我國煤層氣標準體系構(gòu)建

降文萍，張培河，劉娜娜，王 晶，杜新鋒，楊 剛，何慶宏

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100015； 3.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048206)

我國煤層氣資源量豐富，勘探開發(fā)已有數(shù)十年[1，2]。21世紀以來，煤層氣研究及勘探開發(fā)程度更是日益受到重視，2002—2009年，科技部先后啟動國家煤層氣973計劃項目“中國煤層氣成藏機制及經(jīng)濟開采基礎(chǔ)研究”“高豐度煤層氣富集機制及提高開采效率基礎(chǔ)研究”，此后又相繼開展了“十一五”“十二五”“十三五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”，在煤層氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論和技術(shù)裝備等方面取得了豐碩的成果。但截至目前，我國煤層氣資源探明程度和產(chǎn)能仍很低，2020年年產(chǎn)量僅102.3億m3，產(chǎn)業(yè)總體仍處于發(fā)展初級階段。如何推動煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，是現(xiàn)今我國煤層氣領(lǐng)域面臨的主要問題。

標準化工作是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)安全、快速、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保證，是協(xié)調(diào)開發(fā)活動、規(guī)范市場秩序的重要手段，已在很多行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。作為世界第三大煤層氣資源儲備國，雖在煤層氣技術(shù)標準的研究和制定方面走在了世界前列，但仍存在技術(shù)標準缺乏、標準體系不健全等問題；并且煤層氣勘探開發(fā)各個環(huán)節(jié)的技術(shù)標準仍主要沿用石油天然氣領(lǐng)域[3-8]，存在針對性不足、適應(yīng)性差等問題[9-14]。近年來，煤層氣資源開發(fā)、煤礦區(qū)煤層氣抽采、廢棄礦井煤層氣抽采利用等方面[15-21]涌現(xiàn)了一批新型技術(shù)，已經(jīng)取得了非常好的示范效果，但由于沒有及時制定發(fā)布有效的標準規(guī)范，導致這些技術(shù)一直沒有達到大規(guī)模推廣應(yīng)用的態(tài)勢。

國家能源局先后在不同政府文件中強調(diào)了煤層氣標準的重要性。2013年，國家能源局頒布的《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》第十七條指出應(yīng)“加快科技成果轉(zhuǎn)化，推廣空氣鉆進、大排量高效壓裂、低壓集輸?shù)认冗M技術(shù)，推進煤層氣開采信息化建設(shè)；建立健全煤層氣標準體系，加快出臺勘查開發(fā)、生產(chǎn)加工、集輸利用標準”。2016年，國家能源局發(fā)布了《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》明確“建立健全煤層氣標準體系，加快制訂一批勘探開發(fā)、輸送利用和安全質(zhì)量等方面的標準規(guī)范”。 梳理煤層氣現(xiàn)行標準狀況和存在問題、構(gòu)建系統(tǒng)的標準體系、查漏補缺相關(guān)的技術(shù)標準，應(yīng)該成為當前煤層氣工作的重中之重[22]。2018年，科技部在國家重點研發(fā)計劃專項“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用”(NQI)中立項 “煤層氣、頁巖氣及現(xiàn)代煤化工關(guān)鍵技術(shù)標準研究” 課題，旨在研發(fā)一批煤層氣、頁巖氣及煤化工能源領(lǐng)域技術(shù)標準的同時，分別建立這些領(lǐng)域的標準體系。煤層氣課題組依據(jù)國內(nèi)標準體系編制要求[23]，在認真總結(jié)、分析國內(nèi)外煤層氣標準化工作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤層氣標準體系框架和組成系統(tǒng)。

1 我國煤層氣標準化現(xiàn)狀及發(fā)展需求分析

1.1 煤層氣標準發(fā)展歷程

早在1989年，原國家能源部就在沈陽召開了第一次“開發(fā)煤層氣研討會”，標志著我國煤層氣勘探研究工作全面展開[9，10]。隨著煤層氣開發(fā)的不斷推進和《煤層氣含量測定方法》(編號GB/T 19559—2004，已修訂為GB/T 19559—2008，第二輪修訂標準即將發(fā)布)的發(fā)布，也將我國煤層氣技術(shù)標準的研發(fā)提升至世界領(lǐng)先水平。2008年，全國煤炭標準化技術(shù)委員會煤層氣工作組成立，掛靠山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，主要負責煤層氣領(lǐng)域國家標準的制定、修訂工作。2011年，經(jīng)國家能源局批準，我國能源行業(yè)煤層氣標準化技術(shù)委員會(NEA/TC 13)成立[11]。多年來，我國煤層氣工作者基本上掌握了全國煤層氣的地質(zhì)與資源情況，并在開發(fā)技術(shù)及工藝流程等方面積累了成熟的經(jīng)驗，為實現(xiàn)技術(shù)向標準的轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了條件。

