中国煤层气生产可行性研究.pdf

Energy and Environment Programme 中国-欧盟能源环境项目 中国煤层气生产可行性研究 EuropeAid/120723/D/SV/CN 中国石油大学（北京） 2008 年 3 月 中国石油大学（北京） 2008 年 3 月 项目名称 项目名称中国煤层气生产可行性研究 委托单位委托单位中欧能源环境项目 项目经理项目经理Bert Bekker 王升辉 承担单位承担单位中国石油大学（北京） 项目负责人项目负责人罗东坤 关键专家关键专家罗东坤 吴晓东 张宝生 李根生 其他专家其他专家褚王涛 孙旭东 郝 洪 李伟超 彭贤强 夏良玉 参与研究人员参与研究人员席长丰 陈勇光 李丽松 郭 轶 李长卓 史 进 郭建海 张凤喜 方 翔 佟 研 平 洋 研究起止时间研究起止时间2007 年 6 月 25 日2008 年 3 月 25 日 I 序 言 这是一份非常独特的报告， 因为它向人们展示了针对中国煤层气目标区所进 行的综合调查研究的结果。据我们所知，这份报告的研究内容的丰富程度是前所 未有的，每个煤层气目标区的地质特征、生产的可能性、勘探和生产成本、煤层 气开发技术的适用性、市场条件、开发经济性与社会效益都得到了研究。此外， 报告对政府制定鼓励性的煤层气产业政策也提出了新的观点。 这份报告中最重要的成果是评价出中国最有利的煤层气目标区， 这是综合考 虑各种影响煤层气开发经济性因素后进行煤层气目标区排序的结果。 报告还表明 考虑到煤层气开发的社会效益，目前政府制定的补贴标准是合理的，而且还有一 定的提高空间。 事实上，研究并不局限于中国，大量的工作用于分析世界主要煤层气生产国 的煤层气产业发展经验，以供中国结合自身的条件加以借鉴。为了了解国外的成 功经验，这些地区（可获得数据的）的地质特征、采用的钻井和生产技术、可利 用的基础设施和政府（中央和地方）实施的旨在促进煤层气产业发展的财政政策 得到了深入的研究，这是非常必要的工作。 鉴于上述工作， 研究也对由不同煤层气钻井技术组成的煤层气开发方案进行 了技术效果和经济效果的比较， 并且分析了中国煤层气目标区开发曾经和现在仍 然面临的瓶颈。 在市场经济中，煤层气开发是否可行由经济评价的结果决定。因此，基于相 关参数，如投资、勘探生产成本、市场容量、基础设施状况和财税制度，研究对 中国煤层气目标区进行了经济评价， 并结合经济评价的结果和煤层气目标区资源 量提出了中国煤层气目标区开发决策建议。 毫无疑问， 报告主要针对中国政府和那些对开发中国煤层气感兴趣的油气公 司，它们可以在开发中国煤层气目标区的决策过程中获得帮助。此外，报告也可 供想更好地了解煤层气资源、煤层气开发以及影响煤层气开发经济性因素的人 （学生、专家和煤层气开发管理人员）参考。 II 致 谢 中国煤层气生产可行性研究项目虽然由中国石油大学（北京）负责实施，但 研究结果却是中国煤层气领域众多专家智慧和相关部门支持的结晶。在此，我们 向他们表示感谢 - 感谢开拓中国煤层气产业的先驱者们，我们在研究中借鉴和引用了他们 的成果。尤其是值得一提的是接明训、李景明、赵贤正、刘显法、孙茂远、张新 民、叶建平、赵庆波、秦勇、王红岩、张遂安、范志强、张福东等专家的工作和 研究成果对该项目的完成产生了巨大作用。 - 感谢中欧能源环境项目天然气欧方经理 Bert Bekker 先生。他的友好、科 学、认真、务实和勇于探索的作风与工作态度，不仅促进了该项目的成功完成， 对我们将来的研究工作也产生了很大影响。 - 感谢中欧能源环境项目天然气中方经理王升辉先生。他以其优秀的职业 素质、求真务实的工作作风，为该项目的顺利实施和结题做了大量细致入微的工 作。 - 感谢中国国家发展和改革委员会能源局 - 感谢中国石油勘探开发研究院廊坊分院和中联煤层气有限责任公司 - 感谢中国石油大学（北京）的有关领导和职能部门 中国石油大学（北京）中国煤层气生产可行性研究项目组 2008 年 3 月 III 项目介绍 中国-欧盟能源环境项目 中国-欧盟能源环境项目 （EEP） 是根据中国政府与欧盟委员会的政府合作协 议，为了加强双方在能源环境领域的合作而开展的一个国际合作项目。该项目于 2003 年 5 月 24 日正式启动，总预算 4290 万欧元，其中欧方出资 2000 万欧元， 中方及其他参与方提供配套 2290 万欧元，项目计划于 2009 年底结束。其总体目 标是随着中国经济社会水平不断发展，保障国家能源供应安全，促进能源的可 持续利用，改善中国的环境质量和健康条件。 为了实现总体目标，项目对以下几个方面予以支持 促进中欧工业界在中国能源市场的合作 加强中欧能源供应安全 保护全球环境，促进可持续发展 项目在以下 4 个方面开展相关活动 综合能源政策 能源效率 可再生能源 天然气 项目的主要执行机构是国家发展和改革委员会、科学技术部、能源研究所以 及中国石油天然气集团公司。 中国煤层气生产可行性研究 中国煤层气生产可行性研究是中国-欧盟能源环境项目第一批资助的10个大型招 标项目之一，目的在于评价中国煤层气生产的技术经济可行性。欧盟将根据项目 结论决定是否继续投资于中国的煤层气先导性试验。该招标项目于 2007 年 6 月 25 日启动，于 2008 年 2 月 15 日结束，总预算 43.3 万欧元。该招标项目的中标 和执行单位为中国石油大学（北京） 。 研究背景 中国经济快速发展拉动了能源消费的大幅度增长。自 1993 年成为原油纯进 IV 口国以来，中国对世界石油市场的依赖度不断上升，2007 年已达到 47左右。 对世界石油市场的依赖使中国经济发展面对两方面的严峻挑战 一是油价剧烈波 动影响经济健康发展；二是突发事件导致石油供应中断。这两方面的挑战都是影 响中国命运的问题， 是关乎经济安全、 乃至政治安全的战略问题。 经济不断发展， 能源需求不断增加，国内原油供应不足，对国际能源市场的依赖又有潜在的安全 问题，这就迫使中国在各行业大量采用石油的替代能源。替代能源有煤炭和天然 气、核能、水能、风能、太阳能、沼气等清洁能源。其中，天然气资源丰富，勘 探程度低，有发展的物质基础，未来可望有较大的发展；核能发展在起步阶段， 建设时间长且需要巨大投资和技术支撑，短期内难以发挥大的作用；水电虽然清 洁， 但建设水电一方面建设周期长、 投资大， 另一方面也会造成环境影响； 风能、 太阳能、沼气能占比例很少，只能作为有限补充。这样，为了支撑起经济发展， 很自然的煤炭就成为中国能源的主角，形成了中国以煤炭为主的能源消费结构。 实际上，中国既是能源消费大国，也是以煤炭为主的能源生产大国，年生产 煤炭超过 20 亿吨。中国有巨大的煤炭储量，仅从能源这个角度来看完全可以满 足经济发展所需。然而，煤炭工业的快速发展和煤炭资源的大量开采却带来了社 会和环境问题。其一，煤炭的成分非常复杂，在燃烧过程中不仅会大量产生 CO2 也产生 SO2等有害气体，对空气形成严重污染；其二，煤炭的热利用率低，满足 同样能源需求会有更多的 CO2排出，加速了全球变暖的生态灾难；其三，煤炭 在生产、运输和使用中会产生大量粉尘，既造成了污染也浪费了资源；其四，煤 炭开采区，容易造成地面开裂、房屋倒坍、山体滑坡等问题；其五，开采煤炭过 程中会产生大量瓦斯，或对煤矿安全生产造成严重威胁，或逸散到空气中对臭氧 层造成严重破坏。 所以， 中国能源应该在保障能源安全的基础上以发展清洁能源、 改善能源结构作为长期战略，逐步减少煤炭所占比重。 