1、“中国煤层气资源开发”项目的成就与后续发展初探【摘要】联合国开发计划署(UNDP)资助的“中国煤层气资源开发”项目(CPR92G31)自 1992 年启动以来，经过 5 年的实施，将于今年全面结束。本文介绍了该项目的执行情况和取得的丰硕成果，对存在问题及后续发展计划进行了探讨。1 项目概述1992 年 6 月，中华人民共和国与联合国开发计划署(UNDP)签署了“中国煤层气资源开发”项目，其中包括松藻、开滦、铁法矿务局和煤炭科学研究总院西安分院等 4 个小项目，由 UNDP 通过世界银行的全球环境基金(GEF)资助中国 1000 万美元，中国政府也投入与当年汇率等价的5620 万元人民币，作为该
2、项目的国内配套资金。项目于当年正式启动。项目的总体目标，一是为我国制定发展煤层气工业战略的技术和组织机构上的准备；二是介绍和展示开发煤层气所需的各种技术和工艺；三是提高中央和地方政府决策者的认识水平，充分认识合理开采和利用煤层气资源对环境保护和以煤层气作为新能源的潜在经济意义。该项目原计划从 1992 年 7 月到 1995 年 6 月三年时间内完成，由于受国内政府及联合国机构改革的影响，以及国内资金筹措和国外采购设备不能及时到货等原因，项目推迟至今年完成。尽管延迟了二年多，但由于中国政府的重视和联合国的支持，该项目取得了丰硕成果，实现了预定目标。1997 年，GEF 的官员在对项目执行情况进
3、行实地考察后，对该项目给予了较高的评价。在项目进行最终评估之前，我们谨以此文对项目所取得的成就进行初步总结，并对项目结束之后的可持续发展进行探讨。2 项目的管理与实施项目的执行机构为联合国发展援助与管理服务部(DDSMS)，(现更名为联合国经济与社会事务部(DESA)，实施机构为前中华人民共和国能源部，1993 年政府机构改革后由原煤炭工业部接管。原煤炭部对此项目非常重视，成立了以陈明和总工程师为组长的联合国煤层气项目领导小组，并由他担任中方项目负责人，由国际合作司和规划发展司负责管理、协调项目的实施及国内配套资金的筹措，委托四达矿业公司负责项目实施中具体事务的协调。各子项目单位也组建了相应的
4、领导机构，并配备了专业技术人员。 为了实现向中国转让先进技术的目标，1993 年，联合国通过招标方式，并征得中方项目负责人的同意，确定了松藻、铁法和开滦三个子项目的国外承包商。为便于督促检查项目的实施，并从总体上对 4 个子项目进行技术协调和平衡，联合国 DDSMS 还聘请美国煤层气工业的开创者、经验丰富的安塞尔先生担任项目的总顾问。为解决子项目施工中经常出现的一些技术问题，加快工程进度，提高施工质量，根据原煤炭部的建议，1995 年 7 月，联合国批准建立了由煤炭和石油专家组成的联合国中方专家组。中方专家组的成立为项目的实施起了重要作用。现场的许多技术问题具有即时性和中国特色，中方专家组很好
5、地解决了施工中的技术问题，提出了许多建设性的意见，起到了外方专家不可替代的作用，受到了子项目单位的普遍欢迎，联合国也对他们的工作给予了肯定和赞赏。 在项目管理上，联合国实行按年度计划安排工作，每年年初召开一次项目的三方审评会。每次会议由项目的执行机构联合国 DDSMS 与UNDP、实施机构原中国煤炭部和各子项目单位的代表在一起审评项目一年来的进展情况，听取问题汇报，讨论解决的办法，并安排下一年度的工作计划。三方审评会制度使项目管理层能总揽项目的大方向和总进展，安排必要的资金和物资，也给子项目单位提供了向管理层面对面汇报情况、反映问题的机会。3 项目的成就3.1 各子项目的目标与完成情况3.1.
