤矿，基本上是非机械化开采。
2004年乡镇煤矿产量仍占我国煤炭总产量的39％，在资源消耗和人员伤亡上，已付出了很大的代价。
2．部分煤矿超能力生产
据调查分析，2003年国有煤矿的11.2亿吨产量中，属于超能力和无能力矿井生产的煤炭约为1.42亿吨，占国有煤矿产量的13%。煤矿超强度超能力生产满足了国民经济发展对煤炭的需求，但其造成的负面影响，一是缩短煤矿开采年限，二是威胁煤矿安全生产。
3．大中型煤矿煤炭供给能力不足
据预测，我国现有生产煤矿和在建煤矿的合计生产能力到2010年和2020年分别为17.7亿吨和14.7亿吨。要实现煤炭产需平衡，需要再建设一批新井和扩大现有煤矿的生产能力，预计到2010年和2020年分别需要再增加生产能力4.5亿吨和11.1亿吨。
（三）行业结构与企业发展问题
1．煤炭产业集中度低
2004年我国前8家煤炭企业市场集中度为20.68%，远低于世界其它主要产煤国家。
2．煤炭企业负担过重
煤矿企业税负比1994年税制改革前提高了6个百分点；2003年，煤炭行业支出铁路建设基金约100多亿元；国有重点煤矿企业办社会问题突出，地方政府接收困难，原国有重点煤矿办社会年净支出60亿元。
2004年末，原国有重点煤矿在职人员257万人，由于所在地区社会承受能力弱，难以减人提效。
部分煤矿资源枯竭，生产能力下降，生产成本上升，富余人员、工伤抚恤人员多，转产困难。
3．煤矿企业效益差、职工收入低
2004年原中央财政煤炭企业补贴前亏损面仍高达48%，补贴后仍有6%的企业亏损。2004年原国有重点煤矿在岗职工平均收入16812元，低于全国平均水平。
（四）煤矿安全与矿区环境治理问题
1．煤炭安全形势严峻
2004年煤矿共死亡6027人，百万吨死亡率为3.08，显著高于世界其它主要国家。如美国为0.03，波兰0.09；
大多数煤矿生产和安全技术装备落后，防灾抗灾能力差，重大、特大事故频繁发生。2004年共发生死亡10人以上特大和特别重大事故42起，死亡1008人。
2．矿区环境治理问题
矿井生产中排放的煤矸石约占原煤产量的8～10%，现已累计堆存煤矸石30多亿吨，占地超过15万亩。
矿区地面塌陷、煤田自燃火灾、部分煤矸石自燃、煤矿瓦斯排放对生态环境构成严重影响。
煤矿开采每年排出地下水约22亿立方米，我国西北部主要煤炭产区，煤炭开采加剧了水资源的匮乏，对矿区生态环境造成影响。
井下煤层气年抽出量约100亿立方米，90％直接排放到大气中。
（五）煤炭运输与燃煤污染问题
1．煤炭运输制约
我国煤炭资源主要分布在西北部，而煤炭消费重心在东南部，形成了"北煤南运、西煤东调"的格局，运输距离长，运输费用高，影响煤炭供应能力和市场竞争力：铁路运力不足的问题将长期存在；港口吞吐能力满足不了需要；公路长距离运输成本过高。
2．煤炭消费与环境保护问题
煤炭在利用过程中将产生大量的污染物和温室气体。特别是煤炭的不合理利用，排放了大量烟尘和有害气体，严重污染环境。随着煤炭消费量的增加，环境保护压力将越来越大。
我国酸雨覆盖区已扩大到约占国土总面积的30%，SO2排放的75%以上来源于燃煤。2003年SO2排放总量增加至2158万吨，酸雨污染加重。
2003年燃煤总量增加，烟尘排放总量增加至1047万吨。
我国CO2排放量目前居世界第二位，CO2的排放约80%来自煤炭燃烧。
三、煤炭工业发展的战略对策
通过优化结构、合理开发利用，保障煤炭长期稳定供给，促进煤炭行业健康、协调、可持续发展。
煤炭是我国重要的基础能源和重要原料，是不可再生的矿产资源。煤炭生产是高危险性和高风风险的行业，要把节约资源、保障安全和保护环境放在重要的位置，合理开发利用，以保障煤炭长期稳定供给。煤炭行业必须淘汰技术落后的粗放型生产方式，走新型工业化道路，国家应制定长远战略对煤炭资源实行保护性开采和利用。
优化行业结构。我国煤炭产业集中度仍然很低，具备安全生产条件的煤矿生产能力不足，必须抓好大型煤炭基地建设，培育和发展大型煤炭企业集团。煤炭是艰苦和危险的行业，必须改善行业的发展环境，以吸引投资和人才。
优化生产技术结构，进一步用先进适用技术改造和提升煤炭工业。要搞好新井建设和现有矿井技术改造，建设高产高效矿井，促进产业升级，实现煤矿生产技术装备的现代化；要全面提高煤矿开采技术水平，支持大型煤炭企业通过收购、兼并、联合、重组方式改造中小煤矿；要逐步淘汰资源回收率低、安全条件差的落后生产技术，支持依法生产的小煤矿，通过技术改造，实现有序健康发展。
优化产品结构，提高煤炭及煤炭行业的竞争力。发展和推广应用洁净煤技术，通过煤炭高效洁净利用技术，减少煤炭利用过程中的污染物和温室气体排放，提高煤炭的竞争力；通过煤炭加工和转化延长煤炭产品的产业链，拓展煤炭市场。
（一）培育和发展大型企业和企业集团
通过市场引导和政府推动，积极培育和发展跨地区、跨行业、跨所有制、跨国经营、亿吨级以上的大型企业集团。这些企业集团国内市场占有率将达到60%以上，成为商品煤供应基地、出口煤基地、煤炭深加工基地和市场投资主体。
鼓励煤炭企业发展相关产业。支持煤电联营，鼓励煤炭与电力企业联合建立坑口电厂；支持煤炭企业与冶金、化工和建材行业实现上下游产业的联营。
