煤層氣鉆井多功能性及其綜合效益研究

馮立杰 翟雪琪 王金鳳 姜錫慧

(1.鄭州大學(xué)管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司,河南 450016)

1 引言

煤層氣俗稱(chēng)“瓦斯”,是一種賦存于煤層及其圍巖中的與煤炭共伴生的混合氣體,其主要成份為甲烷 (CH4)。中國(guó)埋深淺于2000m的煤層氣資源量為36.8萬(wàn)億m3,居世界第三位。中國(guó)煤層氣可采資源量約10萬(wàn)億m3,累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量1023億m3。自煤層氣開(kāi)發(fā)列入了“十一五”能源發(fā)展規(guī)劃,政府又相繼出臺(tái)了稅收優(yōu)惠、財(cái)政補(bǔ)貼等多項(xiàng)扶持政策,鼓勵(lì)煤層氣的開(kāi)發(fā)利用。

煤層氣的開(kāi)發(fā)可以有效減少溫室氣體排放,又可作為一種高效、潔凈能源,最重要的是提高瓦斯事故防范水平,保證煤炭開(kāi)采的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì),2009年我國(guó)煤礦事故死亡2700人左右,其中煤礦瓦斯事故死亡700余人,可見(jiàn),煤礦瓦斯仍然是煤礦事故的“殺手”。實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)是降低瓦斯的濃度,只有先采氣后采煤,才能有效地減少采煤過(guò)程中的礦井瓦斯涌出量,從而減少瓦斯事故的發(fā)生。因此,煤層氣的抽采對(duì)保證煤礦安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。然而,煤層氣的抽采利用始終離不開(kāi)鉆井這一關(guān)鍵要素,因此如何實(shí)現(xiàn)鉆井的多功能性以及對(duì)其綜合效益進(jìn)行評(píng)估成為煤層氣開(kāi)發(fā)中需要關(guān)注的問(wèn)題。本文通過(guò)分析鉆井的多功能性,從煤層氣井建設(shè)成本、安全效益、能源效益及環(huán)境效益等四方面來(lái)衡量鉆井的綜合效益,構(gòu)建了評(píng)估模型,為我國(guó)煤層氣項(xiàng)目的綜合效益評(píng)估提供了理論參考。

2 煤層氣鉆井的多功能性分析

我國(guó)煤層氣開(kāi)采方式分為地面開(kāi)采煤層氣和井下抽采煤礦瓦斯,地面開(kāi)發(fā)煤層氣是在煤炭未開(kāi)采區(qū)域從地面打鉆,采用石油天然氣開(kāi)采工藝進(jìn)行。通過(guò)普查、詳查、精查等過(guò)程進(jìn)行勘探,利用各種手段,找到具有開(kāi)采價(jià)值的煤層氣富集區(qū),然后進(jìn)行地面鉆井、下套管、測(cè)井和完井等工序,從而開(kāi)采煤層氣。

煤礦瓦斯抽采主要為保證煤礦安全生產(chǎn)需要而進(jìn)行的,其抽采方式主要有采前預(yù)抽,邊掘邊抽以及采空區(qū)抽采。同理,地面鉆井也可以實(shí)現(xiàn)采前預(yù)抽,邊采邊抽及采空區(qū)抽采,此外還可用作其他需要連通井上下的通道之用。因此,從時(shí)間序列的角度,煤層氣開(kāi)發(fā)利用中鉆井的多功能性主要體現(xiàn)以下方面：

(1)用于煤炭資源和煤層氣資源的勘探

煤層氣是煤炭的伴生礦產(chǎn),因而勘探資源時(shí)可以實(shí)現(xiàn)鉆井的“一孔多用”功能,既探煤又探氣。

對(duì)于煤炭勘探區(qū),在勘探煤炭資源的同時(shí),勘探煤層氣賦存參數(shù),提交煤炭和煤層氣兩個(gè)儲(chǔ)量報(bào)告。其中,煤層氣勘查以煤層氣地質(zhì)學(xué)為理論指導(dǎo),使用多種勘查手段發(fā)現(xiàn)并評(píng)價(jià)煤層氣資源的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景,為煤層氣開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供地質(zhì)資源依據(jù)的地質(zhì)勘查工作。其工作程序包括普查、詳查和勘探(精查)3個(gè)主要階段,勘探過(guò)程如圖1所示。

