大佛寺煤礦煤層氣開(kāi)采現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用

李昔遙，祖近軒，張治倉(cāng)，高 峰，劉 樂(lè)

（陜西新泰能源有限公司，陜西 彬州 713500）

大佛寺煤礦屬于高瓦斯煤礦，煤礦采掘前，可采用地面鉆采和井下瓦斯抽放兩種方法抽采煤層氣，礦井中瓦斯量可減少70%～85%。大佛寺煤礦煤層氣資源豐富，煤層厚度差很大，通透性好，已具備地面鉆采的良好條件，適合采用多分支水平井技術(shù)。當(dāng)前，煤礦企業(yè)要積極響應(yīng)國(guó)家政策，降低礦井瓦斯含量，提高煤礦安全生產(chǎn)系數(shù)，同時(shí)大力開(kāi)發(fā)煤層氣資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的共贏。

1 大佛寺煤礦煤層氣賦存情況

大佛寺煤礦位于陜西省彬州市，主要開(kāi)采4 號(hào)煤層，煤層厚度為7.50 ～9.00 m，其屬于特厚煤層。煤層構(gòu)造單一，煤質(zhì)較好，各煤層都是低熱變質(zhì)煙煤層。4 號(hào)煤層的平均熱值為24.49 ～24.87 MJ/kg，為中高熱導(dǎo)率煤層。大佛寺煤礦煤層氣儲(chǔ)量達(dá) 51.96 億m，4 號(hào)煤層的可開(kāi)采資源量為39.77 億m，其為中型煤層氣田。4 號(hào)煤層瓦斯?jié)舛茸罡咧禐?7.13 m/t，煤礦絕對(duì)瓦斯涌出量為155.49 m/min，煤礦瓦斯主要來(lái)自采掘作業(yè)面、采空區(qū)底板和頂煤層。

2 試驗(yàn)分析

2.1 煤質(zhì)分析和原煤紅外譜圖

煤質(zhì)分析結(jié)果如表1 所示?；诟盗⑷~變換紅外吸收光譜儀（FTIR）對(duì)煤樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1 所示。羰基和醚氧鍵之間的氣體吸收譜帶分布在1 600 ～1 900 cm和1 000 cm的附近區(qū)域。這些充氧官能團(tuán)對(duì)煤炭氧化過(guò)程的氣體產(chǎn)物排放有重要影響，所以它是煤炭氧化過(guò)程的主要活性基團(tuán)。甲基、亞甲基在煤分子中都是相當(dāng)活潑的基團(tuán)，尤其亞甲基在氧化過(guò)程中很容易進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，首先轉(zhuǎn)化成甲基，然后隨著溫度的升高變?yōu)橛袡C(jī)氣體，煤樣的C=C 基團(tuán)較為穩(wěn)定，其不容易在低溫下氧化。

表1 煤質(zhì)分析結(jié)果

圖1 不粘煤原煤紅外譜圖

2.2 煤層孔隙特征

下面在4 號(hào)煤層選取4 個(gè)點(diǎn)位測(cè)定煤層孔隙度。經(jīng)測(cè)定，其分別為2.79%、5.33%、7.06%和3.72%。測(cè)定結(jié)果表明，煤巖孔隙度一般小于10%，而4 號(hào)煤層的平均空隙度為4.725%。

2.3 煤層滲透性

4 號(hào)煤層的滲透率保持在0.04 ～45.1×10μm，平均滲透率為8.58×10μm，數(shù)值較大。煤樣滲透率和孔隙度范圍較寬，非均質(zhì)性強(qiáng)。煤層滲透率與孔隙度成正相關(guān)，線性關(guān)系較好。

2.4 原煤對(duì)瓦斯的吸附特征

下面采用瓦斯吸附解吸裝置，分析不粘煤對(duì)瓦斯的吸附能力。溫度30 ℃、不同壓力的條件下，不粘煤對(duì)瓦斯的吸附量變化規(guī)律如圖2 所示。隨著氣壓增加，瓦斯吸附量逐步上升。氣壓升至一定值后，瓦斯吸附量趨于平穩(wěn)，表明原煤對(duì)瓦斯的吸附達(dá)到飽和。瓦斯吸附初期，煤體表面與瓦斯分子間的吸引力占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致吸附表面分子難以脫附。在抽采過(guò)程中，最大化解吸瓦斯是增產(chǎn)關(guān)鍵。

圖2 不粘煤對(duì)瓦斯的等溫吸附曲線

3 煤層氣開(kāi)采技術(shù)