（二）建设大型煤炭基地
根据国务院"重点支持大型煤炭基地建设，促进煤电联营，形成若干个亿吨级煤炭骨干企业"的决策，结合煤炭开发布局，选择煤炭资源条件好，具有发展潜力的矿区作为大型煤炭基地。抓好基地内主要矿区的新井建设和现有矿井技术改造，提高大型煤炭基地产能比重。
建设大型煤炭基地，提高大中型煤矿的技术水平和生产能力，保障煤炭长期稳定供给。13个大型煤炭基地，现有煤矿生产能力8亿吨，预计2010年达到15亿吨，2020年达到18亿吨。
（三）建设高产高效矿井、全面提高煤矿开采技术水平
大力发展综合机械化采掘技术，推进高产高效煤矿建设，实现煤矿高效、安全、洁净开采。建设一批大中型现代化矿井；对现有大中型矿井进行技术改造；联合改造小煤矿，全面提高煤矿开采技术水平和资源采出率。我国煤矿采煤机械化程度仅为42％，小型煤矿采煤方法和采煤工艺必须进行改革，要逐步淘汰和禁止非正规采煤方法和落后的采煤工艺，大力推广机械化采煤技术。
（四）建立煤矿安全长效机制
提高安全生产准入门槛。目前乡镇小煤矿产量仍占我国煤炭总产量的39%，乡镇小煤矿生产保障了我国煤炭需求的供给，但在资源消耗和人员伤亡上，付出了很大的代价。必须建立严格的煤炭开采准入制度，逐步淘汰安全条件差的落后煤矿。
加大煤矿安全投入。国家继续对煤炭行业特别是煤矿安全给予必要的政策支持，重点支持大中型煤矿技术改造。在规范煤矿维简费管理的基础上，严格安全费用提取和使用，加大煤矿安全生产设施投入。
加大监察执法力度。加强对各类煤矿的安全监察，依法惩处违法违规现象，做到有法必依，执法必严，违法必究。
在2010年前，全国煤矿百万吨死亡率力争从2004年的3.08降到1.5以下，其中大型煤矿为0.4以下。
（五）加强煤炭开发的资源保障
增加煤炭资源勘查投入。要建设大型煤矿和煤炭基地，应为煤炭资源勘探的投入创造良好的环境。
加强资源管理。资源勘探开发登记、矿业权设置必须符合煤炭开发规划和矿区总体规划。国家要控制大型矿区勘查开发规划的审批。
提高煤炭资源利用率。制定可行的管理措施和经济政策，激励企业珍惜煤炭资源，不断提高资源回收率。
（六）大力开发和推广洁净煤技术
洁净煤技术可使煤炭成为高效和比较洁净利用的燃料，是中国能源可持续发展的现实选择，包括四个部分，即煤炭加工技术、燃烧技术、煤炭转化技术和开发利用中的污染控制技术。
中国已成为世界煤炭焦化生产、消费及贸易大国。通过气化、液化等转化技术，生产替代石油的发动机燃料和化工产品，如乙烯、丙烯等。大力发展现代化高效燃煤发电技术，改变我国终端能源的消费结构，减少煤炭直接燃烧造成的污染和温室气体排放，保障能源供给和安全。
（七）资源综合开发与环境保护
开发煤层气资源。依托资源和政策优势，当前以地面开发与煤矿井下瓦斯抽放相结合，实现煤层气开发产业化，变废为宝、变害为利。
做好水资源保护与矿井水利用，矿区土地复垦与环境保护，控制煤矸石的产出量，提高煤矸石的综合利用率。
（八）关注煤炭行业发展的深层次问题
1．提高煤炭运输能力
加快铁路运煤通道建设，提高煤炭运输能力；放开铁路运输价格，取消计划内外双重价格；尽快取消铁路建设基金。
2．切实减轻煤炭企业税收负担
借鉴国外主要采煤国家经验，制定符合煤炭工业发展规律的税收政策体系，公平税负。按照国务院1994年确定的"既要建立新的增值税机制，又要照顾煤炭行业的实际困难，不增加国有重点煤炭企业的税负水平，保持1993年3.35%的税负的原则"，调整煤炭税收政策。
3．加快分离企业办社会职能
加快企业主辅分离，分离企业办社会的职能，努力拓宽就业渠道，做好煤矿及矿区人员的再就业工作。
4．建立和完善煤矿准入和退出机制
规范煤矿准入标准，建立和完善勘探开发资质认证制度，提高资源开发、土地利用、环境保护准入门槛，减少煤矿数量，提高产业集中度。
坚决关闭开采方式落后和不符合基本安全生产条件的小煤矿，严厉打击非法开采现象，保障安全生产。
解决煤矿衰老报废的转产、人员安置等问题，鼓励和引导企业调整产业结构，发展替代产业，为其生存和发展创造良好的外部条件。
5．科学界定煤炭产业地位
参照国际的有关做法，可将煤炭行业划入第一产业范围，制定相关法律、法规和与其产业地位相适应的财政、税收、金融、投资政策。
6．建立煤炭价格形成机制
政府应考虑煤炭资源、环境治理、煤矿安全、煤矿衰老报废等成本因素，制定合理的煤炭指导价格；鼓励煤炭企业积极与发电企业协商确定电煤价格，签订中长期合作协议。
7．稳定煤炭进出口政策
要从有利于煤炭工业长远发展出发，按照世界贸易组织规则，依据资源和市场需求，调整煤炭产品的进出口结构，加强出口煤基地建设，稳定出口份额。
庚勐1 孙粉锦1 李贵中1 刘萍1 梁丽1 李林地2
(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院;2.中国石化石油勘探开发研究院.)