煤炭作为中国主要的能源虽然有很多问题， 但与煤炭共存的且在长期的煤炭 生产中作为有害物质的煤层气，却随着技术进步而成为清洁能源和宝贵的资源， 尤其是煤层气通过地面钻井抽放的商业开采在美国获得成功之后， 开发煤层气资 源已成为煤炭大国能源战略的重要构成部分。 大规模开采煤层气将会产生巨大的 社会经济效益 一是， 煤层气的主要成份为 CH4， 其对臭氧层的破坏远甚于 CO2， 通过抽采利用减少 CH4的排放就可减少对臭氧层的破坏，减缓地球变暖趋势； 二是，煤层气是优质清洁能源，通过开采利用可以减少非清洁能源煤炭和需进口 V 能源石油的依赖度，改善能源消费结构；三是，通过地面抽采降低了煤层的瓦斯 含量，减少了开采煤炭过程中由瓦斯造成的矿难，提高了煤矿生产的安全程度； 四是，煤层气的开采利用会提高居民生活水平和城市空气质量。此外，煤层气的 大规模开采，也有利于促进就业和拉动经济。 中国有非常丰富的煤炭资源，也有丰富的煤层气资源。作为赋存于煤层中的 一种非常规天然气资源，2000m 以浅的煤层气资源约有 351012m3，这为中国发 展煤层气产业奠定了雄厚的物质基础。开采煤层气资源，主要有矿井抽采和地面 钻井开采两种方式。在中国，煤矿井下瓦斯抽采始于上个世纪 50 年代初，现在 已由最初为保障煤矿安全生产发展到安全能源环保综合开发型抽采； 煤层气地面 试验开发始于上个世纪 70 年代末，由于当时井位选择和技术、设备的限制试验 未达到预期的效果，90 年代随着美国技术的引入，煤层气地面开发才进入新的 时期，经过十余年的勘探和开发试验，地面开发正在逐步取得突破。 煤层气的开发受资源条件、工艺技术、政府政策、能源价格以及开采煤层气 的经济性等因素影响。虽然我国在煤层气产业领域已经进行了大量投资，但总的 来看这些投资尚属于探索性的，煤层气商业开发尚处于起步阶段。尽管如此，这 些探索试验在技术上已为中国煤层气产业发展奠定了基础， 在经济上已为商业化 开采煤层气资源进行了先导性试验，中国大规模开采煤层气资源的时代即将到 来。为此，中欧能源环境项目在中国政府的支持下将中国煤层气开发可行性研究 列入重点项目，并通过招标方式在中国和欧盟寻求项目承担单位。中欧能源环境 项目是根据我国与欧盟在 2002 年 4 月 3 号签署的双边赠款协定发起，旨在进一 步加强中欧双方在能源领域的交流与合作，并通过探索具有良好经济、社会和环 境效益的能源供应途径，促进中国环境质量和居民健康条件的不断改善。煤层气 可行性研究项目是中欧能源环境项目中的重大子项目， 主要任务是对中国煤层气 勘探开发进行技术经济评价， 研究结论将作为欧盟在中国境内参与开展先导性试 验的依据。该项目是中欧能源环境项目中的首个公开招标的重大项目，经过两轮 激烈竞争中国石油大学（北京）最终从国内外众多国家级的科研机构、大专院校 和专业公司构成的竞争队伍中脱颖而出，于 2007 年 2 月中标，并于 2007 年 6 月 底签署合同。 项目正式启动后，中国石油大学（北京）发挥学科齐全的优势，组成由 4 位 教授作为关键专家、20 余人参加的跨院系、跨专业攻关队伍，在中联煤层气有 VI 限责任公司和中国石油勘探开发研究院廊坊分院的支持下， 开展了艰苦的攻关研 究，并最终形成了由 7 部分构成的研究报告。 研究报告内容简介 第一部分，煤层气概述。该部分主要介绍煤层气的基本概念、形成过程、化 学成分、成藏条件、主要类型、开发方式、废水处理、基本用途、中国开发煤层 气资源的机遇等煤层气产业的基本问题。 第二部分，世界煤层气资源开发及经验。