3.1 煤層氣布井方式

地面抽采井主要有4 種，即直井、V 形井、U 形井和多分支水平井。實(shí)踐證明，多分支水平井在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)良好，其由4 個(gè)分支、1 個(gè)主支和1 個(gè)采氣直井組成。首先鉆1 口直井，直井井口距水平支井井口約250 m，在4 號(hào)煤層下入一根直徑約 8 m 的玻璃鋼套管，完成主井鉆進(jìn)后，起鉆至工程設(shè)計(jì)第一分支點(diǎn)，然后進(jìn)行側(cè)鉆，直至完成分枝井眼施工。

3.2 煤層氣抽采及壓縮

煤層氣采用排水抽采方式，排水貫穿始終。經(jīng)過(guò)過(guò)濾和流量計(jì)計(jì)量，分水器出氣進(jìn)入氣體采集管網(wǎng)，經(jīng)水表計(jì)量后排至蓄水池。增壓洗滌后，煤層氣需要再次增壓。先將原氣運(yùn)輸至集氣管理站，再通過(guò)分離器篩除雜物和游離水，然后增壓空冷，將其運(yùn)輸至精密過(guò)濾器，除去剩余煤粉，最后洗滌，將其通入加壓機(jī)，完成煤層氣加壓。

3.3 煤層氣集輸

2018年，將井田內(nèi)未接入生產(chǎn)管網(wǎng)的孤立煤層氣井進(jìn)行集輸，建設(shè)21 km 集輸管網(wǎng)，連接井場(chǎng)29座。以發(fā)電廠為中心，其分為東西2 條干線，東線長(zhǎng) 4.73 km，西線長(zhǎng)16.27 km，廠內(nèi)連接鋼管296 m、放散管250 m、閥井19 座、分水器7 座，對(duì)抽采煤層氣加以輸送。

3.4 煤層氣銷售

2021年，煤層氣抽采工作井已有23 口，目前以直井為主，輔助使用U 形井和多分支水平井，日均抽采量約為4.9 萬(wàn)m/d，全年抽采量約為1 725 萬(wàn)m。煤層氣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)民用和商用，其日均用氣量為32 600 m。 經(jīng)煤層氣開(kāi)采敏感性分析，大佛寺煤礦煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值（NPV）與氣價(jià)、產(chǎn)氣量和開(kāi)發(fā)投資成正相關(guān)，與經(jīng)營(yíng)成本成負(fù)相關(guān)，其均為線性關(guān)系。從相關(guān)性大小來(lái)看，各因子的排序?yàn)椋簹鈨r(jià)＞產(chǎn)氣量＞開(kāi)發(fā)投資＞經(jīng)營(yíng)成本。煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值對(duì)氣價(jià)和產(chǎn)氣量的變化最為敏感，其次才是開(kāi)發(fā)投資和經(jīng)營(yíng)成本。如果氣價(jià)下降幅度達(dá)到10%，產(chǎn)氣量下降幅度達(dá)到15%，項(xiàng)目的凈現(xiàn)值就會(huì)小于0 元。該項(xiàng)目投入資金較大且融資期較長(zhǎng)，從敏感性分析來(lái)看，該項(xiàng)目已具備抗風(fēng)險(xiǎn)能力，在目前國(guó)家調(diào)整天然氣價(jià)格的形勢(shì)下，要采取積極措施，穩(wěn)定并提高煤層氣抽采量。

4 煤層氣抽采改進(jìn)措施

煤層氣抽采鉆井和集輸成本高，有必要采取改進(jìn)措施，促進(jìn)煤層氣抽采的發(fā)展。當(dāng)前，要加大政府補(bǔ)貼，引導(dǎo)企業(yè)深入研究煤層氣勘探技術(shù)，準(zhǔn)確定位煤層氣聚集處，為鉆井抽采打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；加強(qiáng)煤層氣解吸研究，利用注氣增產(chǎn)、注熱增產(chǎn)和多分支水平井等技術(shù)，提高煤層氣解吸速率和解吸量；擴(kuò)大煤層氣的使用渠道，充分利用清潔資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

大佛寺煤礦應(yīng)因地制宜，合理運(yùn)用多種技術(shù)，增加瓦斯解吸量，實(shí)現(xiàn)煤層氣抽采最大化。采氣就地利用，余氣外輸，逐漸擴(kuò)寬商業(yè)利用渠道，實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化。煤層氣綜合利用不僅可以滿足當(dāng)下清潔能源政策要求，提升煤礦安全生產(chǎn)水平，而且可以為企業(yè)創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的最大化。