準(zhǔn)東地區(qū)煤層氣開(kāi)采與利用方法研究

王鈺森　初泰青　馮兆興

【摘 要】準(zhǔn)東煤田被勘探確認(rèn)為地下儲(chǔ)藏著約3900億噸煤煤炭資源，準(zhǔn)東煤田東西長(zhǎng)達(dá)220公里，以現(xiàn)有我國(guó)煤炭年使用量計(jì)算，僅準(zhǔn)東煤田就夠全國(guó)使用一百年。豐富的煤炭資源里蘊(yùn)藏著大量的煤層氣資源，怎樣在開(kāi)采煤炭資源的同時(shí)盡可能多的開(kāi)采煤層氣資源便是我國(guó)煤層氣資源的發(fā)展新方向。

【關(guān)鍵詞】準(zhǔn)東煤；煤層氣；開(kāi)采；吸附解吸；

【Abstract】Xinjiang Zhundong coalfield was identified as the storage of about 390 billion tons coal resources，the 220 kilometers border between East and West for Zhundong coalfield.For existing China's coal consumption， ZhunDong coalfield was used for one hundred.A large amount of coalbed methane resources were stored in the coal seam， clean and effective exploitation of Zhundong coal， meanwhile as much as possible of exploiting coalbed methane resources is the new directions in China.

【Key words】Zhundong coalfoeld；Coal methane；Exploition；Absorption desorption

0 引言

準(zhǔn)東煤礦是指準(zhǔn)噶爾盆地東部從阜康市到木壘哈薩克自治縣的一條狹長(zhǎng)礦區(qū)，準(zhǔn)東煤田成煤面積1.4萬(wàn)平方公里，已探明煤炭資源儲(chǔ)量2136億噸[1]。如此巨大的煤田也蘊(yùn)藏著豐富的煤層氣資源，煤層氣，是指存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層氣水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬于非常規(guī)天然氣[2]。我國(guó)煤層氣的資源儲(chǔ)量是38萬(wàn)億立方米，然而由于開(kāi)采技術(shù)及對(duì)煤層氣資源開(kāi)采的不重視，每年將近廢棄掉200億方煤層氣資源。因此針對(duì)準(zhǔn)東煤礦的煤層氣資源的合理開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行全方位的研究，才能得到更加經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采方法。本文從準(zhǔn)東煤礦地質(zhì)特性及煤層氣綜合開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀，分析哪種開(kāi)采技術(shù)更適用于準(zhǔn)東煤礦煤層氣開(kāi)采。

1 準(zhǔn)東煤礦煤層特性

為了更能將高效的煤層氣開(kāi)采技術(shù)準(zhǔn)確的應(yīng)用在準(zhǔn)東煤礦，應(yīng)首先對(duì)準(zhǔn)東煤礦的煤層特性進(jìn)行詳細(xì)了解，我國(guó)學(xué)者蘇國(guó)慶曾對(duì)新疆準(zhǔn)東煤礦煤質(zhì)特性進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，研究得出準(zhǔn)東煤種屬于中高水分、低灰分、特低硫分、中高揮發(fā)分以及中等熱值的煙煤。根據(jù)我國(guó)學(xué)者鮮學(xué)福對(duì)不同種類煤種富含煤層氣的含量估算，煙煤的煤層氣含量可高達(dá)35～40m3/t，無(wú)煙煤的煤層氣含量則可高達(dá)40～45m3/t，假設(shè)準(zhǔn)東煤礦都為煙煤，其噸含煤層氣氣體為35～40m3，總煤層氣儲(chǔ)量預(yù)計(jì)約為1.36～1.56萬(wàn)億m3。我國(guó)學(xué)者對(duì)準(zhǔn)東煤儲(chǔ)層進(jìn)行了相關(guān)研究，確定煤儲(chǔ)層一般具有孔隙壓力低、滲透性差、裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，鉆井液侵入易導(dǎo)致煤層污染，影響煤層氣的產(chǎn)量。儲(chǔ)量巨大，開(kāi)發(fā)難度大的準(zhǔn)東煤層氣資源需要進(jìn)行

2 煤層氣開(kāi)采技術(shù)及適用于準(zhǔn)東煤礦

2.1 二氧化碳驅(qū)氣開(kāi)采技術(shù)

目前最經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)采煤層氣的方式是利用二氧化碳或煙道氣驅(qū)替煤層甲烷氣體技術(shù)，這種開(kāi)采模式不但強(qiáng)化了甲烷氣的回收，同時(shí)還將大量二氧化碳封存于地下[3]。

圖1為常規(guī)二氧化碳?xì)怏w驅(qū)替煤層氣示意圖，這種方式的局限是需要將CO2氣源集中收集及儲(chǔ)運(yùn)較難。準(zhǔn)東煤礦狹長(zhǎng)，而單純利用二氧化碳?xì)怏w驅(qū)替很難實(shí)現(xiàn)全面開(kāi)采，需結(jié)合相應(yīng)的氣體排放產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行集中收集開(kāi)采。CO2注氣開(kāi)采，效果明顯，但氣源和經(jīng)濟(jì)性使其應(yīng)用范圍十分有限

