Value and development direction of efficient development of coal-measure natural gas in energy transition
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摘要:
天然气资源是能源利用由化石能源向非化石能源转型的过渡能源，煤系天然气是天然气的重要组成部分。为了充分发挥煤系天然气开发在我国“双碳”目标中的优势，对煤系天然气高效开发在能源转型中的价值作用及其发展方向进行了分析与研究。结果表明：我国煤系天然气资源类型多、资源量大且分布广泛，具有大规模高效开发的资源基础。高效开发煤系天然气资源对促进能源低碳发展具有重要意义，能够有效降低高碳化石能源消费占比，减少CH4温室气体排放，与CCUS技术结合实现增产减碳双效应。煤系天然气开发与新能源发展可实现协同促进，可以保障新型灵活电力系统的优质调峰，实现安全高效低成本制氢、利用煤系储氢，以及与地热资源协同互补，提高开发效率。我国目前煤系气井总体单井产量低，且开发技术尚待成熟，这些因素限制了煤系天然气的高效开发。因此，探讨了我国煤系天然气开发的重点攻关方向，包括大力开发深部煤层气资源，增加深部煤层气资源量和储量，突破深部复杂地质条件开采难题；大力实施煤系多类型天然气共探共采，降低煤系多气勘探开采成本并提高煤系气单井产量；大力推动煤矿CH4零排放，降低CH4温室气体排放，提高矿井瓦斯抽采量对天然气产量贡献度；强化CCUS+煤系气资源高效开发，实现CCUS技术与煤系气开发融合发展；强化煤系气开发地质工程一体化，增强煤系气开发技术与储层地质条件的匹配性；促进煤系气开发的数字化和智能化发展进程，利用数字化和智能化技术提升煤系气资源的高效、绿色及低碳开发水平。
Abstract:The natural gas resources are the transition energy from fossil energy to non-fossil energy. Coal-measure natural gas is an important part of natural gas. In order to give full play to the advantages of coal measure natural gas development in China's dual-carbon strategy, the value and development direction of efficient development of coal-measure natural gas in energy transition are studied. The results show that China's coal-measure natural gas resources are diverse, abundant, and widely distributed, providing a solid foundation for large-scale and efficient development. The efficient development of coal-measure natural gas resources is of great significance for promoting low-carbon energy development, which can effectively reduce the proportion of high-carbon fossil energy consumption, help reduce CH4 greenhouse gas emissions, and realize the double effect of increasing production and reducing carbon by combining with CCUS technology. In addition, it plays a significant role in promoting the development of new energy sources, which can guarantee the high-quality peak regulation of new flexible power systems, safer hydrogen production and storage, and synergistic and complementary with geothermal resources to improve development efficiency. At present, the overall single-well production of coal-measure gas wells in China is low, and the development technologies remain immature, which constrains the efficient development of coal-associated natural gas. Therefore, the key development directions of efficient development of coal measures natural gas in China are discussed, including vigorously exploring and developing deep coalbed methane resources, increasing the amount and reserves of deep coalbed methane resources, and breaking through the difficult mining problems under complex deep geological conditions; to carry out joint exploration and production of multi-type natural gas in coal measures, reduce the cost of multi-gas exploration and production and increase the output of single well of coal measure gas; to promote CH4 zero emission in coal mines, reduce CH4 greenhouse gas emission, and increase the contribution of mine gas extraction to natural gas production; Strengthen the efficient development of CCUS+ coal measure gas resources, and realize the coordinated development of CCUS technology and coal measure gas development; to strengthen the integration of geology and engineering in coal-measure natural gas development to enhance the alignment between development technologies and reservoir geological conditions; to promote the digitalization and intelligentization of coal-measure natural gas development, leveraging digital and intelligent technologies to enable efficient, green, and low-carbon utilization of coal-measure natural gas resources.