6、1 铁法子项目由铁法矿务局和美国分包商 REI 公司实施。子项目的目标主要有两个，一是利用引进的井下长孔定向钻机，在煤层上方的岩石中打水平定向长钻孔，在回采煤层前抽取邻近层采空区的煤层气；二是从地面打垂直采空区井，利用煤层采动后顶板裂隙发育的原理，抽取采空区(又称采动区)的煤层气。(1)井下水平定向长钻孔抽取采空区煤层气我国过去几十年井下煤层气抽放一般均采用国产旋转钻进短孔钻机打本层孔或穿层孔，钻机设计深度最大为 300。煤矿使用时，实际钻孔深度多为 70160不等。铁法示范项目使用的是引进的弗莱彻千米定向钻机，采用高压水驱动孔内马达钻进。此类钻机在美国煤层中钻进时曾创造过 1538的世界记录
7、。铁法矿务局的技术人员在接受美国专家的培训后，掌握了钻机的使用和维修技术，在大兴矿 S1702 综采工作面上方施工了三个水平定向钻孔，总长度 685.5，三孔长度分别为305，224.5和 156。第一个孔是在美国 REI 公司的协助下完成的，后两个孔是铁法矿务局独立完成的。S1702 工作面的三个水平长钻孔从1996 年 8 月 16 日到 1997 年 3 月 4 日的 199 天中，抽出纯甲烷总量为167.472 万 m3，抽出的煤层气均并入矿区利用系统。这种抽放方法的抽放率比常规方法提高 57.62%。在用水平长钻孔抽放的 4 个月中，所在工作面原煤最高月产量为 18.54 万，平均
8、13.886 万/月，比该局平均月产提高 33.9%；生产效率达 103.286工日，比该局平均生产效率61.042工日，提高了 40.9%。铁法矿务局计划 98 年安排第二个井下水平定向长钻孔示范工作面，再打两个 500的水平长钻孔，争取创造国内井下定向钻孔的新记录。(2)地面垂直采空区井抽取采空区煤层气地面垂直采空区井(又称采动区井)是铁法子项目最成功的范例。这种方法是在地面适当位置按一定间距打若干垂直孔至采煤工作面上方岩石的裂隙带内，利用采煤中顶板压力变化造成的裂隙发育而大量产气。铁法矿务局在大兴矿 N1405 回采工作面地面钻了三个采空区井，三孔总长度 1603.22，分别为 532，
9、533和 538。三孔从 1995 年 6 月 28日到 1997 年末共产气 307.55 万 m3，所产气全部并入利用系统。此外，这三个孔所在示范工作面 N1405 下面的 N1701 工作面已于 1997 年完成设计工作，今年 6 月即可在工作面采煤时利用 N1701 采后冒落形成的与相距 45.3的上部1405 面连通的裂隙，形成第二个产气高峰。铁法矿务局根据 1996 年地面采空区井的抽放量统计数据作了经济效益分析，主要经济效益有：向 1.46 万户居民供气，按 0.6 元m3 计，收益为 302.76 万元；由于瓦斯抽放及时，使综采开机率由 54.5%提高到 68.1%，增产煤炭
10、2.74 万，增收 274 万元；由于瓦斯抽放率提高到 58.93%，采场供风减少了 502m3分，9 个月节约主扇电费 195.17 万元；1.46 万户居民用气后每年节煤 3 万，节省 360 万元，9 个月总计创经济效益 983.42 万元。此外，地面采空区井还获得了明显的安全效益和环境效益：使瓦斯突出矿井大兴矿在降低排风量的情况下实现了安全生产；从三个地面采空区井抽出的201.8 万 m3 煤层气(截至 1996 年 3 月底的统计)全部加以利用，减少向大气排放甲烷 55.77%，对保护地区和全球环境作出了贡献。在铁法子项目的最终报告中将有最新的经济效益和社会效益的统计数字。为了总结推
11、广铁法矿区地面采空区井的成功经验，在联合国的资助下，煤科总院抚顺分院会同铁法矿务局，并在中外专家的协助下，最近已编制完成了“地面采空区钻井手册” 。这本手册从理论、技术和实践经验上对地面采空区井进行了全面系统的阐述和总结，对于在我国乃至世界上推广应用这一技术具有重要意义。铁法子项目成功的经验在于，始终将项目实施的主动权掌握在自己手里，将国外的技术转化变成自己的技术，不但在采用煤层气先进技术方面起到了示范作用，而且在项目实施的管理和方式上成为典范。3.1.2 开滦子项目由开滦矿务局和美国分包商 GAI 公司实施。子项目目标是，打地面垂直钻孔进行采前预抽煤层气，应用和推广先进的煤层气地面高效钻进方