摘要:煤层气作为一种重要的非常规天然气能源，在成藏方式、储集类型、开发手段上与常规天然气藏存在很大差异。煤层不仅是煤层气的生气层，同时也是储气层，而且煤层气多以吸附态赋存于煤层中。因此，在煤层气井压裂施工过程中压裂液对煤储层的伤害不仅体现在宏观的渗流能力伤害方面，更主要体现在对吸附在煤表面的煤层气吸附解吸伤害影响上。本文针对煤层气的吸附解吸影响因素进行了综合分析评价，具体分析了煤的成分与煤中化学元素组成对煤层气吸附解吸的影响;确定了煤层气吸附解吸伤害实验评价方法;提出了压裂液与煤层润湿性是评价压裂液对煤层气解吸附伤害程度的衡量参数。利用该评价模式对两处不同煤质特征样品进行了含有粘土防膨剂的压裂液及活性水对煤层气解吸附伤害影响评价。该研究成果为煤层气井压裂施工过程中的压裂液选择具备理论指导作用。
关键词:煤层气 吸附-解吸 压裂液 润湿角 伤害机理
基金项目: 国家科技重大专项项目 37“煤层气完井与高效增产技术及装备研制”项目 ( 2008ZX05037) 资助。
作者简介: 庚勐，男，1981 年生，硕士研究生，2009 年毕业于中国石油大学 ( 北京) ，从事煤层气地质评价研究。地址: ( 065007) 河北省廊坊市广阳区万庄 44#煤层气所。电话 ( ，。E mail:gengmengxi@ petrochina. com. cn。
Research on the Mechanism of Coalbed Methane Desorption Damages Caused by Fracturing Fluid
GENG Meng1，SUN Fenjin1，LI Guizhong1，LIU Ping1，LIANG Li1，LI Lindi2
( 1. Langfang Branch，PetroChina Petroleum Exploration and Development Research Institute， Lang-fang，Hebei 065007，China; 2. Sinopec Petroleum Exploration ＆ Production Research Institute，Beijing 100083，China. )
Abstract: Coal-bed methane is an important unconventional natural energy resource. Compared to convention- al gas reservoir，it has greater difference with the ways of reservoir modes and storage types and exploration meth- ods. Coal seam is the generation and storage of the gas which prefers to exist with adsorption behavior. Therefore， the damage caused by fracturing fluid during the fracture treatment not only displayed on the harm to filtration ca- pability，moreover the influence on the adsorption ＆ desorption of the gas being on the coal surface. This article makes synthetic analysis and appraisal of the coal bed methane absorption ＆ desorption affecting factors. It analyzes the influence of the coal component and chemical elements composition to coal-bed methane absorption-desorption， establishes the coal-bed methane absorption ＆ desorption damage experimental evaluation methods，proposes that fracturing fluid and coal seam wettability are the measuring parameters for evaluating the damage degree of the frac- turing fluid to coal-bed methane desorption. It evaluates the damages of the fracturing liquid and active water con- taining clay antiswelling agent with two samples of different coal quality features. The result has theoretical guid- ance on choosing fracturing liquid during coal-bed methane fracturing operation.
