煤層氣資源的開發(fā)與利用

摘 要：全球煤層氣資源量可能超過260×1012m3，我國煤層氣地質(zhì)資源量為36.8×1012m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量38×1012m3基本相當(dāng)。煤層氣的開發(fā)理論取得了新認(rèn)識(shí)，研究煤層氣的靜態(tài)地質(zhì)特征和動(dòng)態(tài)特征，采用數(shù)值模擬研究地下煤層氣擴(kuò)散-滲流過程中的變化規(guī)律；試驗(yàn)和開發(fā)工藝技術(shù)也在不斷進(jìn)步，深煤層的煤層氣開發(fā)技術(shù)獲得突破，在井網(wǎng)井型的選擇、壓裂技術(shù)、排采技術(shù)等方面有了新進(jìn)展；煤層氣的利用范圍也在不斷擴(kuò)大，特別是在煤層氣發(fā)電和化工產(chǎn)品的生產(chǎn)方面得到了普遍應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤層氣； 開發(fā)； 技術(shù)； 利用

中圖分類號(hào)：TD712.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2016）03-184-002

煤層氣，其主要成分為甲烷，是以吸附和游離狀態(tài)存在于煤層之中。近年來，隨著人們對新能源和清潔能源的追求，認(rèn)識(shí)到煤層氣是一種新的非常規(guī)能源，具有熱值高、安全性高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，既是環(huán)境保護(hù)的需要，又是常規(guī)油氣資源的重要補(bǔ)充或接替。世界上一些具有煤層氣資源的國家，在煤層氣的勘探開發(fā)和開采技術(shù)方面都進(jìn)行了大量的研究和礦場試驗(yàn)，取得了顯著的成果，使得煤層氣資源的開發(fā)利用作為綠色能源得到廣泛的重視。

1.煤層氣資源

根據(jù)國際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)和我國煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果（2006），全球煤層氣資源量可能超過260×1012m3，90%主要分布在12個(gè)產(chǎn)煤國，其構(gòu)成如下：

全球煤層氣資源主要分布情況

國家 煤層氣資源量（×1012m3）

俄羅斯 113

加拿大 76

中國 36.8

美國 21

澳大利亞 14

德國 3

波蘭 3

英國 2

烏克蘭 2

哈薩克斯坦 1

印度 0.8

南非 0.8

我國42個(gè)主要含氣盆地埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為36.8×1012m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量38×1012m3基本相當(dāng)[1]。

2.煤層氣的開發(fā)

通過對含煤盆地煤層氣成長條件和煤層氣的形成機(jī)理研究，煤層氣開發(fā)者認(rèn)識(shí)到利用排水降壓的方式，從煤的表面解吸成為游離氣，在基質(zhì)中從煤的表面向細(xì)微裂縫擴(kuò)散，在細(xì)微裂縫中滲流到大裂縫再滲流運(yùn)移到井底和井筒的主要過程，而且解吸-擴(kuò)散-滲流-運(yùn)移是一個(gè)串聯(lián)發(fā)生的過程[2]。

2.1煤層氣的開發(fā)理論

從煤層的靜動(dòng)態(tài)特征出發(fā)，發(fā)展和豐富了煤層氣的開發(fā)理論。一方面研究煤層氣的靜態(tài)地質(zhì)特征，主要是儲(chǔ)集性研究，包括物性、巖性、電性、含氣量等；煤的吸附等溫曲線是煤吸附甲烷的特征曲線，表達(dá)了吸附量、解吸量與壓力的關(guān)系。滲透率與構(gòu)造曲率、原地應(yīng)力的關(guān)系，可說明流動(dòng)性。地下水的研究可以識(shí)別高壓區(qū)、低壓區(qū)、滲透性較好的區(qū)域與邊界等。另一方面要研究其動(dòng)態(tài)特征，包括煤儲(chǔ)層壓力的變化、產(chǎn)水量的變化、產(chǎn)氣量的變化、排水過程中動(dòng)液面的變化、排采工作制度的建立和調(diào)整、動(dòng)態(tài)監(jiān)測及生產(chǎn)管理等；采用數(shù)值模擬研究地下煤層氣擴(kuò)散-滲流過程中的變化規(guī)律過程[3]。當(dāng)前，隨著試驗(yàn)和工程技術(shù)的進(jìn)步，理論研究也在不斷深入，主要有以下認(rèn)識(shí)：