2011年，國際標準化組織煤層氣技術(shù)委員會(ISO/TC 263)落戶我國，分別由中國煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心承擔委員會主席單位、秘書處單位工作，這進一步彰顯了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的進步和國際標準化工作能力的增強。目前，ISO/TC 263成立后，已發(fā)布國際標準2項，分別為《煤層氣含量測定方法》(ISO 18871：2015)和《煤層氣勘探與開發(fā)——術(shù)語和定義》(ISO 18875：2015)。

1.2 煤層氣標準現(xiàn)狀與存在問題

統(tǒng)計截止2020年12月底，我國煤層氣行業(yè)發(fā)布國家標準與各類行業(yè)標準共87項，其中國家標準16項、行業(yè)標準71項。各標準歸口單位共17個，其中歸口全國煤炭標準化技術(shù)委員會的國家標準與行業(yè)標準共17項，歸口全國安全生產(chǎn)標準化技術(shù)委員會的行業(yè)標準7項，歸口能源行業(yè)煤層氣標準化技術(shù)委員會的行業(yè)標準43項(見表1)。在現(xiàn)行的16項國家標準中，標齡超過10年的有7項，占總數(shù)的9.72%；不到5年的有45項，占總數(shù)的31.25%。在現(xiàn)行的71項行業(yè)標準中，標齡超過10年的有23項，占比為31.94%；不到5年的有46項，占63.89%?？梢姡F(xiàn)有煤層氣標準主要為近5年內(nèi)制定。

對17個歸口單位發(fā)布的87項標準進行了標準類別劃分，其中基礎(chǔ)類標準有14項，方法類標準有22項，管理類標準46項，產(chǎn)品類標準5項。16項國家標準中，基礎(chǔ)類標準5項、方法類標準7項、管理類標準2項、產(chǎn)品類標準2項。71項行業(yè)標準中，其中基礎(chǔ)類標準有9項、方法類標準15項、管理類標準44項、產(chǎn)品類標準3項(表2)。

表1 現(xiàn)有煤層氣標準歸口管理情況

表2 現(xiàn)有煤層氣標準分類情況

綜上分析，我國煤層氣標準研究方面還存在很多問題。煤層氣雖具有能源效應(yīng)，但在煤礦區(qū)又是一種致災性氣體，不同單位從不同的出發(fā)點制定了相應(yīng)的技術(shù)標準，導致技術(shù)標準歸口單位眾多(目前統(tǒng)計有17個單位)，也造成了很多標準重復或技術(shù)內(nèi)容不一致的問題，致使市場應(yīng)用過程中存在很多難以選擇的現(xiàn)象，比如氣含量測試的基礎(chǔ)標準，分別有4個國家標準、2個行業(yè)標準，各標準雖有所側(cè)重，但在氣含量快速測試方法等方面又有所差別。此外，現(xiàn)有標準總體技術(shù)水平不平衡，方法類和管理類標準偏多(兩者數(shù)量達68項，占比超過78%)，產(chǎn)品類少(僅5項)；很多關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)尚未制定統(tǒng)一的標準，規(guī)模化產(chǎn)能建設(shè)和地面工程建設(shè)方面標準更是嚴重缺乏，一些新型技術(shù)與裝備[15-20]的技術(shù)標準基本為空白。統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行煤層氣標準化工作大部分由一些科研單位承擔，大多數(shù)企業(yè)沒有作為主體參與標準制定工作。這些問題對煤層氣標準化工作的開展和標準執(zhí)行十分不利，大大制約了煤層氣開發(fā)利用系統(tǒng)工程的建設(shè)強度，嚴重阻礙了我國煤層氣的商業(yè)化發(fā)展[11-14]。

2 煤層氣事實標準框架

通過對統(tǒng)計的煤層氣國家標準(16項)、行業(yè)標準(71項)進行整理，分析了已有標準層次及其標準之間的相互關(guān)系，認為目前煤層氣標準基本上是在全國通用基礎(chǔ)標準、行業(yè)通用基礎(chǔ)標準、管理標準、技術(shù)標準及產(chǎn)品標準等層面制定。通過研究各類標準的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)配套性、完整性以及適用性等方面，構(gòu)建了煤層氣事實標準體系框架，如圖1所示。

