煤層氣資源現(xiàn)狀及開發(fā)技術(shù)研究

文丨黃珍珍

引言

我國是一個煤炭資源豐富的大國，煤層分布十分廣泛，全國的煤炭資源總量約為50479.26×108t，豐富的煤碳資源表明其中蘊藏著非常巨大的煤層氣資源。因此，加強對煤層氣的勘探和開采是偉大而艱巨的任務(wù)。

煤層氣的賦存狀態(tài)

煤層氣（又稱“煤層甲烷”、“瓦斯”）是一種儲集在煤層中的自生自儲的天然氣。煤層甲烷在煤儲集層中賦存的狀態(tài)有游離、吸附和溶解等三種。在煤化過程中生成的天然氣首先在煤炭中吸附，然后是溶解和解離析出。

游離狀態(tài)（自由狀態(tài)）的煤層甲烷存在于煤的孔隙、裂隙或空洞中，氣體分子在媒體孔隙內(nèi)可以自由流動，煤層內(nèi)的自由空間決定煤層甲烷的數(shù)量。當(dāng)然，外界的溫度和壓力也會影響煤層氣的數(shù)量。

煤層氣的含氣量影響因素

煤層氣的含量主要由以下因素決定：首先，煤層氣的生成量和吸附量由煤的變質(zhì)過程及煤質(zhì)決定；其次，煤層的生成階段及后期演化階段煤層的儲集條件是由構(gòu)造運動所控制；煤層氣的含量由蓋層的封堵能力所影響。

1.煤的組成

煤的組成指的是煤的顯微組分、灰分和水分。煤的組成不僅對煤的產(chǎn)油能力有影響，而且影響煤的孔隙特征、吸附能力和機械性能等。煤的物質(zhì)組成控制著煤的吸附能力，若礦物質(zhì)含量越高，其吸附能力反而會降低。在顯微組分中，殼質(zhì)組和惰質(zhì)組的吸附能力偏低而鏡質(zhì)組的吸附能力最強，主要是鏡質(zhì)組中發(fā)育有大量的氣孔，孔隙比表面積大所引起。

2.煤層的埋藏深度

煤層的埋藏深度是影響煤層甲烷的另一控制因素。煤層埋深對煤層甲烷的含量的影響實質(zhì)是由于煤層埋深的不同，導(dǎo)致煤層甲烷所受的溫度和壓力的變化，壓力增大會使煤的吸附能力增強，但是溫度的升高卻會使煤的吸附能力降低。

3.煤層中的水分

圖1 煤階與蘭氏關(guān)系（據(jù)張意，2010）

如果煤層中水分增加，那么其吸附能力會降低，但當(dāng)水分量大于某個臨界值時，吸附能力將不會隨著水分的增大而改變，這個值為臨界水分值(Mc) 。Joubert 對煙煤的研究建立了以下經(jīng)驗公式：

式中: Vd、Vw分別為一定溫度壓力下甲烷和水的體積，cm3；m 為水分，%；C0 為系數(shù)。

當(dāng)煤被水飽和時，即m≥mc時:

式中：X0為煤中氧含量，可見m≥mc時Vd與含氧量有關(guān)。

4.煤階

煤階代表了煤化作用中能達(dá)到的成熟度的級別，由于深埋影響溫度的改變可以引起煤階的改變，煤階影響煤層飽和狀態(tài)，可通過測量最大的鏡質(zhì)組反射率，揮發(fā)物質(zhì)的百分比或煤中碳的百分比來確定的。

煤層氣含氣量隨煤階的增加呈現(xiàn)出急劇增高-緩慢增高-急劇增高-急劇下降的階段性演化特征。眾多研究表明，隨煤階增高煤的吸附能力會相應(yīng)增強。在煙煤和無煙煤階段( R0max ＜ 5%) ，當(dāng)R0max增大時總孔隙度會增高。在小孔隙中，煤中孔隙的比表面積會隨之增大。由于煤的分子排列是從無序到有序，由小分子到大分子，煤的表面物理性質(zhì)發(fā)生了變化，煤分子與CH4分子間引力(范德華力和色散力)增大，煤對CH4的吸附能力隨之增強（圖1）。

