淺析我國(guó)煤層氣的應(yīng)用與發(fā)展

□盧國(guó)斌 郭 超 宋有才 姜向華

淺析我國(guó)煤層氣的應(yīng)用與發(fā)展

□盧國(guó)斌 郭 超 宋有才 姜向華

隨著世界原油不斷減少，世界常規(guī)能源供給形勢(shì)日益嚴(yán)峻，國(guó)際上逐漸把發(fā)展非常規(guī)能源作為新世紀(jì)能源發(fā)展的主要議題。煤層氣的開(kāi)發(fā)具有熱值高、污染少、安全性高的特點(diǎn)，完全可以成為石油和天然氣等常規(guī)能源的重要補(bǔ)充。世界上很多國(guó)家逐漸開(kāi)始重視煤層氣的勘探和開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，并積極開(kāi)展發(fā)達(dá)國(guó)家的地面鉆井開(kāi)采技術(shù)，在煤層氣資源的勘探、鉆井、采氣和地面集氣處理等技術(shù)領(lǐng)域均取得了重要進(jìn)展。我國(guó)埋深在2000米以?xún)?nèi)的煤層中含煤層氣資源量達(dá)30萬(wàn)億～35萬(wàn)億立方米，是世界上第三大煤層氣儲(chǔ)量國(guó)，煤層氣開(kāi)發(fā)前景非?？捎^。然而，由于種種原因，我國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)和利用規(guī)模普遍偏小，所以合理加強(qiáng)煤層氣的綜合利用，對(duì)我國(guó)的資源建設(shè)有積極的作用。

煤層氣的成因和分類(lèi)

煤層氣是在煤的變質(zhì)作用過(guò)程中不斷生成的。煤在變質(zhì)作用中產(chǎn)生的甲烷分子被吸附在煤體的表面。吸附甲烷量的多少?zèng)Q定于壓力、溫度和煤質(zhì)，即在一定的溫度、壓力條件下，甲烷分子主要以單分子層狀態(tài)吸附于煤體的細(xì)微孔隙表面，并和微孔隙中的游離甲烷分子處于不斷交換的動(dòng)平衡狀態(tài)。由此可知，游離甲烷的多少，取決于煤的孔隙度、溫度和壓力。當(dāng)遇到外界條件發(fā)生變化（地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)）時(shí)，這種平衡就會(huì)被打破，若繼續(xù)沉降使煤熱演化繼續(xù)進(jìn)行，煤層含氣量增加；或地殼抬升，使煤的熱演化終止，甲烷不再產(chǎn)出；當(dāng)煤層抬升接近地表遭受風(fēng)化時(shí)，所有氣體將散失干凈。

縱觀國(guó)外已有煤層氣開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)實(shí)踐和我國(guó)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以認(rèn)為不同成因的煤層氣田的開(kāi)發(fā)，會(huì)存在一定的差別。分類(lèi)劃分得當(dāng)對(duì)指導(dǎo)煤層氣地面開(kāi)發(fā)選區(qū)和開(kāi)發(fā)方式、方法的運(yùn)用均有一定的指導(dǎo)作用?，F(xiàn)參考煤田地質(zhì)學(xué)理論中煤變質(zhì)類(lèi)型的分類(lèi)，結(jié)合煤層氣的生成、賦存等條件，將煤層氣田初步劃分為深層成因的煤層氣田、巖漿熱成因的煤層氣田、擠壓成因的煤層氣田三類(lèi)。

國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)際能源局勢(shì)趨緊，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)很不合理，1999年煤炭約占68%，石油占23%，天然氣僅占2.6%，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平(24%)。為了實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)急需實(shí)施以?xún)?yōu)質(zhì)能源為主的能源發(fā)展戰(zhàn)略，合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重。煤層氣有望成為接替煤炭、石油和天然氣等常規(guī)能源的新能源資源。目前全國(guó)瓦斯發(fā)電的總裝機(jī)容量為9萬(wàn)千瓦，而規(guī)劃或正在實(shí)施的瓦斯發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量接近15萬(wàn)千瓦。其中，山西晉城煤業(yè)集團(tuán)在建的煤層氣電廠計(jì)劃裝機(jī)12萬(wàn)千瓦，是世界上目前最大的煤層氣發(fā)電廠。