12、法和技术，同时制定在矿区内勘探和开发煤层气的计划，设计和建造抽取系统、输送管道和煤层气处理设施，促进中国煤层气资源的商业性开发。开滦矿务局的技术人员在接受国内外培训的基础上，与美国分包商密切配合，对 1 号井进行了排水和井底改造工程，又先后用引进的 2500DD 车载钻机和国产钻机完成了 3 号井和 4 号井的钻井、固井、取芯、现场解吸、测试和完井等全部工程量。从 1996 年 11 月起，1、3、4 号井先后安装了梁式抽油机进行排水产气试验。1997 年 8 月，开滦矿务局又委托中原油田对 1 号井和 3 号井的 8、9 煤层进行了水力压裂，从产气情况来看，由于水量较大，钻孔数量少，水位下降
13、缓慢，只有 4 号井的日产气量达2000m3，达到了利用标准。1997 年 11 月 12 日开滦矿务局为 4 号井建成输气管路 590，并与原有的地面管路相连接，使 4 号井所产的煤层气成为唐山矿抽放利用系统的补充气源。目前开滦矿务局正在继续抽水试气，观测结果，如果 1 号井和 3 号井产气量达到利用标准，开滦矿务局将铺设 1100m 长的管路，将之纳入利用系统。与此同时，开滦矿务局还制定了开发利用唐山矿岳胥区砂岩煤层气的计划，并在钱家营和吕家坨矿施工 12 个勘探井，探讨开平煤田深部开发煤层气的可行性。另外，保养好现有的施工设备，稳定施工队伍，争取在国内煤层气开发工程中发挥作用也是开滦子项
14、目的后续计划之一。目前开滦子项目已全部完成，该局和分包商 GAI 公司均已提交了最终报告。尽管最终报告对开滦示范区的基本评价“吨煤甲烷含量低(2.84.2m3)，高渗透率(达 612)，低储层压力(3 号井仅475PSI)，不适合商业性开发” ，但是开滦通过项目的实施，在与外国专家的磨合中，逐渐学会了地面钻井的一整套技术与工艺，而且是在国外二手钻井设备的条件下克服了钻井中地层漏失的困难后，掌握了施工、维修和测试方法，成立了煤层气办公室和煤层气工程公司，形成了一批技术骨干，为推动煤层气地面开发技术在我国的发展起到了示范作用。3.1.3 松藻子项目松藻子项目由松藻矿务局和美国 REI 公司实施。子
15、项目目标是，改进煤层气回收技术及抽放和运输系统，完善煤层气抽气站，改进抽气站的监测和控制系统，装备先进的井下水平定向长孔钻机，在石壕矿和打通一矿试验不同的本煤层定向长钻孔方法以抽取煤层气，完善这两个矿的煤层气抽放系统和输配气系统，并建立先进的瓦斯监测系统，以此达到扩大甲烷抽放能力和充分利用抽放甲烷，减少甲烷向大气的排放，进而保护环境的目的，同时减少矿井瓦斯对煤炭生产的危害。松藻矿务局在美国 REI 公司的协助下，开展了煤层气压力、含气量、渗透性系数、衰减半径等测试工作，主要成绩有：(1)改造了煤层气抽放泵站 5 座，新建煤层气抽放泵站 3 座，抽放能力比 1992 年提高 81%；(2)改造完
16、善了 6 对矿井的 8 处井下煤层气抽放系统，井下抽放系统的抽放能力提高了 80%；(3)煤科总院重庆分院承建安装了石壕矿与打通一矿的二套煤层气抽放监测系统，经调试，这两套监测系统性能可靠，运转正常，能满足抽放参数监测的要求；(4)建立了石壕矿至打通镇(矿)的煤层气输气系统，安装输气管路6800，加压设备 2 台。目前打通一矿、二矿和石壕矿煤层气抽放管路已并网，且实现了石壕矿与矿务局中心区煤层气输气的并网使用；(5)新建三座煤层气储气罐，总容量为 2.5 万 m3；(6)充分发挥矿区八处煤层气抽放系统配套改造后的抽放能力。1997年，全局煤层气抽放量达 6360 万 m3，矿井抽放率为 41.