该部分主要是通过总结美国、加拿 大和澳大利亚等世界上煤层气勘探开发最活跃国家的产业发展过程和经验教训， 为中国煤层气产业发展在完善基础设施、结合煤储层和地质条件研究适用技术、 财政支持、市场培育、法规建设等方面提供借鉴。 第三部分，中国煤层气资源。该部分在总结前人研究成果的基础上，论述了 按煤层气大区、含气区、含气带、气田这四个级别进行中国煤层气资源分布区划 的基本框架；收集整理了 56 个含气带的成煤时代、主要煤级、埋深、含气饱和 度、气含量、资源密度、煤层气资源量等地质特征参数，选取资源密度、煤层气 资源量、含气量这 3 个关键参数，采用加权平均综合评价方法对煤层气含气带进 行了综合评价与排序，并根据资源富集程度、资源丰度以及资源规模的门限值， 对含气带进行筛选；在此基础上，从地质背景、储层、资源以及开发基础等方面 出发，选取煤级、埋深、渗透率、煤层厚度、含气面积、含气量、地面条件以及 市场需求等参数指标，对 85 个目标矿区进行了综合评价与排序，给出了最优、 次优、较优、一般四个矿区分级，为开展技术经济评价从资源方面提供了目标。 第四部分，中国煤层气技术。该部分根据世界煤层气技术发展与中国在煤层 气勘探开发技术领域的研究，结合中国煤层气的地质特点对煤层气勘探技术、钻 井技术、生产技术、增产技术进行了分析评价，总结了中国煤层气勘探开发比较 成熟的技术系列和需要进一步研究的技术领域。 同时， 结合第三部分的地质选区， 以现有可行技术为依托，以直井和多分支水平井井型为基本布井方案，利用软件 对具有一定远景的目标区进行了产量预测，为经济评价和综合选区奠定了基础。 第五部分，中国煤层气开发经济评价。该部分是在资源评价排序和应用现有 可行技术模拟不同井型产量规律的基础上，对各煤层气目标区进行经济评价。包 括市场条件分析和各目标区需求预测、 煤层气目标区开发经济性的影响因素分 VII 析与经济评价体系的建立、 利用我们开发的经济评价方法和软件对中国煤层气主 要目标区进行经济评价、对中国煤层气生产社会效益进行了量化分析、依据我们 提出的分级方案对中国煤层气目标区进行了综合排序与优选。 第六部分，中国煤层气有利目标区介绍及先导性试验建议。该部分对经济评 价效果和综合分级后认为优先开发的煤层气目标作了介绍，在可优先开发的目 标，根据勘探开发活动情况、市场条件、资源条件、风险程度等因素，优选出具 备条件的韩城目标区作为下一个煤层气开发先导试验区， 并对韩城目标区进行煤 层气先导性试验的基础条件进行了分析、 提出了韩城目标区煤层气先导性试验方 案的概念设计、估算了韩城目标区煤层气先导性试验的投资与成本。 第七部分，中国煤层气活动与产业发展。包括两方面内容，一是对中国煤层 气勘探开发和利用活动进行总结； 二是在分析中国煤层气产业现状及发展瓶颈的 基础上，提出了促进煤层气产业健康发展的政策性建议。 VIII 目 录 序言 I 致谢 II 项目介绍 III 执行摘要 1 第 1 章 煤层气概述13 1.1. 煤层气的定义和基本特征13 1.2. 煤层气生成 13 1.2.1. 煤层气成因类型及形成机理13 1.2.2. 煤层气组分及影响因素15 1.3. 煤层气藏及形成条件16 1.3.1. 煤层气成藏的含义 16 1.3.2. 煤层气藏形成条件 16 1.3.3. 煤层气藏类型17 1.4. 煤层气的开发和利用17 1.4.1. 煤层气开发17 1.4.2. 煤层气利用19 1.5. 中国煤层气资源开发利用的机遇20 第 2 章 世界煤层气资源开发及经验 23 2.1. 世界煤层气资源概况23 2.2. 主要煤层气资源国资源概况23 2.2.1. 欧盟国家煤层气资源23 2.2.2. 加拿大煤层气资源 24 2.2.3. 澳大利亚煤层气资源26 2.2.4. 美国煤层气资源 27 2.2.5. 