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0. 引 言
作为一种清洁低碳能源，天然气资源被视为能源利用由化石能源向非化石能源转型的过渡能源[1]。近年来，我国天然气对外依存度持续上涨，自2018年突破40%后，始终维持在40%～45%，表明我国天然气自产能力严重不足[2]。因此，提高我国天然气产量，大幅降低天然气对外依存度成为当前我国能源低碳发展及能源转型亟待破解的现实问题[3-5]。
煤系天然气（以下简称“煤系气”）是天然气的重要组成部分。煤系气的开发是实现我国能源低碳发展的重要途径。这就要求一方面推动煤系气的高效开发，大幅提高我国煤系气井产量，增加煤系气在天然气总产量中的比重；另一方面，则应充分发挥煤系气资源对可再生能源发展的促进作用，推动我国能源体系向低碳发展快速转型。然而，煤系气高效开发对其他可再生能源发展产生如何的影响，以及如何通过高效开发煤系气资源，从而实现化石能源向可再生能源的平稳过渡尚不明确。因此，开展高效开发煤系气对能源低碳发展的作用及战略定位的系统分析尤为重要。
基于煤系气的开发现状和存在的问题，笔者分析了我国煤系气资源基础，讨论了煤系气资源开发对能源低碳发展的意义，论述了煤系气资源在与电力、氢能、地热等新能源协同发展中的作用。在此基础上，探讨了我国煤系气勘探开发的重点方向。研究旨在推动我国煤系气资源高效开发，为充分发挥煤系气开发在我国能源转型的价值作用提供借鉴。
1. 煤系气资源基础
煤系气是指赋存在煤系地层中，是由煤系生烃母质在地质演化过程中生成的以甲烷为主要成分的天然气，主要包括煤层气、煤系致密砂岩气、煤系页岩气、煤系碳酸盐岩气以及煤型气源的天然气水合物等。前三者作为主体部分，通常被称为煤系“三气”[6]。当前我国对煤系气资源的开发主要指煤系“三气”资源。我国煤系气资源蕴藏丰富、分布广泛。煤层气主要分布在鄂尔多斯、沁水、准噶尔、滇东黔西、二连、吐哈、塔里木、天山和海拉尔盆地[7]。煤系致密砂岩气主要发育在鄂尔多斯盆地与华北盆地石炭−二叠系煤系、四川盆地三叠系须家河组煤系和准噶尔盆地、吐哈盆地及塔里木盆地侏罗系煤系[8]。我国晚古生代、中生代陆相及海陆过度相含煤地层中，泥页岩发育，厚度大，层位稳定，煤系炭质页岩在华北、华南地区和塔里木盆地等地区广泛分布[9]。我国煤系气潜在资源量135万亿m3，其中，2 000 m以浅煤系气约82万亿m3[10]。3 000 m以浅煤系致密砂岩气与煤系页岩气资源约52万亿m3（不含东北地区）[11]。另有说法认为，全国陆上煤系气地质资源量总资源量大于178万亿m3[12]，是常规天然气的2倍左右。近年来，我国煤系气开发前景不断向好，中浅层煤层气开发技术日趋成熟。据国家统计局数据，2023年我国煤层气产量达到139.4亿m3[13]。2020年以来，我国煤矿井下瓦斯年抽采量为128亿～140亿m3。此外，深部煤层气开发技术正在突破，鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、沁水盆地等地区已实现效益开发，日产气量可达10万亿m3。目前我国对煤系致密砂岩气、煤系页岩气的勘探开发程度较低，缺少煤系致密砂岩气、煤系页岩气产量的数据。煤系页岩气仅开展了少量勘探排采试验，区域产量也较为分散。辽河石油勘探局于2006年最早开始在辽宁阜新矿区将煤层及其相邻的砂岩层同时射孔并进行压裂，平均单井日产量达到2 051 m3[14]。随着辽宁阜新矿区煤层气和煤系致密砂岩气勘探开发取得较好结果，多个油气开发公司在鄂尔多斯盆地东部、海拉尔盆地、鸡西盆地等地开展了大量有关煤系致密砂岩气的勘探开发研究，均取得了一定突破[15]。近年来，我国在鄂尔多斯盆地东缘临兴、神府、横山堡南等区块取得煤层气、致密砂岩气勘查突破，多口合采井在煤层、砂岩层段压裂试气获得高产，最高日产气量达5.3万m3[16]。综上，勘探开发潜力巨大的煤系气资源条件为发挥煤系气开发在能源转型中的价值作用奠定了坚实的基础。
2. 开发煤系气资源对能源低碳发展的意义
2.1 减少高碳化石能源消费占比
我国富煤、贫油、少气的能源资源禀赋决定了煤炭在我国能源供应中的兜底保障作用。煤炭能源生产总量与煤炭消费量均居世界首位，而石油和天然气的对外依存度分别达到了约73%和45%[17]。我国天然气在能源消费中的占比不足10%，而美国一次能源消费中，天然气占比则长期稳定在30%以上（图1a）。虽然近年我国天然气消费占比在不断提升，但是我国天然气消费量占一次能源比例仍远远低于欧美国家[18]。