17、85%。从总体来看，松藻子项目在学习先进的抽放技术和综合配套工程改造方面是成功的，效果是显著的：经过国外专家的培训，松藻的技术人员已基本掌握了引进的井下定向长孔钻机的操作和维修技术；抽放系统和装备的改造工作取得了明显的效果，实现了煤层气抽放量和矿井抽放率稳定提高；矿区煤层气利用工程的配套完善工作，为综合利用煤层气奠定了基础，冬季回收煤层气利用率达 100%。然而，项目引进的 2 台弗莱彻定向钻机的原定水平长钻孔试验未能取得成功。分包商 REI 公司虽然对松藻局进行了打钻培训，但由于缺乏在松藻高突软煤层打钻的经验，所打三个孔均告失败，其中一孔因操作不当使钻杆折断。根据松藻的要求，联合国适时中止了
18、与 REI 公司的合同，聘请了实力更强的 AMT 公司到松藻进行 2 次打钻施工。尽管中外双方付出了艰苦的努力，但仍未取得钻进方面的突破。主要原因是：从8 煤底板岩石向上钻进时，未能穿透煤层底板下一段厚层铝土泥岩，钻孔时遇水垮孔堵塞，AMT 公司专家虽然采用了粘结剂固孔，但仍未能有效解决这一技术难题。针对以上情况，松藻矿务局决定成立打钻领导小组，自己制订井下定向钻孔的打钻计划，组织技术骨干，依靠自己力量进行井下定向长钻孔钻进试验。3.1.4 西安子项目该项目由煤炭科学研究总院西安分院实施。项目的主要内容是对中国煤层气资源进行详细评价并建立数据库，包括评价中国煤层气的生产潜力和利用方式，同时还要
19、对开发煤层气资源的资金投入和商业开发前景进行较为详细的分析，以便为潜在的投资合作者提供有吸引力的信息。并向我国政府和国际机构提出投资和开发计划建议。西安分院为此成立了项目评价、数据库、野外测试和室内测试等 4个专业组，通过引进先进的测试设备，安排专业技术人员赴美国培训和请外国专家到国内对专业技术人员进行专业技术和数据库软件培训等方式，大大提高了西安分院的专业技术水平。经过几年努力，现已完成 17个煤矿区的资料收集、分析测试、筛选录入工作；完成 10 个评价测试井，17 层煤的试井工作；建立了煤层气数据库；初步完成了 17 个煤矿区的煤层气资源评价工作，还编制了中国煤层气资源评价指南。此外，在联
20、合国的资助下，1996 年 1 月和 1997 年 6 月在西安分院举办了 2 届煤层气技术综合培训班，聘请美国专家对我国煤炭、石油和地矿系统的 40 多位专业技术人员进行了共计 7 周的培训，内容涉及煤层甲烷评价的试井方法，煤层气的吸附和运移，煤层甲烷生产和资源评价的地质控制因素，煤层甲烷评价与预测方法，以及应用遥感技术探测天然裂隙，煤层气储层模拟技术和完井技术等。两届综合培训是项目技术转让的重要组成部分，它对提高我国煤层气专业技术人员的理论和技术水平，开拓眼界具有重要意义。西安子项目已顺利完成各项预定的内容，并提交了中英文最终报告。3.2 项目总目标的实现以上 4 个子项目分别取得了令人鼓
21、舞的成就，并起到了不同程度的示范作用。除此之外，通过项目的实施，不但完全实现了项目的总目标，而且产生了一些意想不到的附加效应，主要有：(1)提高了中央和地方各级政府决策者对开发煤层气资源的认识水平，尤其是中央高层领导人对煤层气开发的重视，为下一步煤层气工业的突破性进展奠定了基础。各子项目单位均成立了煤层气项目领导小组或专门机构。1993 年原煤炭部成立了以常务副部长张宝明为首的煤层气领导小组，1994 年 8 月，在美国环保局的资助下，煤炭部煤层气信息中心宣告成立。1994 年初，国务院总理李鹏作出了“煤层气工作要有一个大的突破”的指示。1995年 10 月，联合国与原煤炭部在北京联合主办了“联合国煤层气开发与利