俄罗斯煤层气资源 29 2.3. 主要煤层气资源国的煤层气勘探开发技术 30 2.3.1. 欧盟国家煤层气勘探开发技术30 2.3.2. 加拿大主要的煤层气勘探开发技术32 2.3.3. 澳大利亚的煤层气勘探开发技术33 2.3.4. 美国煤层气勘探开发技术34 2.3.5. 俄罗斯煤层气勘探开发技术35 2.4. 主要煤层气资源国的煤层气产业发展35 2.4.1. 英国煤层气产业发展35 2.4.2. 德国煤层气产业发展36 IX 2.4.3. 加拿大煤层气产业发展37 2.4.4. 美国煤层气产业发展38 2.4.5. 澳大利亚煤层气产业发展40 2.4.6. 俄罗斯煤层气产业发展40 2.5. 主要产煤层气国家的鼓励支持政策41 2.5.1. 英国煤层气产业鼓励政策41 2.5.2. 美国煤层气产业鼓励政策41 2.5.3. 澳大利亚煤层气产业鼓励政策43 2.6. 国外煤层气产业发展的经验与启示44 第 3 章 中国煤层气资源49 3.1 中国煤层气资源分布区划49 3.1.1. 煤层气分布区划基本原则49 3.1.2. 中国煤层气资源分布区划方案50 3.2. 中国煤层气资源总量与分布53 3.2.1. 中国煤层气资源总量53 3.2.2. 中国煤层气资源分布54 3.3. 中国煤层气资源地质条件及特征56 3.3.1. 中国煤层气成藏地质理论分析56 3.3.2. 中国煤层气资源地质总体特征57 3.3.3. 主要含气区地质特征描述59 3.3.4. 中国煤层气主要含气带地质特征描述61 3.4. 中国煤层气区带排序优选研究61 3.4.1. 评价指标的选择及处理方法61 3.4.2. 煤层气含气带综合排序结果64 3.5. 中国煤层气目标区排序优选分析66 3.5.1. 煤层气目标区排序基本标准和评价参数67 3.5.2. 主要煤层气目标区参数及其处理69 3.5.3. 中国煤层气目标区排序70 3.6. 中国煤层气资源分析总结73 3.6.1. 资源状况及地质特征73 3.6.2. 中国煤层气资源分布区划75 3.6.3. 煤层气开发有利选区76 第 4 章 煤层气勘探开发技术80 4.1. 地球物理探测技术展望与预测80 4.1.1. 国内外煤层气地球物理技术的现状80 4.1.2. 技术适应性分析分析82 X 4.1.3. 技术需求以及关键技术发展方向85 4.2. 国内外主要煤层气钻探技术发展现状86 4.2.1. 国外主要钻探技术发展现状86 4.2.2. 国内主要钻井技术发展现状87 4.2.3. 国内主要钻进、取心、完井、固井技术适应性分析88 4.2.4. 中国主要煤层气钻探技术的发展趋势100 4.3. 煤层气开采技术100 4.3.1. 煤层气开采技术现状101 4.3.2. 主要开采技术应用情况分析102 4.3.3. 技术发展趋势分析 107 4.3.4. 采出水处理108 4.4. 增产技术的现状及前景110 4.4.1. 国内外主要增产技术发展现状110 4.4.2. 国内煤层气压裂、气体驱替、羽状多分支井技术应用情况分析111 4.4.3. 国内主要增产技术存在的问题及发展方向117 4.5. 煤层气储集区开发方案设计118 4.5.1. 适宜的煤层气开发技术118 4.5.2. 煤层气产能预测 120 第 5 章 中国煤层气开发经济评价129 5.1. 中国煤层气开发环境分析和市场预测129 5.1.1. 天然气需求对煤层气的带动作用129 5.1.2. 相关产业发展对煤层气产业的影响130 5.1.3. 煤层气利用潜力分析133 5.1.4. 中国煤层气目标区市场需求预测136 5.2. 煤层气目标区开发经济性的影响因素与经济评价体系