（1）利用同位素研究來識(shí)別盆地內(nèi)的煤層氣成因；（2）尋找受巖漿巖影響的煤儲(chǔ)層，其生氣量大、含氣量高、甲烷濃度可達(dá)到95%；（3）煤層氣的開發(fā)深度已經(jīng)突破1500M，中石化開發(fā)的延川南煤層氣田最大埋深為1600m；（4）開展了地質(zhì)構(gòu)造對煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、含氣量和產(chǎn)水、產(chǎn)氣影響因素的研究；（5）運(yùn)用核磁共振技術(shù)研究甲烷氣體分子在煤孔隙中的流動(dòng)；（6）測試試井分析和數(shù)值模擬技術(shù)不斷完善。發(fā)明了瞬變流法甲烷擴(kuò)散系數(shù)測試技術(shù)，開展了煤儲(chǔ)層滲透率與壓應(yīng)力、孔隙壓力關(guān)系實(shí)驗(yàn)，廣泛開展了同相多組分（二氧化碳、甲烷、氮?dú)猓┒ǔ煞峙蛎浕蚨w積壓縮吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，討論了二氧化碳、氮?dú)獠煌⑷胨俣群筒煌⑷霑r(shí)期對甲烷生產(chǎn)的影響，并在煤層氣排采試驗(yàn)中進(jìn)行了大量應(yīng)用。在數(shù)值模擬方面發(fā)展了平衡吸附模型和非平衡吸附模型，開發(fā)了煤層氣產(chǎn)能模擬新的模型和軟件[4]。

2.2煤層氣開發(fā)技術(shù)

2.2.1井網(wǎng)井型的選擇。煤儲(chǔ)層具有低滲透、低壓力、低飽和度、低產(chǎn)的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)，必須結(jié)合地下與地面條件，根據(jù)研究區(qū)域的勘探開發(fā)資料詳細(xì)編制開發(fā)方案。由于煤層氣需要降壓排采，實(shí)現(xiàn)“井井聯(lián)合”、“整體降壓”，優(yōu)化井網(wǎng)設(shè)計(jì)，才能提高產(chǎn)量和采收率。

井型的選擇既要根據(jù)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，又要根據(jù)煤層深度和地面條件來確定，同時(shí)要盡量少占地，維護(hù)好環(huán)境。在深煤層，利用“井下穿針”技術(shù)，并結(jié)合鋼套管完井，實(shí)施“U型”井和“V型”井，以解決淺煤層塑料篩管完井水平井的壓裂難題；采用“井工廠”模式打平臺(tái)井，既節(jié)約鉆井費(fèi)用，又少占地，也便于后期得出的生產(chǎn)管理。

2.2.2煤層氣壓裂技術(shù)。煤層氣的開發(fā)離不開壓裂改造，尤其是深煤層的開采，煤儲(chǔ)層通過壓裂改造建立降壓通道和滲流通道，從而提高產(chǎn)氣量。壓裂工藝技術(shù)的研究需要重視以下過程，一是要研究壓裂機(jī)理，通過力學(xué)特征實(shí)驗(yàn)研究煤巖的裂縫形成特點(diǎn)，利用全三維擴(kuò)展物理模擬方法揭示煤層裂縫的開啟和延伸規(guī)律；二是要優(yōu)化工藝參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和研究成果確定合適的施工參數(shù)，包括排量、液量、砂量和整體壓裂方案的優(yōu)化；三是要實(shí)驗(yàn)應(yīng)用工藝配套技術(shù)，包括射孔技術(shù)、水平井分段壓裂技術(shù)、直井多層壓裂技術(shù)、壓裂液和支撐劑的優(yōu)選等，而這些配套技術(shù)都要體現(xiàn)其先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。

另外，煤層氣壓裂也開展了不加砂壓裂、氮?dú)馀菽瓑毫选⒍趸寂菽瓑毫训燃夹g(shù)的研究和試驗(yàn)，為煤層氣的開發(fā)提供了支持。

2.2.3煤層氣排采技術(shù)。煤層氣井的排采過程要遵循連續(xù)、穩(wěn)定、細(xì)致的原則，從控制放噴到煤層產(chǎn)氣的整個(gè)過程中，井底壓力、動(dòng)液面高度、排液速度、產(chǎn)氣速度等都會(huì)影響煤層滲透率的變化，反過來又會(huì)影響產(chǎn)氣量。在不同的排采階段，滲透率變化的影響因素不同，就決定了需要對不同排采階段的壓力和排采速度進(jìn)行不同的控制辦法[5]。

