深埋的蓝金：中国煤层气从“矿井杀手”到“能源卫士”的蜕变

漆黑的矿井深处，矿灯的光束在煤壁上投下晃动的影子。采煤机的截齿啃噬着煤层，发出沉闷的轰鸣。但煤层深处偶尔传来的“煤炮声”，是瓦斯聚集的危险信号，也是矿工井下作业的重大安全隐患。

“瓦斯猛于虎。”老矿工们都记得师父传下来的这句话。这种无色、无味的气体，比空气轻一半，却比任何猛兽都致命。它可以在你毫无察觉时悄悄聚集，只需要一点火星，就能引爆整条井下巷道。我国煤矿史上那些沉痛的数字，大多与它有关。但在能源学家眼中，这种煤矿瓦斯，实则是蕴藏在煤层中的清洁能源——煤层气。它的主要成分是甲烷，燃烧后只产生水和二氧化碳，几乎没有硫化物和粉尘；它的热值与常规天然气相当，1 立方米纯煤层气燃烧产生的热量，相当于 1.21 千克标准煤；它被誉为“蓝金”，是世界上较为清洁的化石能源之一。同一个事物，为何判若云泥？答案在于如何看待它、驾驭它。当它从煤层中不可控地涌出时，它就是“矿井杀手”；当用科技手段将其有序采集，它便能化身“能源卫士”。

时间回溯到三十年前，国际煤层气界曾有一种声音：“中国的高煤阶（指煤的变质程度，是衡量煤成熟度的指标，分为低阶、中阶、高阶）煤层气没有开发价值。”理由听起来很充分，美国的煤层气开发主要在低煤阶地区获得成功，而中国的煤层气资源以中—高煤阶为主，这类煤层 “脾气古怪”——储气能力强，但渗透性极差，气体被死死地“锁”在煤的微孔隙里，插翅难逃。国外的技术专家宣称：“按照北美的经验，你们的煤层采不出气来。”这一论断，也成为我国煤层气科研团队开展技术攻关的核心动力。

今天，便借着科普的视角，带大家走进这个看不见的深地世界，探寻中国煤层气的蜕变之路。这不仅是科学的故事，也是一代人向地球深部进军的探索史。

 

 

要理解煤层气，首先要明白它和煤的关系。大约 3 亿年前的石炭纪—二叠纪，地球上生长着茂密的蕨类植物，它们高达二三十米，遮天蔽日。这些植物死亡后堆积于沼泽中，经泥沙掩埋形成缺氧环境，在生物化学作用下转化为泥炭；后续随地壳沉降，在温度、压力持续升高的地质条件下，逐步变质为褐煤、烟煤、无烟煤。在这个过程中，植物有机质就像一口巨大的高压锅，不断发生着 “干馏反应”——脱去氧和氢，富集碳，同时呼出大量的气体。这些气体的主要成分就是甲烷。煤层气不是外来的，而是煤在数百万年“成熟” 过程中生成的。煤与煤层气同生共体，形影不离。地质学上把这个特点称为“自生自储”——煤既是产生气体的“母岩”，又是储存气体的“储层”。

 

 

根据最新资源评价，我国埋深 3 000 米以浅的煤层气地质资源量约为 39.88 万亿立方米，位居世界第三，仅次于俄罗斯和加拿大 [ 丁蓉 等，《“十四五”（2021—2025 年）煤层气资源评价挑战、结果及产业发展启示》]。这些资源主要分布在哪儿？山西的沁水盆地、陕蒙交界的鄂尔多斯盆地东缘，是我国两大煤层气产业基地；此外，新疆准噶尔盆地、云南恩洪地区、安徽两淮地区也蕴藏丰富的煤层气资源。可问题也随之而来：坐拥如此巨大的“地下气库”，为何前些年我国仍频现“气荒”报道？为何国际专家曾一度认为我国煤层气不具备开发价值？这就要说到中国煤层气的特殊“脾气”——它天生就是一块难啃的硬骨头。