5.蓋層的封閉能力

蓋層對煤層氣的封存機理與常規(guī)油氣的基本相同，即蓋層的排替壓力越大，其封閉性越強。能有效地阻止煤層氣散失的蓋層為有效蓋層。蓋層的封存能力并不是絕對的，當(dāng)儲層壓力大于排替壓力時，便可能成為無效蓋層?？缀戆霃绞巧w層封閉能力的主要因素。蓋層的宏觀封閉性還要與其巖性、厚度、分布范圍和連續(xù)性、韌性等因素有關(guān)。

提高煤層氣的采收技術(shù)

我國煤儲層具有低壓（壓力系數(shù)低于0.8）、低滲（小于1×10-3um2）、低飽和度（小于70%）和非均質(zhì)性強等特點, 煤層氣的開采技術(shù)面臨著難題，因此提高煤層氣的采收技術(shù)顯的特別重要。以下為提高煤層氣采收率的幾種技術(shù)。

1.注熱技術(shù)

向煤層中注入水蒸汽來實現(xiàn)注熱開采煤層氣。熱量作用下，煤體、擴散至裂隙的煤層氣的性質(zhì)會發(fā)生變化。如果溫度升高，煤體會發(fā)生膨脹，孔裂隙受到擠壓后會發(fā)生變形，影響CH4氣體在其中流動。當(dāng)CH4氣體吸熱，動能、活性、解吸能力都會增強，煤層內(nèi)吸附平衡遭到破壞，解吸率升高，CH4氣體會從煤層表面解吸擴散至裂隙，從而使煤層裂隙中的氣體濃度升高，由于濃度梯度和壓力梯度增大，CH4氣體由裂縫系統(tǒng)流至井筒，從而煤層氣產(chǎn)量增加。二者共同決定煤層氣的產(chǎn)量。在開采過程中，可以先對煤層進行壓裂，然后向煤層中注入熱量，這樣可增加煤層氣的產(chǎn)量。

2.煤層壓裂技術(shù)

煤層壓裂技術(shù)目前可以有效的提高煤層氣的開采效率。由于人工壓裂形成誘導(dǎo)裂縫降低、消除了煤層的近井眼傷害，煤層中的天然裂隙系統(tǒng)增強，有效“井眼半徑”和煤層氣解吸滲流面積擴大，井眼穩(wěn)定性得到加強，井眼周圍形成了有效的煤層氣滲流通道，從而提高煤層氣的采收效率。

煤層氣井與常規(guī)油氣井在水力壓裂技術(shù)方法和壓裂結(jié)果上的相似及差異性。由于煤的力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致其形成短而寬的裂縫。所以在進行壓裂設(shè)計時需綜合原地應(yīng)力、壓裂液、支撐劑、鉆井、測井、完井等方面的因素，設(shè)計出合理的方案來有效的提高煤層氣的采收效率。

3.氣體驅(qū)替技術(shù)

CO2、N2或CO2與N2的混合氣可以用來驅(qū)替煤層氣，由于氣相的存在，既可以利用低吸附能力的N2降低甲烷的壓力，也可以利用CO2的置換作用來提高甲烷的采收率。

氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)：①注入CO2提高煤層氣采收率，稱之為二氧化碳-氣體驅(qū)替技術(shù)；②注入N2降低CH4壓力。

4.聲震法

聲震法提高煤層氣采收率技術(shù)：①聲場促進煤層氣在煤層微孔中解吸—擴散；②聲場促進煤層氣在空裂隙系統(tǒng)中滲流。

聲場促進煤層氣的滲流主要表現(xiàn)為：聲場可以提高煤層的溫度，改變煤層溫度分布，促進煤層氣的解吸和擴散；聲場在煤層中存在明顯的衰減，在其衰減范圍內(nèi)，聲場對煤層存在機械振動、機械損傷和熱效應(yīng)，可以大幅度提高煤層的滲透率，降低煤層的應(yīng)力，促進煤層氣在孔裂隙中的滲流。

結(jié)束語

我國的煤層氣資源十分豐富，我們需要根據(jù)煤層氣的性質(zhì)和與常規(guī)油氣的差異性，采用有針對性而且完善的技術(shù)來開采煤層氣，利用新型資源來滿足我國的工業(yè)發(fā)展的要求，來促進我國經(jīng)濟的發(fā)展。