综述：深部煤层气的热回收技术：机理、技术及发展挑战

《Fuel》：Thermal recovery technology of deep coalbed methane: mechanisms, technologies, and development challenges

深煤bed methane（CBM）因高温高压、低渗透等问题制约传统开发，热回收技术通过调控吸附-扩散机制提升采收率，蒸汽注入成熟但效率低，二氧化碳封存兼具增气与减排潜力，微波/电加热精准但部署难，原位燃烧热效高但控温难。需通过多技术耦合、可再生能源耦合及系统优化实现高效低碳开发。

　　

葛腾泽|熊先月|李曙光|徐晓虎|高二斯|王成旺|王创业|刘帅帅|魏凯

中国石油煤层气有限公司，北京100028

摘要

深层煤层气（CBM）作为一种重要的非常规天然气资源，在能源安全和全球能源转型中具有重大意义。然而，其开发受到诸如高地应力、高温、强吸附性质以及极低渗透性等因素的限制，使得传统的降压开采方法难以有效实施。在这种背景下，热采技术被视为提高深层低渗透性煤层中甲烷回收率的关键方法，同时通过涉及能源输入结构和二氧化碳利用的综合策略，提供了一种差异化的低碳发展路径。与以往主要关注单一技术或一般煤层气提取方法的综述不同，本文系统比较了各种热采技术在深层高温度高应力储层中的适用性和低碳潜力。本文阐明了在高温条件下控制甲烷解吸、扩散和渗流的热流-化学-机械耦合机制，并全面评估了包括蒸汽驱、二氧化碳驱、微波加热和电加热以及原位燃烧在内的技术的原理、成熟度和工程可行性。分析表明，热采技术可以通过减弱甲烷吸附、调节渗透率演变和优化储层流体性质来显著提高回收率。蒸汽注入技术相对成熟，但存在热效率低和水锁效应的问题；二氧化碳注入技术在增产和封存方面具有双重潜力，但其现场应用仍受到限制；微波加热和电加热具有精确加热的优势，但面临能源效率和部署挑战；原位燃烧具有高热强度，但需要严格的控制性。本文进一步探讨了关键的科学问题和发展方向，强调了多技术集成、可再生能源耦合和系统优化对于实现深层煤层气高效低碳开发的重要性。该综述为选择和优化深层煤层气的热采技术提供了指导，支持非常规天然气在能源转型和碳中和努力中的战略应用。

引言

煤层气（CBM）是一种重要的非常规天然气资源，而深层CBM储层日益被视为未来天然气供应的关键目标，特别是在地质和工程条件复杂的含煤盆地中。值得注意的是，深层CBM的分类因不同盆地和地质环境而异，因此难以用单一的埋藏深度阈值来定义。现有研究表明，定义深层CBM应综合考虑煤层吸附能力的临界深度（H_AGC）和原地应力的临界深度（H_LPC），以两者中的较大值作为划分标准。例如，在沁水盆地，H_AGC为1250米，H_LPC为750米，因此将1250米定义为深层CBM的深度[1]。近年来，深层CBM的开发取得了显著进展，东鄂尔多斯盆地的现场规模进展证明了这一点，那里已经成功实现了深层煤层的工业化CBM生产，凸显了深层CBM资源的巨大潜力[2]。这一进展得益于对CBM勘探和开发地质理解的不断改进和工程技术的进步，也为全球其他含煤盆地的深层CBM开发提供了宝贵的参考。

与传统天然气储层不同，煤层中的气体具有独特的地质分布模式、富集特征和生产机制，这使得传统的石油储层理论和生产技术无法直接应用于CBM系统。通过整合煤矿气体科学和气田开发学科，人们对煤层中气体分布和生产的理解经历了多个阶段的发展，逐渐形成了“煤源气体”、“煤层气”以及“煤岩气体（储存在煤和周围岩石中的CBM”等概念[3]。这一演变反映了从现场观察到理论完善再到工程实践的迭代过程，重新评估了深层含煤地层，并认识到煤层中的甲烷是主要的生产目标而非次要副产品[4]。然而，与埋藏深度相对较低、地热条件适中的浅层煤层不同，深层煤层由于埋藏深度更深和长期的地壳构造作用，承受着更强的构造压缩、更高的原地应力以及更大的地热梯度。这些构造和埋藏环境的差异通常导致裂缝闭合、煤体压实以及构造模式的复杂化，从而形成了与浅层煤层不同的储层结构特征。因此，全球深层CBM的开发面临若干共同挑战，包括复杂的地质结构、工程限制以及经济/环境压力：