Keywords: coal-bed methane; adsorption ＆ desorption; fracturing fluid; wetting angle; damage mecha- nism
1 前言
煤层气作为一种重要的非常规天然气资源越来越受到世界各国的重视，2010年美国煤层气年产量已突破560亿方，达到常规天然气产量的一半;中国煤层气储量丰富，煤层气勘探开发利用的产业化进程也正在快速进行。煤层气开发技术不断突破，但由于煤储层的特殊性质，压裂施工成为获得工业气流的重要手段，而煤层气多以吸附态赋存于煤层中，使得压裂施工中对煤储层造成的伤害因素大大增加，其中压裂液与煤储层的配伍性显得格外重要。
2 煤层气吸附解吸机理
煤层气在煤中主要以吸附态赋存外，还有游离态和水溶态赋存方式。煤是具有裂缝系统和基质孔隙的双孔结构，该结构控制了其中气体的储集和运移。煤层其主要吸附于煤的孔隙中，受到温度压力等条件影响，造成热运动能力改变，从而实现在煤表面的吸附和解吸［1］。
煤层气的吸附和解吸主要区别于以下四个方面:(1)作用过程。吸附是一种自发的热演化生烃排烃过程;解吸则是一种被动的人为排水降压过程。(2)作用时间。吸附过程要经历漫长的年代，要以百万年计算;而解吸过程则非常短暂，只需要几分钟或者几小时。(3)作用类型。吸附包括了物理吸附和化学吸附两种形式，化学吸附是以离子键吸附，需要能量较大，但所占吸附气比例很小，物理吸附则具备了热能低、速度快、可逆和无选择性等特点;解吸过程则是单一的物理过程。(4)作用条件。吸附是通过煤演化过程中逐渐脱水、增压实现的;解吸则是一个相对恒温过程［2］。
通过对煤层气的吸附解吸原理分析可知，压裂液对煤层气的吸附解吸影响主要发生在解吸附过程中。
3 煤层气解吸附影响因素分析
煤对气体的吸附能力受多种因素的影响，通常情况下主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等［3］。本研究中使用了同一地区同一批次煤岩样品，等温吸附实验是在室内利用纯甲烷气体进行吸附解吸实验;人为规避了以上常规因素对煤层气解吸附的影响，可以将各种压裂液配方对煤层气解吸附的影响在同一标准下进行比较。
压裂液对煤层气解吸附的影响主要体现为与气体在煤表面的润湿能力不同，造成对煤层气解吸附促进作用存在差异，降低了由于孔隙堵塞造成的解吸附气量减少，个别压裂液配方的注入甚至增加了煤层气的解吸量。压裂液与煤的润湿性可以通过接触角来测定，接触角越小润湿性越好，对煤层气解吸附的促进作用越大［4］。
4 煤质特征对润湿性的影响
4.1 水分
煤层中水的赋存状态分包括外在水和内在水以及部分结晶水，本研究中涉及的水分含量是指内在水含量，此时内在水是以物理吸附形势存在于煤样中;而煤样中的结晶水是以化学方式与煤中矿物质结合的，含量很小，可以忽略其影响。由图1可知，随着煤样的空气干燥基水分增高，煤样与水的接触角越小，表明煤样越容易被水润湿，该煤样的润湿性越好。
图1 煤样水分含量与接触角关系
4.2 灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃烧，煤中矿物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤中灰分全部来自煤中矿物质，而灰分的组成和重量与煤中矿物质含量不完全相同，其并非煤中固有成分，通常将其称为灰分产率。煤中的矿物质成分主要有高岭石、黄铁矿、石英和方解石等。
如图2所示，煤样中灰分含量越大，煤样与水之间接触角越小，煤样润湿性能越好。
4.3 挥发分
图2 煤样灰分含量与接触角关系
水分和矿物质含量虽然对煤的润湿性起到一定作用，但由于二者均属于无机物，并不是煤的主要成分，而挥发分是煤中有机成分，其与煤的成因、显微组分和煤化程度有关，可以通过挥发分产率大致判断煤的变质程度。由于挥发分主要是由吸附于煤样孔隙中的气体和水分以及随温度升高煤样外围官能团释放气，其中水分和极性官能团亲水，气体和非极性官能团不亲水，所以很难通过挥发份产率判断煤样的润湿性。如图3所示，挥发份产率同煤样与水的接触角之间相关性很差，证明了挥发份与煤样润湿性之间并无明显关联。
图3 煤样挥发分含量与接触角关系
4.4 固定碳
固定碳与挥发分一样都属于煤中有机成分，煤样中的干燥无灰基固定碳含量随煤化程度增加而变高，所以也有国家(或地区)将其作为煤的分类标准。
实际上固定碳并不只是煤中碳元素的含量，还包括氧、氮、硫等元素。固定碳并不是煤中固有成分，而是热分解的产物。由于煤是由若干结构相似的结构单元通过性质活泼的桥键连接而成的大分子结构，其核心结构是芳香核，在边缘存在一定得较为活泼的基团，随着固定碳含量增加，煤化程度加深，煤分子的稳定性加强，导致了润湿性变差。由图4可以看出，随着煤中固定碳含量的增加，煤样与水之间的接触角逐渐增大，润湿性变差。
图4 煤样固定碳含量与接触角关系
5 压裂液对煤层气解吸附影响分析
5.1 含粘土防膨剂压裂液对煤层气解吸附影响分析
通过以上分析可以看出，水分、灰分和固定碳都与煤质和水的润湿性存在关联，水分和灰分含量的增加都会降低水与煤质间的接触角，提高煤的润湿性;固定碳含量增加则会增大水与煤之间的接触角，降低煤的润湿性。如表1工业分析数据可知，目标煤层的固定碳含量要远大于水分和灰分含量，超过了75%，所以该目标煤层的润湿性能较差。
表1 目标煤层工业分析结果
本次试验中首先用到了蒸馏水作为对比液，同时选择地下水作为基液，添加了不同浓度KCl进行对比，由于压裂液配方的成分远复杂于蒸馏水，所以每种添加了不同浓度KCl的地下水压裂液与煤层的润湿性能存在很大差异。