2.2 水力壓裂開(kāi)采技術(shù)

圖2為水力壓裂技術(shù)原理圖，水力壓裂技術(shù)利用地面高壓泵，將大量化學(xué)物質(zhì)摻雜水、沙子、石子制成壓裂液，再灌進(jìn)巖石深處并壓裂巖石，最終將煤儲(chǔ)層壓力得到釋放，煤層氣通過(guò)孔隙、裂隙后而被抽取到地面上的儲(chǔ)存罐內(nèi)。

當(dāng)前，水力壓裂技術(shù)對(duì)煤層氣增產(chǎn)效果更為明顯。但針對(duì)于新疆準(zhǔn)東煤礦來(lái)說(shuō)，水資源短缺，應(yīng)用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采不但大幅度提高生產(chǎn)成本同時(shí)對(duì)地層傷害比較嚴(yán)重。

2.3 爆破致裂開(kāi)采技術(shù)

采用爆破致裂開(kāi)采煤層氣[4]，主要是使用炸藥在爆炸瞬間，產(chǎn)生的爆轟氣體引起的膨脹壓力造成巖體質(zhì)點(diǎn)形成極大的應(yīng)力場(chǎng)，巖體在應(yīng)力場(chǎng)的作用下產(chǎn)生較大的徑向位移，破壞原有的煤巖層結(jié)構(gòu)，致使煤巖體產(chǎn)生大量的孔隙、裂隙。利用爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆生氣體，在煤巖中產(chǎn)生大量裂隙，可有效提高煤礦煤層氣抽采率以及消除煤層氣突出的危險(xiǎn)。

由于準(zhǔn)東煤礦的多數(shù)煤種屬于褐煤，煤質(zhì)硬度介于2～2.5，松軟煤巖在爆裂過(guò)程中雖然能形成大量的孔隙、裂隙，但是正由于過(guò)度松軟，爆破過(guò)程產(chǎn)生的微小顆粒易造成煤層氣運(yùn)輸通道阻塞，降低開(kāi)采效率。

2.4 注熱開(kāi)采技術(shù)

煤層氣在煤層孔隙中主要以吸附狀態(tài)存在，通過(guò)向煤層注入高溫水蒸汽體[5]，煤層溫度隨之增加，注熱開(kāi)采過(guò)程中，煤層氣分子吸收熱量，分子內(nèi)能增加，熱運(yùn)動(dòng)活性增強(qiáng)，促使煤層氣分子從煤基質(zhì)表面脫附解吸出來(lái)，隨著注熱溫度的增加，煤巖體在集中熱應(yīng)力及已解吸的煤層氣分子膨脹應(yīng)力作用下產(chǎn)生更大的孔隙、裂隙，提高煤巖體的滲透率。

針對(duì)于新疆準(zhǔn)東煤礦，在利用注熱開(kāi)采煤層氣不僅需要較多熱量的投入，同時(shí)還需要大量的水資源，同時(shí)在注入汽體后容易形成汽封現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率。

2.5 聲震法開(kāi)采煤層氣技術(shù)

聲震法是通過(guò)向煤儲(chǔ)層內(nèi)施加超聲波[6]，超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用使煤層氣分子在擺脫煤巖體對(duì)其的束縛，同時(shí)超聲波使煤體吸收的聲能轉(zhuǎn)化為熱能，煤體質(zhì)點(diǎn)溫度升高，使甲烷氣與煤表面分子間的吸附作用減弱，從而促進(jìn)煤體中甲烷氣的解吸并擴(kuò)散。

在超聲波的作用下，煤巖體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，促使煤巖體產(chǎn)生新的孔隙-裂隙網(wǎng)，增大煤層氣傳輸通道，煤巖骨架和其中的流體也產(chǎn)生振動(dòng)，使流體-固體界面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減弱氣體和煤巖的附著力，增加煤層氣產(chǎn)量。

單純的一種開(kāi)采技術(shù)并不能完全適用于準(zhǔn)東煤礦煤層氣的開(kāi)采，可通過(guò)開(kāi)采技術(shù)的組合，將適用準(zhǔn)東煤礦不同煤層的煤層氣的抽采。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)準(zhǔn)東煤層物理特性的分析并對(duì)不同煤層氣開(kāi)發(fā)方式的介紹，可綜合選用不同開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行配合使用來(lái)高效開(kāi)采準(zhǔn)東煤層的煤層氣資源。準(zhǔn)東煤層氣的高效開(kāi)發(fā)，對(duì)于緩解我國(guó)西部清潔能源的緊張局勢(shì)、減輕大氣污染，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

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