 

煤层气既然是气体，为什么不像常规天然气那样，一钻开就“哧”地一下喷出来？这就涉及煤层气独特的储存方式。常规天然气像关在笼子里的鸟，它储存在岩石的孔隙或洞穴中，上面有致密的盖层封堵，一旦钻开，气体就会在自身压力下喷涌而出。但煤层气不一样，煤是一种多孔介质，其内部有基质孔隙和割理 / 裂隙构成的双重孔裂隙系统，甲烷主要吸附在基质孔隙中，需通过裂隙才能流向井筒内部。

煤有着巨大的表面积，1 克煤的孔隙内表面积可以高达几十甚至几百平方米，堪比活性炭。甲烷分子吸附在这些微孔隙的内表面上，靠一种叫“范德华力”的分子间作用力牢牢附着。这一特性可类比为牛奶吸附于海绵，若不施加外力挤压，牛奶无法自然流出；同理，若不降低煤层储层压力，甲烷无法从煤的微孔隙中解吸。这个“挤压”的过程，在煤层气开发中叫作“排水降压”：先把煤层里的水抽出来，压力降下去，气体才会解吸出来，然后通过煤层的裂隙流向井筒。

 

 

 

北美与中国的煤层气资源形成鲜明的对比。美国的主力煤层，比如圣胡安盆地的水果组煤层，地层平缓得像千层饼，构造简单，渗透性好。钻机打下去，气就能喷涌而出。

中国的煤层经历多次强烈构造运动，受挤压、拉张、抬升、沉降等地质作用影响，原有的平整层理被破坏，形成褶皱、断层密布的复杂地质结构。这种复杂的地质条件导致一个严重后果——应力高、渗透性极差。气体想从煤层的裂隙里“溜”出来，却发现自己被卡在迷宫一样的缝隙里，动弹不得。

 

还有一个更棘手的问题——煤的“成熟度”。煤层气界根据煤的变质程度，把煤层气分为低阶、中阶、高阶三种类型。美国的成功经验主要来自低煤阶煤层气，这类煤层渗透性好，容易开采。但中国的主力资源是中—高煤阶煤层气，以山西沁水盆地的无烟煤为代表，中—高煤阶煤层具有“高含气、低渗透”的特点，储集气体能力强，但内部孔隙极其细密，甲烷分子难以通过孔隙实现渗流。北美成功的低煤阶开发模式，在中国“水土不服”。这是国际专家断言“中国高煤阶煤层气没有开发价值”的根本原因。

 

还有一层困难是看不见的，那就是国外长期的技术封锁。煤层气开发涉及一系列核心技术：怎么找到富气的“甜点区”？怎么在薄如饼干的煤层中精准钻井？怎么让“锁”在微孔隙里的气体释放出来？这些技术，发达国家对我国严密封锁。

我国煤层气勘探开发初期，开采效果并不理想。钻井投产之后，常出现一口井高产、邻近井却近乎枯竭的悬殊差异，背后机理难以探明；储层中气、水、煤粉等流体的运移规律，也始终模糊不清。用“溯洄从之，道阻且长”来形容这段探索之路，再贴切不过。

但重重困难并未阻碍前行脚步，反而激发出我国科研人员攻坚克难的斗志。自“十一五”以来，依托国家科技重大专项支持，我国正式吹响了向中—高煤阶煤层气勘探开发攻坚的号角。

 

 

面对地质条件的先天不足与国外的技术封锁，我国煤层气科研团队从“十一五”开始，以国家科技重大专项为支撑，开启了中—高煤阶煤层气开发的技术攻关之路。通过 15 年攻关，我国煤层气科研团队逐步攻克了多项“卡脖子”技术，形成了“中—高煤阶煤层气高效开发地质—工程一体化关键技术”。如果要用三个字来概括这套技术，那就是：看、钻、采。

 

 