(2)用于煤層氣的抽采,實(shí)施采煤前、采煤中、采煤后抽采

針對(duì)采煤活動(dòng)的進(jìn)行,煤層氣的抽采又可分為開(kāi)采前、開(kāi)采中與開(kāi)采后三種,如圖2所示。

圖1 煤炭資源和煤層氣資源的勘探階段

圖2 煤層氣的抽采

開(kāi)采前的煤層氣地面抽采是根據(jù)已經(jīng)布置工作面,在正常的煤炭生產(chǎn)尚未開(kāi)始時(shí)的煤層氣抽采;開(kāi)采中的煤層氣地面抽采,即邊掘邊抽,指利用采動(dòng)地壓影響增加煤層氣井的產(chǎn)量;開(kāi)采后的采空區(qū)煤層氣抽采一般采用垂直井進(jìn)行抽采,利用采煤中頂板壓力變化造成的裂隙發(fā)育而大量產(chǎn)氣。

(3)用于井下煤礦瓦斯的集中抽采

針對(duì)我國(guó)煤炭和煤層氣地質(zhì)賦存條件,不少礦井需要實(shí)施井下瓦斯抽采鉆井,然后集中通過(guò)管路排至地面利用,此時(shí)靠近瓦斯抽采區(qū)的煤層氣地面鉆井可以用作井下煤層氣集中排放孔,如圖3所示。

圖3 井下煤層氣的集中抽放

(4)用于制冷通道,改善抽采環(huán)境

對(duì)于地?zé)岙惓^(qū)域,經(jīng)常需要井下制冷以改善作業(yè)環(huán)境。井下制冷地方法有多種,其中地面余熱制冷法和地面集中制冰法,需要將地面冷媒輸送到井下工作場(chǎng)所,靠近井下制冷點(diǎn)的煤層氣鉆井可以用作冷媒通道。

3 煤層氣鉆井的綜合效益分析

鉆井的多功能性不僅可以節(jié)約煤層氣井的建設(shè)費(fèi)用,并且抽采的煤層氣可以緩解我國(guó)優(yōu)質(zhì)能源供需矛盾,在一定程度上改善能源結(jié)構(gòu),也可以從根本上保障煤礦安全生產(chǎn)和改善大氣環(huán)境,為企業(yè)和社會(huì)做出巨大的貢獻(xiàn)。而鉆井作為煤層氣開(kāi)發(fā)利用必不可少的要素,其綜合效益通過(guò)煤層氣的開(kāi)發(fā)利用體現(xiàn)出來(lái),因此鉆井的綜合效益包括節(jié)約的煤層氣井建設(shè)費(fèi)用和煤層氣產(chǎn)生的效益兩方面,具體表現(xiàn)為：

(1)節(jié)約建設(shè)成本

鉆井的多功能性可以減少鉆孔的數(shù)量,節(jié)約鉆井建設(shè)成本,從而間接的為煤層氣企業(yè)帶來(lái)效益。因此,鉆井節(jié)約的建設(shè)成本計(jì)算公式可以表示為：

VC——節(jié)約的建設(shè)成本;

VAB——每個(gè)鉆孔的平均建設(shè)成本;

n——減少的鉆孔數(shù)量。

(2)安全效益

煤層氣開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的安全體現(xiàn)為瓦斯事故發(fā)生次數(shù)的減少,因此安全效益可以表示為瓦斯事故發(fā)生次數(shù)的減少而節(jié)約的成本。瓦斯事故造成的損失由直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失兩部分組成,直接經(jīng)濟(jì)損失包括事故所造成的人員生命價(jià)值的損失和生產(chǎn)設(shè)施破壞損失。間接經(jīng)濟(jì)損失包括因事故導(dǎo)致的產(chǎn)值減少、資源的破壞和受事故影響而造成的其它損失等。

因此,鉆井的安全效益計(jì)算公式可以表示為：

VF——安全效益;

VDF——減少的直接經(jīng)濟(jì)損失;

VIDF——減少的間接經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),在瓦斯爆炸事故中,每死亡一人,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失都在30萬(wàn)元以上。根據(jù)國(guó)際勞工組織的計(jì)算方法,事故造成的間接經(jīng)濟(jì)損失往往是直接經(jīng)濟(jì)損失的4～5倍。因此,直接經(jīng)濟(jì)損失減少額的計(jì)算公式如下：