圖1 煤層氣事實標準框架

事實標準框架共分四層，各層之間是包含與被包含的關(guān)系。體系采用樹形結(jié)構(gòu)，第一梯層為基礎(chǔ)標準，有1項國家標準，為煤層氣(瓦斯)術(shù)語標準，為全國通用的屬于規(guī)范；第二梯層為生產(chǎn)與市場管理標準，共包含標準57項，國家標準4項，其他主要為行業(yè)標準，主要包括煤層氣地質(zhì)分析、資源勘查、地震勘探、鉆井、測井、錄井、壓裂、排采、集輸、安全等設(shè)計及作業(yè)規(guī)范，以及煤礦地面瓦斯抽采、安全等方面的設(shè)計規(guī)范；第三梯層為各類實驗方法、技術(shù)工藝等的標準，共24項，其中國家標準9項、各類行業(yè)標準15項，主要包括煤層氣含氣量、氣成分、儲層參數(shù)等的樣品采集與測試方法，煤層氣開發(fā)工藝如鉆井、壓裂、排采、輸送環(huán)節(jié)的性能評價與效果評價方法，煤礦瓦斯預測、參數(shù)測試、抽采效果評價等方法；第四梯層為各類產(chǎn)品技術(shù)條件及質(zhì)量要求等標準，共包含5項標準，其中國家標準2項、各類行業(yè)標準3項，主要包括煤層氣鉆機、壓縮機、民用等產(chǎn)品的質(zhì)量要求等。

3 煤層氣標準體系構(gòu)建

按照當前國內(nèi)煤層氣行業(yè)科學技術(shù)發(fā)展水平和實際需求，以及我國煤礦區(qū)煤層氣地面抽采現(xiàn)狀，確定了煤層氣標準體系的總框架，如圖2所示。體系總框架分為6個專業(yè)，分別為煤層氣地質(zhì)與資源勘查專業(yè)、煤層氣鉆井工程專業(yè)、煤層氣水力壓裂工程專業(yè)、煤層氣排采工程專業(yè)、煤層氣地面集輸利用專業(yè)、煤礦區(qū)煤層氣地面抽采專業(yè)等。該框架基本覆蓋了相關(guān)標準化技術(shù)委員會涉及的各個技術(shù)領(lǐng)域。煤層氣地質(zhì)與資源勘查專業(yè)已有標準32項，其中國家標準10項、行業(yè)標準22項，煤層氣鉆井工程專業(yè)已有15項行業(yè)標準，煤層氣水力壓裂工程專業(yè)已有7項行業(yè)標準，煤層氣排采工程專業(yè)已有14項行業(yè)標準，煤層氣地面集輸利用專業(yè)已有國家標準3項、行業(yè)標準12項，煤礦區(qū)煤層氣地面抽采專業(yè)已有國家標準3項、行業(yè)標準1項。

圖2 構(gòu)建的煤層氣標準體系

標準體系是由一定系統(tǒng)范圍內(nèi)具有內(nèi)在聯(lián)系的標準組成的科學有機整體?？紤]到煤層氣地質(zhì)與開發(fā)特點，所建的標準體系各個專業(yè)均應(yīng)從管理、技術(shù)和產(chǎn)品三個類別制定標準，從而形成完整科學的煤層氣標準體系，達到體系本身的最佳秩序和最好的經(jīng)濟效益。依據(jù)現(xiàn)今煤層氣標準現(xiàn)狀，并按照《標準體系表編制原則和要求》(GB/T 13016—2009)[23]，將煤層氣標準體系劃分為五個層次，第五層為個性標準(產(chǎn)品類標準)，從第五層提取出來的門類通用標準為第四層，從第四層提出來的專業(yè)通用標準為第三層，從第三層提出來的行業(yè)通用標準為第二層，從第二層提出來的全國通用標準為第一層。每一個專業(yè)的標準體系均按這幾個層次進行編寫，每一層次的標準類型由基礎(chǔ)、管理、技術(shù)(方法)、產(chǎn)品、質(zhì)量要求等類型構(gòu)成。

對6個專業(yè)進行了門類劃分(表3)。煤層氣地質(zhì)與資源勘查專業(yè)主要包括地震勘探、參數(shù)測試、試井、水文地質(zhì)勘探、開發(fā)評價等，煤層氣鉆井工程專業(yè)主要包括鉆井設(shè)計、鉆井作業(yè)、測井作業(yè)、錄井作業(yè)、固井作業(yè)、完井作業(yè)、鉆井質(zhì)量評價等門類，煤層氣水力壓裂工程專業(yè)主要包括壓裂設(shè)計、射孔作業(yè)、壓裂作業(yè)、壓裂材料、壓裂效果評價等，煤層氣排采工程專業(yè)主要包括排采設(shè)計、排采設(shè)備、工程管理、HSE管理等，煤層氣地面集輸利用專業(yè)主要包括集輸、壓縮、液化、民用、發(fā)電、化工利用等，煤礦區(qū)地面煤層氣抽采專業(yè)主要包括煤炭采前煤層氣地面預抽、煤炭采中煤層氣地面抽采、煤炭采后煤層氣地面抽采、煤礦區(qū)地面煤層氣抽采效果評價等門類。