第一个难题是：煤层深埋地下，如何知道哪里有气？我国的煤层非均质性极强，相邻两三百米的两口井，地质条件可能天差地别，靠什么指导钻井？必须建立精确的煤层气富集理论，像医生给病人做 CT 一样，提前找到富气的“甜点区”。

通过地震勘探、地质分析和工程数据高度融合，反复推敲，科研团队将地震波“翻译” 成了储层语言。地震波在不同岩层中的传播速度存在差异，通过分析这些差异，就能反推出地下几千米处煤层的分布、厚度、裂隙发育程度，甚至预测含气量。团队长期扎根矿区与实验室一线，在山西沁水、陕西韩城等区域开展现场工作，完成岩心采集、现场数据测量；返回实验室后，通过显微镜观测等手段，开展煤样孔隙结构精细化分析。正是这种“守得云开见月明”的耐心，奠定了技术突破的基础。

 

找到了“甜点区”，下一个难题是：如何精准钻入？煤层气井与常规油气井差异显著。常规油气储层厚度可达数十米乃至上百米，钻井轨迹即使略有偏差也影响不大；而我国多数煤层厚度仅两三米，这如同在足球场上平放一本书，要从数百米地下用一根“针”精准扎入书中，稍有偏差便会错失目标煤层。更具挑战性的是，为提升产气规模，现场多采用水平井开发，这就要求钻头在极薄的煤层内实现转向，并水平钻进数百米乃至上千米。这类水平井钻井作业对轨迹精度要求近乎苛刻，施工难度极大。

科研团队攻克了钻井轨迹超前预报及实时优化技术，给钻头装上了“导航眼”。通过随钻测量和实时数据传输，地面上的人可以像看导航地图一样，看着钻头在地下的位置，随时调整钻进方向，确保它始终“咬”着煤层走。这套技术的威力，在推广应用区块得到了验证。比如鄂尔多斯盆地东缘的某个区块，在应用该技术后，区块单井煤层气产量显著提升，实现连续三年产量翻番，跻身国内煤层气产量增长最快区块行列。

 

 

最核心的难题在于：即便精准钻至煤层，气体依然 “纹丝不动”，又该如何？如前所述，中—高煤阶煤层渗透率极低，甲烷被牢牢禁锢在微孔隙中。想要让气体顺利产出，就必须给煤层“做按摩”——通过压裂技术，在煤层中制造人工裂隙，为气体打通运移通道。但压裂绝非简单的蛮力施工。压力过小，裂隙难以张开；压力过大，又可能击穿煤层顶底板，导致气体窜入其他岩层而白白散失。更关键的是，我国煤层地质构造复杂，裂隙发育方向不一，无法采用“一刀切”的统一工艺。

科研团队研发的复杂储层一体化改造技术，不是简单的蛮力压裂，而是给煤层做“精准经络疏通”——根据每口井的地质条件，量身定制压裂方案：压裂液用什么配方？加多少砂？多大排量？这些参数都要精确计算。将地质模型和工程模拟结合起来，在计算机里先模拟一遍，找到最优方案，再拿到现场去验证。

 

 

历经 15 年持续攻关，我国煤层气科研团队成功攻克“中—高煤阶煤层气高效开发”的多项关键核心技术，形成了完整技术体系，并制定三项国际首发技术标准。

曾几何时，我国在国际煤层气领域还只是规则的“遵守者”，作业依赖国外标准，设备与软件也需大量引进。而今，凭借自主创新的技术标准，中国终于在国际舞台上拥有了煤层气领域的话语权，实现了几代煤层气人梦寐以求的跨越。

自“十一五”以来，相关技术成果已在沁水盆地、鄂尔多斯盆地两大产业基地及川南等接替基地的 28 个区块推广应用并得到验证，协助各企业新增探明储量 1 678.59 亿立方米，推动了两大产业基地的产量建设，潜在经济价值超 300 亿元（刘大锰，《助力国家“双碳”目标，攻克煤层气“卡脖子”关键技术》）。