VDF1——平均死亡一人造成的直接經(jīng)濟(jì)損失;

VDF2——資產(chǎn)損失減少額;

女人的力氣畢竟沒(méi)有男人大，楊秋香見(jiàn)打不著人，氣得一頭趴在一邊的床上，兩手拍打著被子，放聲大哭。一邊哭一邊喊：“我的媽呀！我沒(méi)想到哇！沒(méi)想到挑來(lái)挑去挑了這么一家人家呀！我被人騙了呀……”楊力生見(jiàn)她這樣，像木雞一樣呆在那里了，嘴里雖不再說(shuō)什么，嗓子眼兒里卻氣得直冒煙。

n——死亡人數(shù)的減少量

間接經(jīng)濟(jì)損失減少額的計(jì)算公式：

λ——事故損失間直倍比系數(shù)

(3)能源效益

開(kāi)發(fā)利用煤層氣可以在一定程度上改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu),增加潔凈的氣體能源,創(chuàng)造巨大的社會(huì)價(jià)值。能源作為人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一,將在世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略中具有舉足輕重的作用。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)能源的需求也越來(lái)越大,國(guó)內(nèi)油、氣供需缺口急劇增大,通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用煤層氣,從而現(xiàn)實(shí)、有效地彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)天然氣在地域分布和供給量上的不足。因此鉆井的能源效益計(jì)算公式如下：

VS=Q＊PM

VS——能源效益;

Q——煤層氣的利用總量;

PM——每立方米煤層氣的市場(chǎng)價(jià)格。

(4)環(huán)境效益

開(kāi)發(fā)利用煤層氣可以有效減排溫室氣體,改善大氣環(huán)境。煤層氣的主要成分是甲烷 (CH4),是僅次于CO2的重要溫室氣體,其增溫潛力值約為二氧化碳的21倍。甲烷的溫室效應(yīng)在全球氣候變暖中的份額為15%,僅次于CO2。我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó),在進(jìn)行煤炭資源開(kāi)采的過(guò)程中,大量的煤層氣以通風(fēng)瓦斯的形式被排放到大氣中,這已引起國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。因此,開(kāi)發(fā)利用煤層氣不僅可以避免采煤造成的煤層氣這種不可再生資源的浪費(fèi),還能減少溫室氣體排放,改善大氣環(huán)境方面具有重要的意義。

因此,鉆井的環(huán)境效益計(jì)算公式如下：

VE——環(huán)境效益;

Q——煤層氣的利用總量;

h——甲烷占有的百分比;

η——甲烷轉(zhuǎn)換為二氧化碳的系數(shù)比;

PC——每噸二氧化碳的價(jià)格

4 煤層氣鉆井綜合效益評(píng)估模型

根據(jù)上述鉆井節(jié)約的煤層氣建設(shè)成本、安全效益、能源效益及環(huán)境效益的評(píng)估分析,可以得出煤層氣開(kāi)發(fā)利用中鉆井帶來(lái)的綜合效益評(píng)估模型為：

其中,V表示鉆井的多功能性帶來(lái)的綜合效益。在此評(píng)估模型中,涉及到的因素都可以數(shù)量化,因此它可以全面、客觀(guān)的考察煤層氣開(kāi)發(fā)利用中“一孔多用”帶來(lái)的綜合效益,為煤礦企業(yè)和政府開(kāi)發(fā)煤層氣項(xiàng)目提供了一個(gè)科學(xué)的依據(jù)。

5 總結(jié)

煤層氣的開(kāi)發(fā)利用不僅可以緩解我國(guó)優(yōu)質(zhì)能源供需矛盾,一定程度上改善能源結(jié)構(gòu)的需要,也可以從根本上保障煤礦安全生產(chǎn)和改善大氣環(huán)境。鉆井作為煤層氣開(kāi)發(fā)利用中必不可少的要素,對(duì)其加以利用,充分發(fā)揮鉆井的“一孔多用”功能,可以減少投資,更好地開(kāi)發(fā)利用煤層氣。本文從煤層氣開(kāi)發(fā)利用的建設(shè)成本節(jié)約、安全效益、能源效益及環(huán)境效益等四面綜合考慮了鉆井的效益,并建立相應(yīng)的評(píng)估模型,為全面和科學(xué)的評(píng)價(jià)煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目提供了新的視角。

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