如表2所示，对于3#煤层添加了1%KCl的地下水压裂液与煤层的接触角最小，而2%KCl的地下水压裂液与煤层的接触角最大;同时对于5#目标煤层，添加了2%和6%KCl的地下水压裂液与煤层接触角较小，而添加了1%和4%KCl的地下水压裂液与煤层接触角较大。以上论则完全验证了添加不同浓度KCl粘土防膨剂的地下水压裂液污染后煤层解吸附曲线特征。
表2 不同浓度防膨剂与韩城地区3#煤样接触角对比表
如图5目标煤层受蒸馏水或含粘土防膨剂压裂液影响后的吸附解吸曲线所示，目标煤层受到含有KCl的地层水或蒸馏水污染后，解吸附曲线出现程度不同的滞后现象，且解吸滞后现象严重程度与压裂液同煤层的接触角度数大小成正比，即与润湿性成反比，这是由于不同配方污染后造成的不利影响与解吸促进综合作用后的结果，与目标煤层润湿性较好压裂液具备较好的促进解吸作用，相对解吸滞后性减小。
图5-1 蒸馏水对3#煤解吸影响
对于3#目标煤层，几种不同浓度防膨剂配方对煤层气解吸附影响程度由大到小依次为:地表水+2%KCl>地表水+6%KCl>蒸馏水>地表水+4%KCl>地表水+1%KCl，除地表水+2%KCl要根据煤层原始压力考虑其实用性意外，其余几种浓度防膨剂配方煤层气解吸附影响程度差别非常小［5］。如表3所示，综合考虑到目标煤层较低的粘土含量，从成本角度可以考虑优先选择浓度为1%的KCl防膨剂进行压裂液配制。
图5-2 蒸馏水对5#煤解吸影响
图5-3 1%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-4 1%防膨剂对5#煤解吸影响
对于5#目标煤层，当压裂液为蒸馏水时对煤层气解吸附影响较小;当加入1%和4%KCl防膨剂对煤层解吸附的影响最大，使煤层气解吸出现了明显的滞后性，不建议使用该种防膨剂进行压裂液配制。其他几种防膨剂对煤层气解吸附影响有限，可以使用;如表4所示，综合考虑到目标煤层较低的粘土含量，最适合于5#煤层解吸的防膨剂是2%KCl。
图5-5 2%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-6 2%防膨剂对5#煤解吸影响
图5-7 4%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-8 4%防膨剂对5#煤解吸影响
图5-9 6%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-10 6%防膨剂对5#煤解吸影响
表3 3#煤样粘土矿物含量测试表
表4 5#煤样粘土矿物含量测试表
5.2 活性水压裂液对煤层气解吸附影响分析
目前煤层压裂施工中大量使用活化水作为压裂液，因为活性水的粘度只有交联冻胶粘度1%，反排效果好，加砂量相对较少，同时对煤层的污染较少，所以具备较好的应用前景。
在对含粘土防膨剂压力液与煤层气解吸附影响评价基础上，本次试验中加入了0.5%DL8助排剂形成活性水进行试验分析。
如图6所示，受到地表水+0.5%Dl8助排剂+1%KCl防膨剂污染的5#煤试验样品解吸滞后性远远小于地表水+1%KCl防膨剂污染的5#煤层解吸过程。由表5可知，加入助排剂以后的压裂液与5#煤样接触角小于未加入助排剂之前，说明该助排剂改善了压裂液与目标煤层的润湿性，在某种程度上降低了单纯使用防膨剂给煤层气解吸造成的伤害。
图6 0.5DL8助排剂+1%防膨剂对5#煤解吸影响对比
表5 添加助排剂前后压裂液与5#煤样接触角对比表
结论
压力液对煤层气的影响主要发生在解吸附过程中;对于同一煤层煤样，压裂液对煤层气解吸附影响主要是由于固液间润湿性差异造成的压裂液置换煤层气能力不同，使得解吸气量产生差异。煤质中影响煤与水润湿性的主要成分为固定碳，固定碳含量越大煤的润湿性越差;与之相反的是水分和灰分，二者含量越大煤的润湿性越好，但由于二者含量远小于固定碳含量，所以目标煤层煤的润湿性较差。
添加防膨剂以后使得压裂液性质变复杂，根据不同压裂液与目标煤层润湿性验证了煤层气等温吸附解吸曲线滞后性特征;根据不同煤层具体情况选择经济高效的粘土防膨剂浓度进行压裂液配制。
对于加入了助排剂的活性水压裂液增加了液体表面活性，改善了其与目标煤层的润湿性，有效地降低了煤层气解吸附过程滞后性，提高了煤层气解吸附能力。
参考文献
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琚宜文 颜志丰 李朝锋 房立志 张文静
( 中国科学院研究生院 地球科学学院 北京 100049)
摘 要: 煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前我国的煤层气产业已实现商业化生产，但页岩气还处于试验阶段。在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中。煤层气和页岩气均储存于低孔低渗的储层中，它们的开采技术均包含评价技术、测试技术、钻井技术和储层改造技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率，促进非常规天然气产业的快速发展。
关键词: 煤层气 页岩气 富集特征 开发技术 储层改造
作者简介: 琚宜文，男，博士，教授，博士生导师。中国科学院研究生院，北京市玉泉路甲 19 号，100049，，，juyw03@ 163. com
