火燒煤層開采煤層氣的研究

毛 瓊 王緒性 王 芳 彭成敏

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 中國(guó)石油大學(xué) (華東) 石油工程學(xué)院,山東 266555; 3. 華北油田公司勘探開發(fā)研究院, 河北 062552)

1 概念的提出

火燒煤層開采煤層氣是一種地面強(qiáng)化開采煤層氣的新方法, 它是借鑒火燒油層、煤的地下氣化以及注熱、注二氧化碳在機(jī)理上提高煤層氣產(chǎn)出。

美國(guó)早在1917 年J．O．李威斯就提出了采用熱力或注溶劑的方法, 驅(qū)替地層中的原油以提高采收率的概念。1923 年瓦爾科特 (Wolcott) 和霍華德(Howard) 也認(rèn)識(shí)到, 把空氣注入到油層, 使油層在地下燃燒, 產(chǎn)生熱量以降低粘度, 同時(shí)產(chǎn)生驅(qū)替原油的驅(qū)動(dòng)力。1947 年開始了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究[2]。50 年代后, 這項(xiàng)新技術(shù)得到廣泛的關(guān)注, 各個(gè)石油公司在油田展開了一系列的試驗(yàn)研究, 使得火燒油層技術(shù)得到了快速的發(fā)展。除美國(guó)外, 前蘇聯(lián),荷蘭, 羅馬尼亞, 匈牙利, 德國(guó), 印度等40 多個(gè)國(guó)家先后開展了火燒油層采油的相關(guān)工作。印度Mehsana 油田將火燒油層應(yīng)用于生產(chǎn)中, 取得較好效果, 其原理為井中點(diǎn)燃?xì)怏w, 并注入空氣以維持燃燒前緣, 在此過程中, 少量原油燃燒掉, 產(chǎn)生CO2、水蒸氣及熱量, 這樣可以降低原油粘度, 增加原油流度, 從而將其驅(qū)替到附近的生產(chǎn)井中。

我國(guó)從1958 年起, 先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層試驗(yàn)研究, 因受當(dāng)時(shí)條件的限制, 火燒油層技術(shù)讓位于注蒸汽采油, 在我國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用直到目前還為數(shù)不多。但是, 室內(nèi)研究一直沒有停止, 80 年代以來不斷開展火燒油層的物理模擬、化學(xué)模擬和數(shù)學(xué)模擬研究, 開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn), 也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)火燒可行性研究和施工設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)。遼河油田試驗(yàn)采用的火燒油層比例物理模擬裝置, 完全是自主研發(fā), 為目前世界上最大的比例物理模擬裝置。勝利油田完成了火燒油層點(diǎn)火工藝、室內(nèi)物理模擬、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、注氣工藝等技術(shù)的配套研究, 并成功點(diǎn)燃了高滲透稠油井、低滲透稠油井和蒸汽吞吐后期稠油井三種不同類型的稠油油藏, 并維持了油層的穩(wěn)定燃燒, 在國(guó)內(nèi)外尚屬首次。

2 火燒煤層開采煤層氣的機(jī)理

所謂的火燒煤層開采煤層氣就是通過點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)把煤層引燃, 并控制注氣量使煤層處于不完全燃燒狀態(tài), 從而加快煤層氣 (主要是甲烷) 的解吸和擴(kuò)散, 提高煤層氣采收率的一種方法。

通過點(diǎn)火系統(tǒng)火把煤層點(diǎn)燃, 不斷鼓風(fēng)維持燃燒, 煤層中的每種碳?xì)涑煞趾涂諝庵械难鯕獍l(fā)生如下反應(yīng)：

第二種反應(yīng)的生成物一氧化碳, 在有氧氣的參與下, 又進(jìn)一步燃燒生成二氧化碳。

以上的反應(yīng)是燃燒反應(yīng), 在化學(xué)上也叫氧化反應(yīng), 需要消耗氧氣, 因此空氣越往前走, 氧氣的含量越少, 直到氧氣完全耗盡為止, 這里就成為燃燒帶的終點(diǎn)。

燃燒生成物繼續(xù)沿著火焰工作面向出煤氣孔的方向前進(jìn), 當(dāng)它遇到燒熱的煤表面的時(shí)候, 就再一次同煤層中的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

這些反應(yīng)需要吸收大量的熱量, 這些熱量由燃燒帶內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)放出的熱量來供給。上述反應(yīng)在化學(xué)上叫做還原反應(yīng), 所以發(fā)生這種反應(yīng)的地帶稱為還原帶。還原反應(yīng)需要吸收熱量, 這樣就使得火焰工作面沿著長(zhǎng)度方向的熱量越來越少, 溫度越降越低。到最后, 煤層表面的溫度終于降低到不足以維持還原反應(yīng)的進(jìn)行, 這里就是還原反應(yīng)帶的終點(diǎn)。