開(kāi)采煤層氣的技術(shù)方法

生產(chǎn)布局

煤層氣開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)布局與常規(guī)油氣有較大差異。當(dāng)煤層氣開(kāi)發(fā)選區(qū)確定以后，在鉆井之前，就應(yīng)進(jìn)行地面設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布局。在確定井徑、地面設(shè)施與井筒的位置關(guān)系時(shí)，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、儲(chǔ)層特征、地形及環(huán)境條件等因素。一個(gè)煤層氣采區(qū)包括生產(chǎn)井、氣體集輸管路、氣水分離器、氣體壓縮器、氣體脫水器、流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水處理設(shè)施、公路、辦公及生活設(shè)施等。只有各部分密切配合，才能使煤層氣生產(chǎn)順利進(jìn)行。

井筒結(jié)構(gòu)

煤層氣開(kāi)發(fā)的成功與否井底起著重要作用，一般井筒應(yīng)鉆至最低產(chǎn)層之下，以產(chǎn)生一個(gè)口袋，使得產(chǎn)生氣體在排出地面之前，在此口袋內(nèi)匯集。煤層氣生產(chǎn)井的結(jié)構(gòu)是將油管置于套管之內(nèi)，這種構(gòu)型是由常規(guī)油氣生產(chǎn)井演化而來(lái)的。這種設(shè)計(jì)還可使氣、水在井筒中初步分離，從而減少地面氣、水分離器的數(shù)量，并可降低井筒內(nèi)流體的上返壓力；一般情況下，產(chǎn)出水通過(guò)內(nèi)徑為10mm或20mm的油管泵送至地面，氣體則自油管與套管的環(huán)形間隙產(chǎn)出。除排水產(chǎn)氣外，井筒的設(shè)計(jì)還應(yīng)盡量降低固體物質(zhì)(如煤屑、細(xì)砂等)的排出量。井底口袋可用上收集固體碎屑，使其進(jìn)入水泵，使地面設(shè)備的數(shù)量降至最低。在泵的入口處，可安裝濾網(wǎng)，減少進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)中的碎屑物質(zhì)。另外，在操作過(guò)程中，緩慢改變井口壓力，也有利于套管與油管環(huán)形間隙的清潔，降低碎屑物質(zhì)的遷移。

氣水地面集輸與處理

地面氣水分離。在煤層氣生產(chǎn)井中，將油管置于套管之內(nèi)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)氣、水的初步分離，但在泵送至地表后，還需經(jīng)地面分離器進(jìn)一步分離，分離的氣和水分別進(jìn)入集氣管線(xiàn)和水處理系統(tǒng)，同時(shí)還應(yīng)除去流體中固體顆粒物(煤粉、細(xì)沙等)。一般采用低壓、高壓兩種分離方式。（1）低壓分離。常用的分離器有常規(guī)兩相分離器，脫水器和在線(xiàn)水分離器。兩相分離器為一個(gè)內(nèi)部裝有擋板的大容器，從井中排出的流體從兩側(cè)進(jìn)入分離器，分離出的氣體自頂部排出，當(dāng)容器中水位升至一定高度時(shí)，通過(guò)一個(gè)自動(dòng)閥門(mén)口底部流出。該分離器的缺點(diǎn)是分離出的氣體仍含有較多水分，需進(jìn)一步純化。另外，在不增加上返壓力的情況下，井下泵不能將排出的水全部送至各處系統(tǒng)。脫水器可有效地去除套管氣流中的水分，但不能收集水流中的氣體。在線(xiàn)水分離器是頗為有效的二次分離器，可置于管線(xiàn)中兩相分離器之后。該裝置采用離心分離，使水分流至洼坑，氣體繼續(xù)沿管線(xiàn)流動(dòng)。使用該分離器可有效去除氣體中的水分，但不能處理大量水流和去除進(jìn)入氣體中的固體顆粒物。（2）高壓分離。部分生產(chǎn)井需要兩次分離，第一步，高壓容器從流體中分離出氣體；第二步，低壓分離，從石油中分離出水。雖然一般采用重力分離設(shè)備，但煤屑過(guò)多會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。需要針對(duì)不同情況采取相加措施。例如，常規(guī)的水霧分離器可被細(xì)微灰塵堵塞，可使用脈型或其他水霧分離器代替。為避免大塊煤堵塞底部閥門(mén)或其他接口，可使76mm閥門(mén)代替50mm閥門(mén)。中等煤屑通常處于氣飽和狀態(tài)，漂浮于分離器的氣、水界面上。分離器中分離的氣體通過(guò)一個(gè)藥盒型過(guò)濾裝置，以免在后來(lái)脫水、壓縮或進(jìn)入氣表時(shí)產(chǎn)生問(wèn)題。氣體還需經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾.以免破壞水處理沒(méi)備。