Commonness and Differences of Enrichment Characteristics and Mining Technology of China's Coalbed Methane and Shale Gas
JU Yiwen YAN Zhifeng LI Chaofeng FANG Lizhi ZHANG Wenjing
( College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)
Abstract: Coalbed methane and shale gas are important unconventional resources. At present，the coalbed methane industry of China has been produced commercially; however，the shale gas production is still at experi- mental stage. The source rocks of coalbed methane and shale gas will occur in some energy basin together，and they may be adjacent or in near or far layers. Although coalbed methane and shale gas are different in their sources and occurrence layers etc. ，there are some common situation，such as the enrichment characteristics，the migrating procedure and the developing technology. The coalbed methane mainly enrichs in the coalbeds with adsorption state，while shale gas enriches in the high － carbon mudstone or shale with adsorption or free state. Because both coalbed methane and shale gas store in reservoirs with low porosity and permeability，and all their mining technolo- gy include evaluating，testing，drilling and reservoir stimulation etc. If both coalbed methane and shale gas occur in the same basin，then they can be exploited by the same well，therefore their exploiting efficiency will be im- proved，and the unconventional natural gas industry will be developed rapidly.
Keywords: coalbed methane; shale gas; enrichment characteristics; development technology; reservoir stimulation
1 前言
我国经济持续快速发展，能源需求不断增加，天然气需求迅速增长，预测2015年需求量1560亿m3，缺口约560亿m3，2020年需求量2930亿m3，缺口将达1000亿m3(王一兵等，2010)。在国际上煤层气和页岩气等非常规天然气是油气勘探的重要目标(Ross et al.，2008)。在我国增加常规油气产量非常困难的情况下，开发煤层气和页岩气等非常规资源，就成为我国能源可持续发展的现实选择。
煤层气和页岩气的勘探开发和利用首先由美国获得成功，2006年以来全美煤层气年产量稳定在540亿m3以上(李五忠等，2008)，2009年美国的煤层气产量达到542亿m3。2009年美国页岩气生产井近98590口，页岩气年产量接近1000亿m3(崔青，2010)，2010年，美国页岩气探明储量已逾60万亿m3，产量达1000亿m3，占其天然气总产量的1∕5(新华网，2011)。煤层气和页岩气产业已成为美国举足轻重的能源工业。煤层气方面除美国外，加拿大、澳大利亚和中国等国家也已获得突破。截至2009年底，我国已建煤层气产能25亿m3，全年地面煤层气产量超过10亿m3(新华网，2011)。2010年地面煤层气抽采量为15.8亿m3。页岩气方面除美国外，加拿大也开始了规模化生产，中国和澳大利亚等国也已开始了试验性研究。
在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。在地质作用过程中，受生物化学作用或物理化学作用所产生的气体，会分别储存在煤层气或页岩气储层，若不同储层通过断层或裂隙相连通，可能会形成混合储层或相距很近的储层。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。在开采煤层气或页岩气的过程中，我们怎样才能够把相距较近两种储层的气体都采出来呢?如果两个储层相距较远的话我们能不能同时对煤层气和页岩气进行开采呢?