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图 1 中国、美国2018—2023年化石能源消费占比Figure 1. Comparison of proportion of fossil energy consumption in China and the United States from 2018 to 2023相较于煤炭和石油而言，天然气的碳排放更低。因此，开发利用煤系气资源对于减少高碳化石能源消费占比，优化我国以煤为主的化石能源结构具有重要意义。尽管天然气在能源消费中的比重稳定在8.5%水平上，但煤层气等煤系气资源在天然气中的占比却呈明显上升趋势（图1b），不仅有助于巩固天然气在能源消费中的占比，且随着煤系气资源产量的大幅提高,有望大幅提高天然气在能源结构中的占比，减少天然气资源的对外依存度。因此，需大力推进煤系气的开发，进一步发挥煤系气开发在改善能源消费结构中的作用。
2.2 大幅减少CH4温室气体排放
CH4是仅次于CO2的第2大温室气体，对全球变暖的贡献率约占1/4，其全球增温潜势值（GWP）是CO2的数十到上百倍[19-20]。因此，有效控制CH4排放量可在极大程度上减少温室气体排放，是碳减排的重要组成部分。
能源行业CH4排放量约占人类活动CH4总排放量的45%[21]，仅次于农业。主要能源CH4排放中有31.1%来自煤炭行业，如图2所示。煤炭行业CH4的排放主要来源于煤炭开采过程、矿后活动和废弃矿井排放[22-23]。由于混入空气，采掘过程中产生的风排瓦斯CH4浓度较低，其利用难度大，成本高，导致大量瓦斯直接排至大气。据统计，我国每年通过矿井乏风直接向大气排放CH4达200亿～1 250亿m3，既浪费了大量能源，又带来了严重的温室气体排放问题[24]。
煤炭开采前，先采煤层气后采煤，通过地面钻井及储层改造开发煤层气，可得到开采规模较大、产量稳定且CH4浓度更高的煤层气，有效降低了煤炭生产过程中矿井瓦斯的大气排放，从而减少CH4温室气体的排放量。煤炭开采过程中，矿井下煤层气抽采也是煤系气开发的重要组成。通过井上下联合抽采煤层气，可有效改善煤层的孔隙结构和渗透性，促进煤层气解吸与运移，增加煤层气采出率，且煤层气含量与压力的降低，还能够有效防止矿井煤与瓦斯突出、冲击地压等事故的发生，保障煤炭安全高效开采。在煤炭开采后，废弃矿井未回填可形成大面积采空区，剩余煤炭资源不断释放CH4气体，极易在采空区聚集大量的CH4气体。通过在采空区进行煤层气抽采，可实现废弃矿井剩余资源的有效抽采利用，同时降低CH4大气排放量。截至2021年底，山西省废弃矿井采空区已累计施工抽采井100余口，抽采利用煤层气1.28亿m3，相当于减排CO2气体192万t。综上，通过煤矿区全时段的煤层气开发可实现安全高效、科学有序地开采煤系气资源[25]，推动我国煤系气产业实现“资源−安全−环保”绿色可持续发展。
此外，地面井煤系气开发过程中，也常会伴随CH4气体的泄漏，如井口排空、采气设备密闭性差或者水力压裂等储层改造作业，均可造成天然气的大量泄漏，泄漏量可达整个气井总产量的1.7%～6.0%。据统计，美国页岩气井的钻井、压裂和完井过程中，CH4排放量比常规天然气开发过程至少多30%。尽管我国气井排放于大气中的CH4量的计算存在计算困难、评估不确定性等问题，但总泄漏量呈上升趋势[26-27]。
综上，煤炭开采前后井上下联合高效抽采煤层气，可减少瓦斯向大气大量排放，同时遏制煤系气地面开采过程中CH4泄漏，这对减少CH4温室气体排放具有至关重要的意义[28]。
2.3 与CCUS技术结合实现增产减碳双效应
CO2捕集、利用与封存（CCUS）是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程。目前，已有多种CCUS技术与煤系气开采结合，从而在高效开发煤系气资源的同时，实现碳减排，如图3所示。
2.3.1 煤系储层CO2地质封存