表3 煤層氣技術(shù)標準體系專業(yè)門類分類

4 煤層氣標準規(guī)劃及展望

對構(gòu)建的煤層氣標準體系6個專業(yè)已有標準情況進行了分類統(tǒng)計，并對未來五年標準進行了分類規(guī)劃(表4)。已有標準中，國家標準(GB)第一層次全國通用類1項、第二層次行業(yè)通用和第三層次專業(yè)通用類各2項、第四層次專業(yè)門類通用9項，第五層次產(chǎn)品類2項；行業(yè)標準(HB)第一層次全國通用類0項、第二層次行業(yè)通用2項、第三層次專業(yè)通用類4項、第四層次專業(yè)門類通用62項，第五層次產(chǎn)品類3項。規(guī)劃各類專業(yè)國家標準13項和行業(yè)標準46項，共59項。國家標準中第二層次行業(yè)通用類2項、第三層次專業(yè)通用類1項、第四層次專業(yè)門類通用8項，第五層次產(chǎn)品類2項。規(guī)劃的行業(yè)標準中，第二層次行業(yè)通用2項、第三層次專業(yè)通用類3項、第四層次專業(yè)門類通用37項、第五層次產(chǎn)品類4項。

表4 煤層氣標準體系統(tǒng)計及規(guī)劃表

未來五年，煤層氣地質(zhì)與資源勘查專業(yè)規(guī)劃國家標準1項、行業(yè)標準7項，主要涉及煤層氣參數(shù)測試、開發(fā)評價方面；煤層氣鉆井工程專業(yè)規(guī)劃1項國家標準、11項行業(yè)標準，主要涉及煤層氣鉆井工藝管理、固井和完井工藝管理等方面；煤層氣水力壓裂工程專業(yè)規(guī)劃3項國家標準、5項行業(yè)標準，主要涉及煤層氣井射孔、壓裂作業(yè)和壓裂效果評價管理等方面；煤層氣排采工程專業(yè)規(guī)劃2項國家標準、7項行業(yè)標準，主要涉及煤層氣排采設(shè)計、工程管理等方面；煤層氣地面集輸利用專業(yè)規(guī)劃國家標準4項、行業(yè)標準7項，主要涉及煤層氣集輸安全管理、煤層氣液化、煤層氣發(fā)電和化工利用等方面；煤礦區(qū)煤層氣地面抽采專業(yè)規(guī)劃國家標準2項、行業(yè)標準9項，主要包括煤層氣與煤炭一體化開采、協(xié)調(diào)化開采評價方法，煤礦區(qū)地面煤層氣井“一井三用”技術(shù)規(guī)范等管理規(guī)范，煤炭采中和采后的煤層氣地面抽采等技術(shù)規(guī)范。綜合已有和規(guī)劃標準數(shù)量，國家標準共29項、行業(yè)標準共117項，累計煤層氣標準總數(shù)將達到146項。

5 結(jié) 論

1)全面系統(tǒng)的分析了我國煤層氣標準狀況，統(tǒng)計現(xiàn)行煤層氣標準共有87項，包括16項國家標準、71項行業(yè)標準，確定了煤層氣標準事實體系框架。

2)構(gòu)建了我國煤層氣標準體系，設(shè)置了煤層氣地質(zhì)與資源勘查專業(yè)、煤層氣鉆井工程專業(yè)、煤層氣水力壓裂工程專業(yè)、煤層氣排采工程專業(yè)、煤層氣地面集輸利用專業(yè)、煤礦區(qū)煤層氣地面抽采專業(yè)的6個專業(yè)標準系統(tǒng)，并對各專業(yè)下設(shè)門類進行了設(shè)計劃分。

3)根據(jù)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)需求，規(guī)劃制定了59項技術(shù)標準，包括國家標準13項、行業(yè)標準46項，突出了煤層氣產(chǎn)業(yè)的重點領(lǐng)域、重點技術(shù)，具有一定的科學性、適用性和可操作性，可作為今后煤層氣標準化工作的參考依據(jù)。