经过多年的探索、试验和研究，我国煤层气地质研究在煤层气赋存的地质过程与动力学机制研究、煤层气储集系统与聚散机制研究以及煤层气藏经济高效开发的场效应研究等方面均取得显著进展(秦勇，2003;汤达祯等，2003);同时，在选区评价技术、钻井技术、压裂技术、排采技术等开发技术上也取得重要突破(李嘉川等，2011)。近些年来，在页岩气勘探理论与技术方面也取得一定的成果(程克明等，2009;聂海宽等，2010;张金川等，2008)。
我国煤层气存在的问题是地质条件复杂———低渗透、低压力、低饱和度，开发理论与技术有诸多难题没有解决，储存运输困难，利用率低等问题;我国页岩气还处于研究阶段，没有开始试生产，对于页岩气的研究中渗流机理方面研究较少(刘德华等，2011)。对此应加强煤层气的基础理论研究，进一步提高对煤层气的认识程度，提高开采效率和资源利用率;对页岩气应加强富集特征与渗流机理的研究，形成系统的开发技术体系，以促进页岩气产业的发展。
本文在前人研究的基础上探讨煤层气和页岩气富集特征与开采技术的共性与差异性，研究的目的在于探索煤层气与页岩气富集的内在关系，煤层气与页岩气生成、演化与富集的机理，以及它们共同开发的可能性。因此，通过煤层气与页岩气富集特征与开采技术的比较研究，对于发展适合于我国地质条件的非常规天然气地质理论、推动我国非常规天然气产业的尽快形成均有所裨益。
2 煤层气与页岩气概念及其评价方法
煤层气俗称瓦斯，又名煤层甲烷，是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，含量组成为80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2、SO2、C2H6等气体。煤层气主要以吸附态赋存于煤层孔隙表面或填隙于煤层结构内部，另外煤层裂隙与煤层水中存在少许游离气与溶解气。煤层孔隙及裂隙中的煤层气与煤层水形成特殊的水动力系统，只有当储层压力低于解吸压力时，煤层气才能解吸出来。
页岩气是从富有机质页岩地层系统中开采出来的天然气，是位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气聚集。页岩气开发虽然产能低，但具有开采寿命长和生产周期长的优点。由于含气页岩分布范围广、厚度大，使得页岩气资源量巨大。因而，页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，一般开采寿命为30～50年，长者甚至能达80年(Xiaetal.，2009;李世臻等，2010)。
煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气，它们在概念特征上既有联系，又有区别，表1为煤层气和页岩气在概念特征上的比较。
表1 煤层气与页岩气概念的比较
煤层气和页岩气的富集有许多特征，如气体来源、储集介质等。评价这些特征需要许多方法(冯利娟等，2010)，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。表2中列出了一些重要的评价方法。
表2 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法
(据冯利娟等，2010修改)
3 煤层气和页岩气的富集特征
煤层气和页岩气均为自生自储，吸附成藏的非常规天然气。页岩气富集区页岩厚度往往较大，裂隙发育，热演化程度合适，如美国的Barnett页岩(Bowker，2007;Zhaoetal.，2007;Pollastro，2007)。它们在富集特征上有许多相似之处，也存在着明显的不同。下面主要从源岩、生成与演化特征，储集与分布特征，渗流与运移特征等方面来对比研究煤层气藏以及页岩气藏的富集特征。表3列出了二者在富集特征上的一些异同。
表3 煤层气和页岩气在富集特征上的异同
4 煤层气与页岩气的富集机理
煤层气是煤在煤化作用过程中形成的天然气在源岩中的残留部分，煤层既是生气源岩又是储气层段，煤化作用过程中形成的天然气原地聚集或短距离运移，主要通过煤层的吸附作用(Scholl，1980;Tadashi et al.，1995)将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理。煤的储气能力与煤的煤岩组分、变质程度、温度和压力有关。因此，煤层气在聚集方式、动力类型以及成藏特征等方面与常规天然气藏有较大差别(张金川等，2008)。由于煤层气主要以吸附作用为主，吸附气含量通常大于80%，游离气和溶解气比例很小，因此，可以不需要通常的圈闭存在。只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成气藏(褚会丽等，2010)。