CO2地质封存是将CO2以吸附态、游离态和矿化态等形式储集于封存地质体中[29]，其中，深部不可采煤层、浅部煤层未采区以及煤矿采空区是良好封存CO2的地质体。在该类地质体中，CO2存在多种封存方式，包括吸附封存、构造圈闭封存、残余封存和矿化封存等。其中吸附封存是煤层区别于其他地质体的主要封存形式，煤矿采空区则主要以构造圈闭封存为主。若CO2溶于含水煤层并与煤层矿物发生反应则存在矿化封存，此外CO2注入煤层微孔隙中因润湿性改变被毛细作用离散的固定在裂缝网络中还将产生残余封存，对于CO2长期安全封存也具有重要意义[30]。煤系气的高效开发为煤系储层CO2提供了可观的地质封存空间，同时煤系储层CO2的地质封存也有利于CH4的高效开采。因此，煤系储层CO2地质封存具有减碳与增产双效应。我国深部煤炭资源十分丰富，1 000 m以深煤炭资源储量达3.16万亿t，占总量的53%[31]。目前已有诸多学者和机构对我国深部煤层、单个含煤盆地等煤系地质体的CO2地质封存潜力进行了评估，其中仅300～1 500 m煤层的封存潜力约为120万亿t[32]，表明煤系储层CO2地质封存具有广阔前景。
2.3.2 CO2驱煤系气技术（CO2-ECBM、CO2-ESG）
相较于CH4，CO2更容易被地层吸附，在煤系气开发过程中向地层注入CO2可有效提高煤层气井产量和煤层气采出率，并封存CO2[33]。我国先后在沁水盆地、山西柳林等多地开展了煤层气单井注采试验，结果均表明CO2-ECBM可提高煤层气采出率，具有技术可行性[34-35]。另外，鉴于煤系气藏良好的封闭性，且已经在开采过程中部署了注入井和生产井，故前期投入相对较低，目前该技术经过多年探索已提出注热CO2驱替煤层气等方法综合提高CO2注入性及CH4增产性[36]，技术发展前景良好[37]。大型煤炭生产基地的广泛分布为我国煤系气开发与CCUS密切结合的集群化部署提供了基础条件，我国CO2封存潜力评估研究也表明，封存潜力与CO2排放源在地域空间上高度重合[38]。因此，在大型煤炭基地开展CO2-ECBM开发技术具有广泛的前景。然而，目前CO2-ECBM技术中CO2可注性还不够高，经济效应还有待进一步提升。
2.3.3 CO2压裂技术
CO2压裂技术具有节约用水、压裂液流体黏度低、扩散系数高、表面张力接近于0等优势，是天然气开发过程中储层改造技术的重要发展趋势[39]。在煤矿瓦斯抽采过程中，通过注入高压CO2可在煤层中形成复杂网状裂缝系统，并获得卸压增透效果，是一种高效增渗、增抽和消突的煤矿瓦斯治理技术[40]。CO2压裂技术可对岩石物性产生影响，使储层形成复杂裂缝网络和更粗糙的破裂断面，有利于气体运移，进而提高产量。压裂后可迅速返排，缩短非生产时间，提高经济效益。现场试验返排数据表明，注入的CO2实现了部分地质埋存。因此，在煤系气储层采用CO2压裂技术提高煤层渗透率进而提高煤系气开发效率，可在一定程度上实现碳减排，增加煤系气产量，实现增产和减碳双效应[41]。
2.3.4 CO2地下储气库垫气技术
天然气地下储气库是当今最主要的天然气储存方式和调峰手段之一。为保证地下储气库的工作稳定性，常加入一定量气体作垫底气。由于CO2在储气库运行温压范围内处于临界范围附近，具有较大可压缩性能，在注气时能为天然气提供更多空间，采气时也能发挥更大的气驱作用，CO2已成为天然气地下储气库垫底气的重要类型[42]。对于气藏型储气库，垫底气占储气库总库容的比例通常为40%～60%。煤系气的高效开发为天然气地下储气库提供了更多更大的垫气空间。因此，CO2作为天然气藏储气库垫底气具有极大的减碳优势[43]。
3. 开发煤系气资源对新能源发展的作用
3.1 有助于构建新型灵活电力系统
新型灵活电力系统具有多源互补、源网协同、供需互动、灵活智能等特点，相较于传统较为单一的火力发电系统，新型灵活电力系统是顺应能源技术进步趋势、促进电力系统转型升级以及助力碳中和的必然要求。
近年来，随着经济发展水平的提高以及极端天气增多导致用电负荷激增甚至严重缺电的现象更加普遍。以可再生能源为主体的发电模式，具有不稳定、波动性大的特性[44-45]。在灵活性电源中，除去受环境因素约束的抽水蓄能，以及受成本因素影响仍无法承担大规模灵活调峰储能需求的电池储能，天然气发电热效率高，排放的污染物又较其他燃料少，因此，是较为清洁的发电燃料。此外，天然气发电运行灵活且具有强大的调峰能力和调峰速度，故作为一种优质的调峰来源，其发展前景十分广阔。