從煤層表面的溫度降低到不足以維持還原反應(yīng)進(jìn)行的那一點(diǎn)起, 就開始了氣化的“干餾帶”。氣化的生成物在干餾帶里前進(jìn), 由于溫度條件的限制, 它們不能再與煤中的碳發(fā)生反應(yīng)。它們只是用殘余的熱量把煤層“烘熱”, 加快甲烷的解吸。

通過以上的分析, 我們把火燒煤層開采煤層氣的機(jī)理總結(jié)如下：

(1) 煤層燃燒生成的CO2對(duì)煤層氣增產(chǎn)機(jī)理本質(zhì)上包括“驅(qū)動(dòng)”與“置換”兩個(gè)方面。煤對(duì)不同氣體的吸附情況是不同的, 大小順序與范德華力的順序一致, 即Q (CO2) ＞Q (CH4) ＞Q (N2) 。CO2與煤表面大分子之間的吸附作用大于CH4, 即CO2更易與煤表面大分子結(jié)合。因此, 當(dāng)向煤層中積聚大量CO2時(shí), CO2將排擠吸附在煤表面的CH4使其解吸, 而自身則被吸附到煤表面。這種作用被稱為競(jìng)爭(zhēng)吸附置換作用。

(2) 煤層燃燒產(chǎn)生的熱量, 使煤層的溫度升高。隨溫度的升高, 煤層對(duì)甲烷的吸附能力減弱,解吸速率加快, 吸附時(shí)間縮短。溫度對(duì)CH4解吸起活化作用, 溫度越高, 游離CH4越多, 吸附氣越少。試驗(yàn)研究表明, 溫度每升高1 ℃, 煤吸附甲烷的能力降低約8%, 其原因是溫度升高, 甲烷活性增大, 難于被煤體吸附, 同時(shí)已被吸附的氣體分子易于獲得動(dòng)能從煤體表面解吸出來。

(3) 產(chǎn)物水分子與煤之間有相似的特性。水與煤之間不存在共價(jià)鍵, 不以較弱的范德華力吸附在煤中的, 水分子為極性分子, 根據(jù)相似相容原理,水分子比CH4更容易吸附于煤中, 從而取代了CH4的位置, 與煤層氣形成了競(jìng)爭(zhēng)吸附從而增加了CH4解吸量。

(4) 煤層在高溫的影響下發(fā)生干裂, 形成很多裂隙, 類似于壓裂對(duì)煤層造成的儲(chǔ)層改造, 有利于煤層氣在煤層中的滲透。另外, 煤在高溫和接觸樣的條件下, 容易發(fā)生表面氧化, 在煤表面形成碳氧絡(luò)合物。煤經(jīng)氧化后易于破裂, 表面積增加, 粘結(jié)性變差甚至消失, 加快煤層氣的解吸。

(5) 火燒煤層燃燒掉的煤, 形成洞穴, 類似于酸蝕的作用, 增加新產(chǎn)生的裂縫的表面積, 形成大孔道, 增大了煤層的孔隙, 提高煤層氣向裂縫網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散能力。

(6) 火燒煤層對(duì)煤層的作用及其產(chǎn)物不污染煤層, 減小對(duì)儲(chǔ)層的損害。

3 火燒煤層開采煤層氣的實(shí)施步驟

(1) 井網(wǎng)的布置。在一個(gè)四點(diǎn)或五點(diǎn)或七點(diǎn)的井組 (采氣井) 的中心, 鉆一口注氣井, 如圖1 所示。

圖1 井網(wǎng)布置示意圖

(2) 煤層的貫通。為了順利的點(diǎn)燃煤層則要求煤層有較多的裂縫。通常褐煤具備這樣的條件, 而且它的反應(yīng)性能良好。對(duì)于一些致密的煙煤或無煙煤層時(shí), 這時(shí)候就應(yīng)該采用擴(kuò)大天然裂隙和制造人工裂縫的方法。在此我們采用電力貫通, 具體做法如下： 首先要在兩個(gè)鉆孔 (一個(gè)是注氣井, 一個(gè)是采氣井) 里各放一個(gè)電極, 把電極插進(jìn)孔底煤層里, 然后接上電源, 通以高壓, 這樣在兩個(gè)鉆孔之間的煤層里構(gòu)成一條特殊的導(dǎo)電通路, 如圖2 所示。電流通過煤層的時(shí)候, 把煤層加熱, 使它失去水分、揮發(fā)物等成分而變成焦炭。同時(shí)由于水分和揮發(fā)物等成分變成為氣體散失, 體積縮小, 因此煤層的孔隙和裂隙也大大的增加。