 

 

煤层气的故事讲到这里，你可能要问：这和普通人有什么关系？在“双碳”目标的背景下，它又能发挥怎样的作用？让我们来算几笔账。

 

煤矿瓦斯爆炸，曾经是中国煤炭工业最深重的伤痛。新中国成立以来，我国煤矿一次死亡百人以上的特别重大事故中，瓦斯事故占比超过70%。每一起事故的发生，都给相关家庭带来了沉重伤害。

煤层气开发的第一个功劳，就是让这些悲剧大幅减少。“先抽后采”的理念如今已经成为煤矿生产的铁律——在采煤之前，先通过地面钻井或井下巷道，把煤层里的瓦斯抽出来，将煤层含气量降到安全标准以下，然后再进行采煤作业。这就好比给煤层先“放气”再“动刀”，从根本上消除了瓦斯爆炸的隐患。

数据最能说明问题：随着煤层气产业化进程的推进，我国煤矿瓦斯事故逐年下降。与 2005 年相比，2022 年煤矿瓦斯事故数下降了 95% 以上，死亡人数下降了 98% 以上。这就是科技的力量。在地下深处攻克的技术难题，最终转化成对矿工生命安全最实在的守护。从这个意义上说，每 1立方米被安全抽采出来的煤层气，都是一份对生命的敬意。

 

甲烷是煤层气的主要成分，也是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。这里有一组关键数据：在100 年时间尺度上，甲烷的全球增温潜势是二氧化碳的 21 倍。也就是说，释放 1 吨甲烷到大气中，造成的温室效应相当于排放 21 吨二氧化碳。这意味着什么？如果在采煤过程中把瓦斯直接排放到大气中，不仅浪费了能源，而且相当于给地球迅速“升温”。可如果把这部分甲烷收集起来、加以利用，让它燃烧后变成二氧化碳再排放，温室效应就大幅降低，因为同样体积的甲烷，燃烧后变成二氧化碳，其温室效应只有原来的 1/21 左右。

这笔账算下来，效益惊人。以我国目前的煤层气开发利用规模为例：2022 年，全国煤层气抽采量约 115 亿立方米，利用量约 80 亿立方米（数据来源：国家能源局）。仅这 80 亿立方米的利用量，相当于减排二氧化碳超过 1 亿吨。如果把历史累计的数据加起来，减排效益更是巨大。用更形象的方式来表达：1 亿立方米的煤层气（这是山西沁水盆地一年可能增加的产量）若能得到有效利用而非直接排放，其减排效益堪比2 000 万棵冷杉树生长 10 年所吸收的二氧化碳，或相当于 60万辆私家车停驶一年的减排效果，亦等同于一座 30 万千瓦的燃煤发电厂停产半年的碳减排量。

这就是“科技支撑双碳” 的具体落点。在“双碳”目标的实现路径上，煤层气开发不是遥远的概念，而是实实在在的减排行动。

 

还有一笔账，事关国家能源安全。我国的能源资源禀赋是“富煤、少气”。天然气，这种清洁高效的能源，我国长期依赖进口。2025 年，我国天然气对外依存度仍在 39.5% 以上。天然气供应一旦出问题，影响的是千家万户的供暖、工业企业的运转和化肥农药的生产。

煤层气，作为最接近常规天然气的替代能源，是我国天然气最现实的“替补队员”。根据最新资源评价，我国埋深 2 000 米以浅的煤层气资源量 36.8 万亿立方米，其中可采资源量约 12.5 万亿立方米（数据来源：自然资源部油气资源战略研究中心）。如果把这些可采资源全部开发出来，按照目前我国天然气年消费量 4 000 亿立方米计算，可以满足 30 年的消费需求。更重要的是，我国已经能够把过去认为“没有价值”的中—高煤阶煤层气经济有效地开发出来。这是技术转化为生产力的体现，也是资源变成储量的飞跃，更是地质认识变成工业实践的跨越。