相比于以天然气发电为主要电力来源的美国（43%）、欧洲（25%），截至2023年，我国天然气发电量为3 016亿kWh，占总发电量比约为3.3%，如图4所示。煤系气作为发电燃料，其热值是通用煤的2～5倍，且燃烧后几乎不产生废气，是优质清洁能源[46]。“十三五”末，我国实际完成地面煤层气利用率91.9%，煤矿瓦斯利用率44.8％，煤矿瓦斯发电装机容量255万kW，尽管较“十二五”显著提高，但目前发电量仍十分不足[47]。在气源得不到有效保障条件下，气电发展的积极性将受到影响，我国正在积极推进有条件地区的天然气调峰电站的建设，并大力支持利用地面煤层气、低浓度瓦斯等发电。在未来，天然气用于发电装机的需求将持续增加，气电将发挥非常重要的作用[48]。因此，高效开发煤系气资源，大幅提高煤系气产量，保障天然气资源发电供应，将助力构建未来新型灵活电力系统。
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图 4 2023年典型国家和地区天然气发电量占比Figure 4. Proportion of natural gas power generation in typical countries and regions in 20233.2 煤系气与氢能协同发展
氢能作为一种绿色能源，具有清洁低碳、热值高、来源多样、运输灵活4大优点[49]。然而，氢能上游制取和中游储存技术的不足限制了氢能的快速发展。
3.2.1 低成本天然气制氢
目前，煤制氢由于较低的成本是我国目前最主要的制氢方式，截至2022年，我国煤制氢占比约62%，而天然气制氢则占比19%，排在第2位[50]。在全球碳中和背景下，天然气制氢以及电解水制氢的发展前景将更为广泛。然而，使用可再生能源发电的电解水制氢技术不成熟，成本较高，所占比重不足1‰。因此，提高天然气制氢比例则具有更为现实的意义[51]。我国拥有丰富的煤系气资源，随着煤系气高效开发技术的进步以及煤系气产量的增高，有望带动煤系气制氢技术的发展和成本的下降，大幅提高天然气制氢的比例[52-53]。
3.2.2 煤系储氢
储氢方式主要有地面和地下储氢2种。地下储氢具有储存容量大、时间长、成本低、安全等优势，众多国家已经研究枯竭油气藏、含水层以及矿坑储氢等各类地下储氢技术方法，并开展了地下储氢工程应用[54-58]。近期，宾夕法尼亚州立大学研究了来自美国各地的8种煤炭对氢气的吸附和扩散潜力实验，结果表明无烟煤和半无烟煤是将氢气储存在不可采煤层的良好备选材料，低挥发分无烟煤则更适合将氢气储存[59]。未来，发展煤炭氢气储存技术，将进一步助力传统能源与新能源的耦合发展。因此，大力开发煤系气资源，加强研究氢气在煤系气开采后的煤层中的动态扩散性、动态渗透性以及储氢技术的适用性，对于储氢地质体的选择和储氢技术的发展具有重要的现实意义。
3.3 与地热资源协同互补，提高开发效率
地热资源作为一种可再生能源，具有绿色低碳、储量大、分布广等优点，在我国未来能源结构调整中发挥着重要作用。分析我国赋煤区能源分布特点，发现以煤为主的化石能源分布区域，往往也是地热能等新能源富集区[60]。此外，随着煤炭开采深度的增大，煤与瓦斯突出等灾害更加频发，严重威胁深部资源的安全高效开采。深部地热能中的水热型地热能储量极其丰富，深部矿山地热多属于水热型地热。因此，深部地热能的开发是深部煤与煤系气资源开采的延伸与结合，开展深部煤、气、热资源的绿色协同开发与利用，对于实现资源的低碳可持续发展具有重要意义。
基于赋煤区与地热能资源富集区的高度重叠关系，可将资源由浅到深划分为采煤区、热煤共采区和采热区[61]。为实现协同开发，需综合评估煤、煤系气和地热能的储量及开发潜力。结合三者实际特点最优化构建深部煤、气、地热协同开发系统，如深部煤与煤系气资源勘探时同步进行地热勘探规划、开拓煤炭系统布置时优化地热开采系统、采后空间维护持续开采地热能[62-63]。开发煤与煤系气资源，同时利用煤与煤系气资源已有的生产系统进行地热能开发，可以减少从地面至采深的钻井与开发工作，大幅降低开发地热的成本。另外，还可充分利用井下丰富的水、热、空间资源，进行矿井地热资源的开发与利用，延续矿山生命周期，提高深部资源开发利用效率。
4. 煤系气高效开发重点攻关方向
我国现阶段煤系气产量与资源量仍极不匹配，高效开发技术面临技术瓶颈。地面煤层气平均单井产量与国外煤层气井单井产量还存在较大差距。煤层气、煤系致密砂岩气、煤系页岩气分层次合理配置及协同共采技术尚不成熟。整体较低的单井产量是制约我国煤系气产业持续快速发展的关键因素，尚无法满足我国大规模高效开发煤系气资源的需求。因此，探讨煤系气开发重点攻关方向，为充分发挥煤系天然气在能源低碳发展中的作用提供借鉴。