電力貫通所需的電流和電壓, 變化的范圍很大(電壓在6000V 以下; 通常采用1300～3000V; 功率300～1200W) , 這是因?yàn)楦鞣N不同的煤層具有不同的臨界擊穿電壓值 (即在這種電壓的作用下, 煤層才能被擊穿貫通) 。在貫通開始之初, 因?yàn)槊簩永锏暮勘容^多, 電阻比較小, 這時(shí)候應(yīng)該采用較低的電壓。等到電流穩(wěn)定一個(gè)時(shí)期后, 再把電壓升高到最高值。

圖2 電力貫通示意圖

(3) 煤層的點(diǎn)燃。通過點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái), 把煤層點(diǎn)燃。點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火原理： 利用點(diǎn)火線圈產(chǎn)生足夠的高壓電流, 通過點(diǎn)火電纜, 高壓電流到達(dá)火花塞, 進(jìn)而在火花塞的中心電極和側(cè)電極之間跳火, 產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花。電火花進(jìn)而引燃由壓風(fēng)機(jī)壓入和火焰槍噴出的可燃?xì)怏w, 進(jìn)而引燃部分煤層的燃燒。由溫度傳感器返回的數(shù)據(jù), 斷定煤層被點(diǎn)燃后, 停止向井內(nèi)注入可燃性氣體, 改為向井內(nèi)注入空氣 (圖3、圖4) 。

圖3 點(diǎn)火系統(tǒng)橫截面示意圖

圖4 點(diǎn)火系統(tǒng)的井底結(jié)構(gòu)示意圖

火花能量和熱表面面積等對(duì)甲烷的爆炸極限均有影響。如甲烷在電壓100V、電流強(qiáng)度1A 的電火花作用下, 無論濃度如何都不會(huì)引起爆炸。但當(dāng)電流強(qiáng)度增加至2A 時(shí), 其爆炸極限為5．9%～13．6%; 3A 時(shí)為5．85%～14．8%。所以在點(diǎn)火時(shí)要控制點(diǎn)火電纜的電壓和功率。

(4) 煤層氣的采集。在煤氣出口處就得到了如下成分的氣體混合物： CO2、CO、CH4、CnHm、O2、N2以及SO2等。在這種混合氣體的組成成分里, CO2、O2和N2是不能燃燒的氣體, 它們的存在只能降低煤層氣的熱值。其他成分都屬于可燃性氣體, 其中以甲烷、一氧化碳和氫氣為主。

(5) 煤層燃燒程度的控制。通過注入高壓空氣的量來控制燃燒程度, 這一切都是在計(jì)算機(jī)根據(jù)燃燒場(chǎng)模型的變化自動(dòng)進(jìn)行的, 使整個(gè)燃燒場(chǎng)處于最佳的不完全燃燒狀態(tài), 保持最高的產(chǎn)氣量。

(6) 煤層燃燒范圍的控制?？梢栽谌紵拥姆较蛏洗蛞慌抛⑺? 注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒; 在火勢(shì)較猛的地方, 采用注高壓水泥漿來阻斷燃燒。

4 火燒煤層開采煤層氣注意的問題

4．1 爆炸問題

點(diǎn)燃煤層采用電打火點(diǎn)燃可燃?xì)?(甲烷) 與空氣。1 體積甲烷與2 體積氧氣完全反應(yīng), 氧氣在空氣中體積為21%, 恰好完全反應(yīng)時(shí), 甲烷在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為9．5%, 此時(shí)爆炸最劇烈。而甲烷與空氣混合爆炸極限為5%～15%, 井下局部氣體混合會(huì)達(dá)到爆炸極限, 點(diǎn)火爆炸。爆炸極限不是一個(gè)固定值, 它受各種外界因素的影響而變化, 如初始溫度、初始?jí)毫?、惰性介質(zhì)或雜質(zhì)、容器的材質(zhì)和尺寸等。當(dāng)溫度不變時(shí), 隨著壓力的升高, 爆炸極限相應(yīng)地?cái)U(kuò)大當(dāng)壓力不變時(shí), 隨著溫度的升高,爆炸極限也相應(yīng)地?cái)U(kuò)大, 爆炸極限上限隨溫度、壓力的變化大于爆炸極限下限的變化。所以在火燒煤層是應(yīng)該控制甲烷氣體在混合氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。

4．2 地下煤火問題

所有起火燃燒都需要三個(gè)因素： 空氣、可燃物和足以產(chǎn)生火花的溫度。避免火燒煤層產(chǎn)生地下煤火問題, 要求煤層不能與大量氧氣接觸, 同時(shí)考慮到火燒煤層點(diǎn)火的成功率, 建議火燒煤層在地下400～500m 范圍內(nèi)進(jìn)行。

4．3 坍塌問題

防止火燒煤層后的區(qū)域的塌陷, 可采用填沙法。將沙和水混合后注入地下, 混合物在地下沉淀后就能對(duì)地面形成支撐, 這樣還阻止了氧氣接觸到火。

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