 

安全账、碳账本、能源账，这三笔账算下来，答案已经清晰：煤层气开发，一头连着地心深处的矿工生命安全，一头连着地球气候的全球治理，一头连着国家能源的战略安全。它不是孤立的产业，而是牵一发而动全身的“国之大者”。从“黑金”到“蓝金”的转变，不仅是颜色的变化——黑色煤炭燃烧后产生的是滚滚浓烟，蓝色火焰燃烧后留下的是清洁环保；更是发展理念的跃升——从单纯追求产量到统筹安全、绿色、可持续，这是中国能源工业走向高质量发展的缩影。而这一切，都建立在科技突破的基础之上。没有“中—高煤阶煤层气高效开发技术”的突破，没有那些在实验室里通宵达旦的推演、在矿山上风吹日晒的坚守，就没有今天的“三笔账”。

而这还不是终点。

 

 

 

2026 年，站在新的时间节点回望。国际上，煤层气开发利用已有上百年的历史。美国早在 20世纪 80 年代就实现了煤层气的大规模商业化开发，澳大利亚、加拿大等国也紧随其后。而我国，真正意义上的煤层气产业化探索，起步于 20 世纪90 年代，大规模推进不过是近几十年的事。

在短短三四十年间，我国实现了煤层气开发技术从跟跑、并跑到部分领域领跑的跨越，走完了发达国家上百年的发展历程。从最初拿着国外的技术图纸，照搬北美的开发经验，在沁水盆地打出第一口直井却产不出气；到后来一边摸索一边学习，逐步建立起自己的理论体系；再到如今，攻克了多项国际公认的难题，形成了自己的技术标准，成果在多个区块推广应用——这条路，走得艰难，走得坚定，走得值得。这背后，是国家对能源科技的高度重视，是一代代煤层气人的接续奋斗，是产学研用协同创新的成果。

 

 

如果因此觉得可以松一口气，那就错了。科学的探索没有止境，能源的征程永远向前。当前，我国煤层气开发的主力深度还在 1 000 米以浅，沁水、鄂尔多斯两大基地的产量虽已形成规模，但仍需清醒地认识到浅部的资源是有限的，未来的主战场在 2 000 米以深，甚至 3 000 米以深的深部煤层气。

深部意味着什么？意味着更高的温度——地下 3 000 米，温度可达 100 ℃ 以上，常规的压裂液可能失效；意味着更高的压力——巨大的地应力会把裂隙死死地“焊”住，气体更难采出；意味着更复杂的地质条件——深部的构造应力场、流体压力场、地温场耦合在一起，相互影响，规律更难把握。

深部煤层气开发是目前国际煤层气领域的研究空白，也是我国煤层气产业发展必须突破的技术禁区。初步评价，我国深部煤层气资源量是浅部的数倍，如果这部分资源能被唤醒，我国能源底气将更加充足。更重要的是，深部探索不仅关乎煤层气本身，还会带动深部岩石力学、高温高压流体动力学、深地探测技术等相关基础科学发展。这些领域的突破，将惠及整个地球科学体系。

 

 

2016 年，习近平总书记在全国科技创新大会上发出号召：“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”这句话，一直刻在地质工作者的心里。地质学的魅力在于研究的对象——地球，永远有未知的角落等待探索。三四十年前，前辈们在鄂尔多斯、在沁水打下第一批煤层气参数井时，他们面对的也是未知；如今，这些未知已经变成教科书上的成熟案例。今天深部的未知，也终将被一代代后来者攻克。

科学研究没有尽头，只有一代代人接力向前。而“向地球深部进军”这面旗帜，也必将在一代代地质人的手中传递下去。欢迎加入自然资源与地球科学领域，以科技之力探索深地资源，守护国家能源安全。

 

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编辑：张希阳

校对：张     凡

审核：陈   萍

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