4.1 开发深部煤层气资源
随着深地科学的进步以及深部地质能源开发规模的扩大，深地能源开发已成为未来地质能源开发的必然趋势。我国深部煤层气资源量巨大，埋深大于1 500 m的陆地煤层气资源量约占我国陆地煤层气总资源量的71％，埋深大于2 000 m的煤层气资源量约占57%[64]。尽管深部煤层普遍具有地应力高、渗透率低、有效应力大等特点，但近年来我国发展了甜点区预测、井筒轨迹优化、大规模水力压裂增产改造、水力割缝卸压增渗、精细化排采控制等深部煤层气开发技术体系，并且在山西大宁−吉县、山西临兴、新疆阜康以及重庆南川等地区的深部煤层气井取得了十分可喜的产量，部分煤层气井实现自喷，单井日产气量超过6万m3，表明我国深部煤层气资源具有高产的巨大潜力[65]。
因此，深部非常规天然气的高效开发有望成为我国天然气增储上产的重要支撑，需大力开展深部煤层气资源量评价，研究深部煤层气赋存规律，查明深部煤层气资源量[66]。同时，深入总结研究深部煤层气改造技术获得重要突破的增产原理及地质适用性，进一步实现深部煤层气开发技术的推广应用，提升深部煤层气地质储量，增加深部煤层气产量及其在天然气总产量的贡献率。
4.2 多类型煤系气共探共采
由于我国煤层气、煤系致密砂岩气、煤系页岩气在空间分布上广泛，且具有共生共储的特点。对其共探共采可有效提高煤系气开采效率，大幅增加单井产量，同时降低勘探开发成本。
然而，由于煤系气储层具有多产层共生、多赋存态CH4共存、气水分布关系复杂及产层间能量平衡关系脆弱等特点，导致煤系气储层开发过程中层间干扰现象突出，部分产层产能贡献率过低等问题。因此，应突破煤系气储层地质评价、储层分层改造以及多气协同合采中的关键技术难题，大力实施煤系多类型天然气协同勘探，大力攻关煤系多类型天然气协同合采技术，提高煤系气储量和单井产气量，实现我国煤系气资源的增储上产，助力我国煤系气大产业的早日建立。
美国在Powder River盆地对富含煤层气、致密砂岩气层段进行分压合采，直井单井日产气量最高达20万m3。近年来，澳大利亚在Surat盆地开展煤系多气合采，平均单井日产量达数万立方米[8]。我国山西省煤系“三气共采”试点于2022年向山西全省推广，2023年上半年煤系气总产量68.2亿m3，有力支持了天然气资源的增储上产[67]。国内外部分地区在煤系多气开采方面已取得技术突破与成功范例，为推进全国煤系多类型天然气大规模共探共采提供了可借鉴的宝贵经验。
4.3 煤矿CH4零排放
美国、澳大利亚等主要采煤国家抽采的瓦斯基本全部被利用。我国煤矿开采每年排放至大气的CH4量达数百亿立方米，且绝大多数来自风排瓦斯（体积分数<0.75%）[68]，低于贫燃下限，无法通过常规的燃烧方式处理或利用[69]。开展针对煤矿低浓度瓦斯、特别是风排瓦斯氧化及利用技术研究，对提高煤矿瓦斯利用量、减少CH4温室气体排放具有重要意义。因此，亟需高效开采煤矿CH4，降低煤矿瓦斯以及风排瓦斯的直接排空量，提高CH4的利用率，推动实现煤矿CH4零排放。此外，煤矿CH4零排放的实现意味着将使我国天然气年产量增加数百亿立方米，对我国天然气产量的增长意义重大。
煤矿CH4零排放是指依据目前的技术条件，在矿区范围对地面预抽的煤层气、井下抽采瓦斯和通风瓦斯进行最大限度的有效利用，避免直接排空[70]。陕西煤业化工集团“十二五”期间，在彬长矿区大佛寺煤矿实施了瓦斯零排放示范矿井建设，实现了对煤矿瓦斯分梯度利用，取得了较好的效果[71]，为我国推动煤矿CH4零排放提供了可借鉴的经验。因此，需要大力推进煤矿瓦斯抽采率，大力发展全浓度瓦斯利用技术，尤其是低浓度瓦斯直接燃烧利用技术，建立煤矿生产过程中瓦斯全回收、综合利用的瓦斯零排放理论与技术体系，确保将全部CH4完全转变成有效利用的煤系气资源。
4.4 CCUS+煤系气资源高效开发
CCUS技术在国外被视为碳中和的兜底技术，在我国具有更紧迫的需求，是实现我国化石能源低碳化利用的关键技术，同时是大幅度减排的可行性技术选择[72]，CCUS+煤系气资源高效开发有助于加速推进能源低碳发展。在煤系气资源开发过程中常利用深部不可采煤层、浅部煤层未采区以及煤矿采空区进行CO2封存，利用CO2进行储层压裂，利用CO2驱替煤层气、页岩气等提高产量并实现碳封存。截至2023年，中国已投运或规模建设中的CCUS示范项目已接近百个，项目广泛涉及CO2-EOR、CO2-ECBM等多种关键技术，其中前者已接近达到商业应用阶段，后者已处于先导试验阶段。