页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。第一阶段是天然气的生成与吸附，具有与煤层气相同的富集成藏机理(张金川等，2003);第二阶段发生在生气高峰;随着页岩生气过程的继续，页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时，游离态天然气开始出现。随着生气过程的继续，天然气在地层中逐渐形成高压，从而导致沿页岩的薄弱面小规模裂缝的形成，天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。由于页岩孔隙及微裂缝具有孔喉细小的特征，游离态天然气对地层水的排驱为活塞式整体排驱富集机理。如果天然气生成量继续增加，则天然气选择大孔隙通道进行置换式运移，气上水下，表现为裂缝系统中的置换富集机理(徐波，2009)。
煤层气和页岩气均产自于能源盆地，煤层气源岩的煤岩形成于适宜植物生长的沼泽环境中，页岩气源岩的页/泥岩形成于深湖相或湖泊中心相(Law，2002)。经沉降埋藏成岩后，受构造变动的影响岩石产生断层和裂隙，因此造成不同层位间孔隙和裂隙的连通。有机质经埋藏和变质作用，有机碳开始产生气体。随着变质作用的进行，油气成熟度越来越高，气体生成量也越来越大，生成的气体大部分被吸附在煤层和页岩等不同储层中，部分会沿着断裂和裂隙运移。如果煤层气储层和页岩气储层相邻或相距很近，煤层气和页岩气就可能会形成两个相邻或相近的气体储层，由于气体的运移在两个储层相邻或相近的情况下甚至可能出现煤层气和页岩气的混合储层。
5 煤层气与页岩气的开发技术
煤层气和页岩气开发的关键技术首先是评价技术，采用地质、测井等方法评价源岩(储层)的性能、含气量、分布范围和丰度等参数，确定储层性能和开采的有利区域;测试技术，对含气量、吸附性能、微观裂隙、渗透率等储层参数进行测试;储层改造技术，如压裂技术和水平钻井技术，水平钻井技术指从水平井筒钻出多水平井段，非常有利于低渗储层的技术改造。
煤层气的开发技术有:①钻井技术，包括钻井和完井技术。如水平井钻井技术、空气欠平衡钻井技术、保护储层的钻井技术等，是煤层气孔经济、高效、快速成孔的关键;②储层改造技术，煤层气储层属于低孔低渗的储层，进行商业性生产需对储层进行改造，储层改造措施是提高煤层气产量的重要措施，压裂技术是储层改造的重要技术，如清洁压裂液压裂技术、水力加砂压裂技术、氮气泡沫压裂技术等增产改造技术的试验与应用、井下微地震压裂裂缝监测试验;③排采技术，把煤层气从地下抽到地面所采取的技术;④煤层气田的低压集输工艺技术，包括集中式压缩机站与分散式撬装液化装置等技术。
页岩气的开发离不开储层的改造技术，美国的Barnett页岩就是经水力压裂后才开始产气的(Zhaoetal.，2007)。技术的进步推动了页岩气水平井的发展，在Barnett页岩气藏中，90%的新井都是水平井(冯利娟等，2010);储层压裂及重复压裂技术(邹才能等，2011)大幅度提高了页岩气产量，对页岩气商业性开采起着决定作用。
煤层气和页岩气均为非常规天然气，它们的开发技术有许多相同的地方。假如在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，那么如果能够利用同一口井同时进行煤层气开采和页岩气开采，则和单一气体开采相比，单井在产气量和开采寿命上均应该会有所提高。因此可以提高天然气生产企业的经济效益。
6 结论与认识
煤层气和页岩气同为非常规天然气，它们在储层特征、富集机理和开采技术等方面存在许多相同的地方，但二者之间也有明显的差异。
(1)煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气。通过气体来源、气体组成、气体成因、赋存状态、赋存方式等比较了它们在概念特征上的联系和区别。评价煤层气和页岩气储层特征有不同的方法，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。
(2)煤层气和页岩气在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性，但在气体的来源、赋存层位及保存条件等方面有所不同。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中;煤层气富集需要有合适的盖层条件和水文地质条件，而页岩气的富集不需要附加的盖层条件和水文地质条件。
(3)煤层气的富集主要是通过吸附作用将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理;页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。
(4)煤层气储层和页岩气储层均为低孔低渗的储层，开采时均需要采取储层改造增渗技术，如水平井技术和储层压裂技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率。
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我先前也是对论文的写作非常非常头大，还好后来找品学论文网的老师帮忙才搞定。论文里面的核心部分，分析和数据处理是最难的，包括我身边的一些同学写到一半写不下去了，我都介绍的品学论文网给他们，非常专业，有的甚至把整篇都找帮忙的