（1）量化控制。建立煤儲(chǔ)層——井筒——排采工藝一體化動(dòng)態(tài)預(yù)測模型。通過建立排采雙孔-雙滲數(shù)學(xué)模型、井筒三相流動(dòng)模型和排采參數(shù)優(yōu)化模型，從而對排采制度實(shí)現(xiàn)量化控制；（2）壓力控制。要以煤儲(chǔ)層壓力、解吸壓力和穩(wěn)定壓力為著重點(diǎn)進(jìn)行排采階段的控制；（3）精細(xì)控制。分階段排采優(yōu)化。對壓裂后的放噴、初期投產(chǎn)、見氣和產(chǎn)氣時(shí)的控制要精細(xì)；（4）動(dòng)態(tài)監(jiān)測。排采過程變化不斷，對壓力、動(dòng)液面和產(chǎn)氣量的變化要有可靠的工藝手段并進(jìn)行密切監(jiān)測，以采取不同的應(yīng)對措施；（5）產(chǎn)能預(yù)測。尋找不同制度下的生產(chǎn)規(guī)律，預(yù)測產(chǎn)能，優(yōu)化排采制度。

3.煤層氣的利用

煤層氣是寶貴的清潔的自然資源，有效的利用可以減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[6]。目前煤層氣的利用主要在以下幾個(gè)方面：

（1）煤層氣發(fā)電。2010年我國煤層氣發(fā)電利用量在30×108m3以上。

（2）煤層氣的化工利用。可用于生產(chǎn)氨及化肥、甲醇及其加工產(chǎn)品、乙烯及其衍生產(chǎn)品、乙炔及炔屬精細(xì)化學(xué)品、合成氣（CO+H2）等大宗化工產(chǎn)品以及生產(chǎn)甲烷氯化物、二硫化碳、氫氰酸、硝基烷烴、氦氣等化工產(chǎn)品。在煤層氣生產(chǎn)化工產(chǎn)品的技術(shù)上也發(fā)展迅速，如甲烷在固體酸催化劑表面發(fā)生異裂而生成甲基正碳離子，提出一種指導(dǎo)穩(wěn)定C-H鍵無氧活化研究的新理論，以甲烷為原料制作燃料電池、汽車燃料等。

（3）煤層氣液化。煤層氣液化可使煤層氣的體積縮小600倍，甲烷濃度可提高到99.8%，使用LNG運(yùn)輸車運(yùn)送，具有用戶的靈活性，也可以進(jìn)入現(xiàn)有管道銷售。

4.結(jié)論

（1）從國際國內(nèi)來看，煤層氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大。

（2）煤層氣的開發(fā)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，由淺層向深層延伸，由采煤礦區(qū)向?qū)I(yè)煤層氣開采方向擴(kuò)展。

（3）煤層氣開發(fā)技術(shù)不斷完善，深層煤層氣的開發(fā)技術(shù)獲得突破，水平井、U型井、V型井的鉆井和壓裂技術(shù)得到了現(xiàn)場應(yīng)用并取得了顯著效果。

（4）煤層氣作為清潔能源在民用、發(fā)電和化工產(chǎn)品的生產(chǎn)等方面得到了普遍的利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃志斌，郭藝，李長清，等.中國煤層氣潛力及發(fā)展展望[J]中國煤層氣，2012，，92）：3-5

[2]羅平亞.關(guān)于大幅度提高我國煤層氣井單井產(chǎn)量的探討[J]天然氣工業(yè)，2013，33（6）：1-6

[3]馮文光.煤層氣藏工程[M]北京：科學(xué)出版社，2009

[4]嚴(yán)緒朝，郝鴻毅.國外煤層氣的開發(fā)利用狀況及其技術(shù)水平[J]石油科技論壇，2007，6：24-30

[5]倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[6]錢小武，袁梅，劉源俊，等.中國煤層氣利用現(xiàn)狀淺析[J]中國煤層氣，2009，18（6）：4-6