随着煤系气产业的发展、CCUS技术的进步以及示范项目的推进，新一代低成本、低能耗的捕集、利用、封存技术呈现快速发展势态，正由中试逐渐向工业示范过渡，未来CCUS+煤系气资源技术有望被广泛应用。尽管中国CCUS技术发展迅速，但当前阶段仍面临技术成本高、欠缺商业模式、源汇匹配不佳等问题。因此，为进一步发挥CCUS技术在中国实现“双碳战略”目标的关键作用，应从技术体系构建、关键技术研发攻关、标准机制体系完善等方面综合考虑发展[73]。
4.5 煤系气开发地质工程一体化
多年实践结果表明，煤系气开发工程技术体系与煤系气储层地质条件的匹配性是制约我国煤系气单井产量的根本因素。我国地质历史上经历多期次构造活动，煤系气储层地质条件复杂、多变，深刻影响煤系气储层开发技术的适用性[74]。因此，不同地质条件的煤系气储层需要匹配和发展不同的开发技术体系[75]。尽管我国分别就煤系气储层地质及开发工程理论与技术开展了系统研究，但地质与工程研究仍存在脱节较重、互馈信息不足、相互指导性不强等问题，导致煤系气选取评价、钻完井、储层改造及排采工程技术未能充分结合我国复杂多样的煤系气储层地质条件。因此，为了实现煤系气的高效开发，需要重视煤系气开发工程地质一体化研究，强化对煤系气储层赋存条件、储层物理力学性质、地应力、构造、水文、地层等影响煤系气开发工程的地质条件及主控地质因素开展深入研究，掌握不同区块、不同开发井、不同生产时期储层主控地质条件的差异，强化钻井工程地质、压裂（改造）工程地质、排采过程中的地质工程一体化研究，制定“一区一策”“一井一策”“一层一策”“全生命周期”的煤系气开发工程方案及技术体系，实现地质与工程的紧密互馈（图5），相互指导的煤系气地质工程一体化管理模式。
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图 5 煤系气开发地质工程互馈关系Figure 5. Connection between geology and engineering of coal measure gas development4.6 煤系气开发数字化与智能化
随着能源结构的转型和对清洁能源需求的增长，智能化与数字化技术的应用可有效提高煤系气的开发效率、优化资源利用以及保障安全生产。人工智能技术在煤系气高效开发中的应用主要集中在储层勘探、产能预测、开发技术优化等3个方面[76]。在储层勘探方面可通过数字化勘探工具进行煤系气储层地质特征分析，建立勘探评价数据库，采用人工智能和机器学习算法等技术，对数据进行自动化分析，精确反映煤特性，从而建立更精准的储层地质模型。基于数字化技术建立煤系气开发动态模型，通过与实时数据对比，优化储层开发技术体系。煤系气产能智能预测是将人工智能、大数据分析等运用到煤层气的动态产能预测的技术体系。开发技术优化主要是建立煤系气钻井、压裂、排采等智能监测系统和专家决策分析系统，发展煤系气井智能调控模型与技术体系，以数字化和智能化技术助力煤系气资源的高效绿色低碳开发。
当前，煤系气开发数字化与智能化仍面临着复杂地质条件精确表征难、优质数据获取不足、数据互通难度大等问题。因此，重视数据积累，针对代表性煤系气井田建设高质量信息化平台，为智能平台建设提供高质量的数据支撑。煤系气产能预测需考虑地质、环境等诸多因素，且煤系气的解吸−扩散−渗流是一个复杂、不确定的动态过程，人工智能算法对此类多指标的不确定性问题的适应性相较常规数学模型更好，更贴合实际生产需求[77]。在钻井、压裂及排采等开发技术优化方面，应加强数据管理与统筹，实现数据共享和质量管控，在智能控制机理分析、算法优化、参数调整等方面进一步优化。因此，煤系气开发数字化和智能化是系统工程，是煤系气高效开发领域未来的重要发展方向。我国煤系气开发重点攻关方向见表1。