(1)

复杂的地质条件：深层CBM储层通常具有高地应力、高温和强吸附性，同时渗透性极低、储层压力低、气体可采性有限[5]。严重的压实会恶化储层性质，应力-温度-吸附的综合作用可能导致深层煤层中有效气体迁移性的降低。

(2)

工程技术瓶颈：水平井已成为深层CBM开发的关键方法，但为了提高单井产量，通常需要进一步延长水平段长度。然而，煤岩地层的脆性和高应力给超长水平段的井筒坍塌带来了显著风险，从而在高应力条件下限制了安全钻井、测井和固井的操作范围[6]。高效钻井和完井的关键技术尚未充分发展[4]，表明生产限制不仅受地质因素影响，还受到工程可行性的强烈制约。

(3)

经济限制和环境限制：由于高钻井和完井成本以及漫长的回报周期，经济可行性仍然是一个主要障碍，而日益增长的脱碳要求进一步挑战了传统开发路径。因此，传统的排水和降压方法往往对低渗透性和深层煤层无效，这使得热采技术成为减弱甲烷吸附和提高气体驱动效率的关键策略，特别是CO₂辅助热采技术，该技术既能提高回收率又能减少碳足迹，因此受到了越来越多的关注。

近年来，热采研究从单一刺激机制扩展到了涉及热、流体、化学和机械效应的综合多物理耦合过程。同时，在全球能源转型的背景下，人们也越来越关注通过将热采技术与CO₂封存技术相结合的低碳发展路径。本文综述了深层CBM热采技术的基本机制、主要技术方法以及近期研究进展，特别关注了工程可行性和现场应用的关键挑战。

煤层气开发的现状和瓶颈

由于经济的持续增长，对天然气的需求急剧增加，而国内产量未能跟上步伐，这凸显了需要新的非常规天然气资源来确保能源安全。在以煤炭为主的能源系统中，煤炭仍然是主要能源来源，而石油和天然气资源相对有限，这强调了煤层气（CBM）作为天然气替代来源的重要性。

基本原理

温度作为一种基本的热力学变量，在调节煤层中的气体吸附、扩散和渗流方面起着关键作用。在高温环境中，温度不仅影响各个物理过程，还通过吸附、扩散、应力和渗流之间的协同作用来控制煤层气的储存和迁移特性。大量实验研究表明，温度的升高显著促进了

煤层气热采技术的挑战和发展趋势

煤层气热采技术是一种潜在的方法，可用于提高深层低渗透性煤层储层的生产能力，可能增强甲烷的解吸、扩散和渗透率演变。然而，这些技术在CBM储层中的实际应用仍受到储层特定因素和工程因素的限制。首先，深层储层中的高热损失率限制了热效率的提高；其次，持续的高

结论

深层煤层气是中国重要的非常规天然气资源，特别是在能源需求增加和碳减排压力不断增加的情况下，对于维持长期天然气供应具有重要意义。热采技术已被广泛研究作为通过温度诱导效应改变吸附-解吸平衡和传输过程来提高深层低渗透性煤层甲烷产量的潜在方法。现有研究表明

作者贡献

葛腾泽和熊先月构思了综述框架和研究范围。李曙光、徐晓虎和高二斯参与了文献收集和热采机制的技术分析。王成旺和王创业参与了不同热采技术的比较评估。刘帅帅和魏凯参与了低碳路径和CO₂辅助回收技术的分析。葛腾泽撰写了原始手稿。

CRediT作者贡献声明

葛腾泽：撰写——原始草稿、验证、资源获取、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析。熊先月：验证、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理。李曙光：软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。徐晓虎：验证、监督、资源获取、调查、正式分析。高二斯：验证、监督、调查、正式分析、数据管理。

资助

本研究得到了国家自然科学基金一般项目（编号：52174017）、国家煤层气开发利用工程技术研究中心基金项目（编号：GWDC-WB-2025-ZBZX-FR-00106）和中国石油天然气集团公司青年科学技术专项计划（编号：2024DQ03044）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢本手稿资助部分列出的所有资助机构的财务支持。同时，作者承认本综述基于并受益于大量关于深层煤层气热采技术的已发表研究，并向相关学者表示诚挚的感谢。