集輸系統(tǒng)。集輸系統(tǒng)的作用有二：一是利用最經(jīng)濟(jì)的方式將氣體從井門(mén)輸送至中央壓縮站；二是從環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的角度，妥善處理排出水。在鋪設(shè)管線(xiàn)時(shí)應(yīng)充分考慮地形和地面設(shè)施，輸氣管道不宜鋪設(shè)在低洼處，而輸水管盡量不要架設(shè)在高處。但如果無(wú)法避免這種情況，應(yīng)安裝氣壓緩解閥，以免水回流至井口。

氣體處理與壓縮

進(jìn)入銷(xiāo)售管線(xiàn)的煤層氣，一方面應(yīng)符合管道氣的成分標(biāo)準(zhǔn)，另一方面應(yīng)有足夠的壓力。因此，從氣水分離器分離出來(lái)的氣體，需經(jīng)進(jìn)一步處理和壓縮。

開(kāi)采煤層氣需要注意哪些問(wèn)題

煤層氣開(kāi)采中水的處理

水是煤層氣生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其凈化和處理費(fèi)用在日常操作中占相當(dāng)大的比重。合理設(shè)計(jì)水處理系統(tǒng)，是決定煤層氣開(kāi)發(fā)成功與否的主要因素之一。水的處理方法和費(fèi)用取決于排水量和水質(zhì)特征，在設(shè)計(jì)水處理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)臨近生產(chǎn)井的排水情況或煤層滲透中水文資料估算煤層的產(chǎn)水量，還應(yīng)考慮到生產(chǎn)過(guò)程中不同階段排水量的變化。

產(chǎn)出水雜質(zhì)分類(lèi)。煤層產(chǎn)出水是—種含有溶解鹽、溶解氣體、非水液體和固體顆粒等雜質(zhì)的多相體系。其中雜質(zhì)可分為五類(lèi)：固體顆粒、膠體、分散油和浮油、浮化油、溶解物質(zhì)。

水處理方式。在美國(guó)煤層氣生產(chǎn)中，最常用的產(chǎn)出水處理方式是排入地表水系和注入深井，其他方法包括土地灌溉、蒸發(fā)、水力壓裂時(shí)重新利用等，反滲透方法正處于試驗(yàn)階段。

煤層氣開(kāi)采中設(shè)備減少故障的方法

減少泵的故障?？赏ㄟ^(guò)以下途徑減少泵的故障：增加井下氣水分離量，排采量相匹配，減少排水管線(xiàn)的上返壓力，減少泵的扭矩。

在操作過(guò)程中，注意了解每天的運(yùn)行狀況，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的變化，采取相應(yīng)的措施。掌握上次維修時(shí)間、泵速、產(chǎn)生故障的原因，對(duì)提高工作效率，延長(zhǎng)使用壽命等大有意義。

降低抽油桿的故障。通過(guò)調(diào)節(jié)泵速和沖程長(zhǎng)度，減少應(yīng)力集中，可減少抽油桿的脫離次數(shù)。另外，合理選擇抽油桿的尺寸，安裝時(shí)注意力矩適中以及鉆井時(shí)盡量減少偏離等，都可降低抽油桿的故障。

減少固體物質(zhì)引起的故障。在完井和操作過(guò)程中，采取一些措施，可降低因固體顆粒物引起的故障。例如，鉆進(jìn)30～60m深的凹坑，使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體物質(zhì)沉于其內(nèi)，而不隨產(chǎn)出水一起泵送。不在煤層中實(shí)施完井，從煤層頂板或底板開(kāi)始?jí)毫?，進(jìn)而向煤層滲透，仍然從煤層中排氣，可大大降低維修費(fèi)用。例如，在巖溪煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，5號(hào)生產(chǎn)井采用此方法壓裂，一直持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)2.5年，與其他生產(chǎn)井每年維修3～4次形成了鮮明對(duì)比。操作過(guò)程也會(huì)影響固體物產(chǎn)率，井投產(chǎn)前期做好準(zhǔn)備，減少壓力波動(dòng)，以免引起激流，將會(huì)減少自裂流入井筒的碎屑量。

總之，我國(guó)煤儲(chǔ)層的發(fā)育狀況、煤層的含氣特征、煤層的滲透性等，在地域上的分布是很不均衡的。煤層氣分布的不均衡性，加上區(qū)域經(jīng)濟(jì)因素，就造成了當(dāng)前我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工作在地域上的不平衡發(fā)展。因此，研究和總結(jié)我國(guó)煤層氣在區(qū)域分布方面的規(guī)律性，合理進(jìn)行煤層氣資源分布區(qū)劃，對(duì)于從宏觀上闡明資源分布特征，分析煤層氣勘探開(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)，指導(dǎo)未來(lái)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工作都將具有重要意義。

（作者單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程系）