表 1 煤系气高效开发重点攻关方向Table 1. Exploration and development trends of coal measure gas方式 主要内容 意义 开发深部煤层气资源 深部煤层气资源量评价 增加深部煤层气资源量和储量，突破深部复杂地质条件开采难题 深部煤层气赋存规律 深部煤层气大规模改造增产理论与技术 多类型煤系气共探共采 煤系多气协同勘探 降低煤系多气勘探开采成本，大幅提高煤系气单井产量 煤系多气协同合采 煤矿CH4零排放 提高瓦斯抽采率 降低CH4温室气体排放，提高瓦斯抽采量对天然气产量贡献度 提高低浓度瓦斯利用率 CCUS+煤系气高效开发 煤系气储层CO2地质封存 提高煤系气井产量，促进CCUS技术发展 CO2增产改造煤系气储层 煤系气开发地质工程一体化 不同区块、不同开发井、不同生产时期储层主控地质条件差异 增强煤系气开发技术与储层地质条件的匹配性 构建一区一策、一井一策、一层一策、全生命周期开发技术体系 煤系气开发数字化与智能化 智能勘探与选区评价 以数字化智能化技术助力煤系气资源的高效绿色低碳开发 煤系气产能智能预测 智能钻井、压裂、排采及监控 5. 结 论
1）我国煤系气资源类型多、资源量大且分布广泛，不同类型煤系气井产量增长显著，开发潜力巨大。我国煤系气资源条件为发挥煤系气开发在能源转型中的价值作用奠定了坚实的基础。
2）煤系气资源的高效开发可有效降低高碳化石能源消费占比，减少CH4温室气体排放，以及与煤系储层CO2地质封存、CO2驱替煤层气、CO2压裂、地下储气库垫气等CCUS技术结合实现增产与减碳双效应。
3）煤系气高效开发有助于提高天然气发电量占比，构建新型灵活电力系统；有望带动天然气制氢技术的发展和成本的下降，且煤系储层可作为重要的地下储氢场所。此外，利用煤系气资源开发已有的生产系统进行地热能开发，可以减少从地面至地热采深的钻井与开发工作，大幅降低开发地热的成本，实现煤、气、热协同开发。
4）整体较低的单井产量是制约我国煤系气产业持续快速发展的关键因素，尚无法满足我国大规模高效开发煤系气资源的需求。为实现煤系气资源的高效开发，应大力开发深部煤层气，大力实施煤系多类型天然气共探共采，大力推动煤矿CH4零排放，强化CCUS+煤系气资源高效开发、强化地质工程一体化，以及针对性建设煤系气开发智能化信息平台，优化资源利用，保障生产安全。
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图 1 中国、美国2018—2023年化石能源消费占比
Figure 1. Comparison of proportion of fossil energy consumption in China and the United States from 2018 to 2023
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图 4 2023年典型国家和地区天然气发电量占比
Figure 4. Proportion of natural gas power generation in typical countries and regions in 2023
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图 5 煤系气开发地质工程互馈关系
Figure 5. Connection between geology and engineering of coal measure gas development
表 1 煤系气高效开发重点攻关方向
Table 1 Exploration and development trends of coal measure gas
方式 主要内容 意义 开发深部煤层气资源 深部煤层气资源量评价 增加深部煤层气资源量和储量，突破深部复杂地质条件开采难题 深部煤层气赋存规律 深部煤层气大规模改造增产理论与技术 多类型煤系气共探共采 煤系多气协同勘探 降低煤系多气勘探开采成本，大幅提高煤系气单井产量 煤系多气协同合采 煤矿CH4零排放 提高瓦斯抽采率 降低CH4温室气体排放，提高瓦斯抽采量对天然气产量贡献度 提高低浓度瓦斯利用率 CCUS+煤系气高效开发 煤系气储层CO2地质封存 提高煤系气井产量，促进CCUS技术发展 CO2增产改造煤系气储层 煤系气开发地质工程一体化 不同区块、不同开发井、不同生产时期储层主控地质条件差异 增强煤系气开发技术与储层地质条件的匹配性 构建一区一策、一井一策、一层一策、全生命周期开发技术体系 煤系气开发数字化与智能化 智能勘探与选区评价 以数字化智能化技术助力煤系气资源的高效绿色低碳开发 煤系气产能智能预测 智能钻井、压裂、排采及监控 
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