煤層氣作為一種高效、清潔的非常規(guī)天然氣資源,主要成分是甲烷,煤層氣儲(chǔ)層單位體積儲(chǔ)氣能力可達(dá)常規(guī)氣藏的6至7倍,其開發(fā)利用對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、減少溫室氣體排放以及促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[-3]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量約37.44萬億立方米,其中埋深2000米以淺資源量約30萬億立方米,可采資源量12.5萬億立方米。貴州省含煤面積占全省面積的 40% 左右,是中國(guó)南方各省中煤炭和煤層氣資源最豐富的省份[4-5]。貴州省煤層氣地質(zhì)資源量約3.15萬億立方米,約占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量的 10% ,位居全國(guó)第 3[6] 。貴州省煤層含氣量高、資源豐度高、儲(chǔ)層壓力及地應(yīng)力高[7-10],但煤層滲透性變化大,地質(zhì)條件垂向變化大,儲(chǔ)層改造不利[]
桐梓縣煤炭資源富饒,主要以無煙煤為主,已探明的儲(chǔ)量達(dá)42.2億噸,是全國(guó)100個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)煤縣之一。這一豐富的煤炭資源預(yù)示著巨大的煤層氣潛力。深入分析桐梓縣的煤層氣抽采技術(shù)及利用前景,將有助于充分利用這一資源優(yōu)勢(shì),促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改善。
1.桐梓縣煤層氣資源概況
1.1儲(chǔ)量情況
桐梓縣煤層氣資源十分豐富,參考《貴州省煤層氣資源潛力預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)》(2012年),利用體積法計(jì)算得到桐梓縣2000米以淺煤層氣地質(zhì)資源量為954.35億立方米,1000米以淺地質(zhì)資源量為647.57億立方米,占比67.85% ,可采資源量為334.02億立方米,1000米以淺可采資源量為226.65億立方米,占比 67.85% ,資源量主要集中于周市壩、新站-官店、后井坪復(fù)向斜等構(gòu)造單元中,除箐壩向斜外,其他向斜的地質(zhì)資源豐度均較高,最高達(dá)1.24億立方米/平方千米,可采資源平均豐度為0.35立方米/平方千米。桐梓縣煤層氣具有資源豐度較大、分布集中、開發(fā)潛力好的特點(diǎn),具有廣闊的煤層氣開發(fā)利用前景。
1.2分布特征
桐梓縣煤層氣分布與煤炭資源分布緊密相關(guān)。在空間上,主要集中于周市壩、新站-官店、后井坪復(fù)向斜等構(gòu)造單元中。從地層分布角度,多分布于特定的含煤地層中,且煤層氣的分布在垂直方向和水平方向上均存在差異。垂直方向上,隨著煤層埋深增加,煤層氣含量和壓力呈現(xiàn)一定變化規(guī)律,一般在適當(dāng)埋深范圍內(nèi),煤層氣含量相對(duì)較高。水平方向上,受地質(zhì)構(gòu)造影響,在背斜、向斜等不同構(gòu)造部位,煤層氣的富集程度有所不同,通常在構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、煤層連續(xù)性好的區(qū)域,煤層氣更易于富集。
2.煤層氣抽采技術(shù)
2.1地面鉆井抽采技術(shù)
垂直井抽采:其原理是通過垂直鉆井穿透煤層,利用排水降壓等方式,使煤層中的吸附態(tài)甲烷解吸并轉(zhuǎn)化為游離態(tài),進(jìn)而通過井筒抽出(圖1)。垂直井施工相對(duì)簡(jiǎn)單,成本在一定程度上可控。但垂直井對(duì)煤層的控制范圍有限,對(duì)于一些薄煤層或煤層橫向變化較大的區(qū)域,抽采效果可能不佳。
水平井抽采:水平井在煤層中鉆進(jìn)水平段,能夠極大地增加井筒與煤層的接觸面積(圖2)。在桐梓縣部分煤層厚度適中、連續(xù)性較好的區(qū)域,水平井展現(xiàn)出良好的抽采潛力。水平井可以有效溝通煤層中的天然裂隙,提高煤層氣的導(dǎo)流能力,但其施工技術(shù)要求高,成本也相對(duì)較高,需要精準(zhǔn)的地質(zhì)導(dǎo)向和先進(jìn)的鉆井設(shè)備。
2.2并下抽采技術(shù)
本煤層抽采:在開采煤層內(nèi)施工鉆孔,直接抽采煤層中的瓦斯(煤層氣)。常見的方式有順層鉆孔抽采和穿層鉆孔抽采(圖3、圖4)。順層鉆孔沿煤層走向施工,對(duì)于煤層賦存穩(wěn)定、透氣性較好的區(qū)域效果良好。穿層鉆孔則是從煤層頂?shù)装鍘r石中向煤層施工鉆孔,適用于煤層透氣性較差、煤層不穩(wěn)定的情況,能夠擴(kuò)大抽采范圍,但鉆孔施工難度較大,且容易受到巖石層條件的影響。
鄰近層抽采:桐梓縣部分礦區(qū)存在多煤層開采情況,鄰近層抽采技術(shù)在這些區(qū)域得以應(yīng)用。當(dāng)開采某一煤層時(shí),其鄰近煤層由于受采動(dòng)影響,瓦斯會(huì)向開采煤層的采空區(qū)運(yùn)移。通過在鄰近層施工鉆孔,可以將這些瓦斯抽出。比如在花秋二礦的多煤層開采區(qū)域,在開采6#煤層時(shí),對(duì)其上部和下部的鄰近煤層布置鉆孔進(jìn)行抽采,不僅減少了采空區(qū)的瓦斯積聚,還獲得了一定量的煤層氣資源。鄰近層抽采需要準(zhǔn)確掌握煤層之間的距離、層間巖石特性以及采動(dòng)影響范圍等參數(shù),以確保抽采效果。
采空區(qū)抽采:采空區(qū)由于煤炭采出,空間增大,瓦斯得以積聚。采空區(qū)抽采方式多樣,如埋管抽采(圖5),即在采空區(qū)邊緣埋設(shè)抽采管路,利用負(fù)壓將采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽出;高位鉆孔抽采從煤層頂板上方施工高位鉆孔至采空區(qū),抽取其中的高濃度瓦斯。
3.煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用現(xiàn)狀及前景
3.1煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀
3.1.1煤炭資源勘查現(xiàn)狀
桐梓縣煤炭勘查程度高。貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心等單位開展了大面積煤炭地質(zhì)普查、詳查、勘探及1/1萬地質(zhì)測(cè)量,為煤炭開發(fā)及煤層氣勘探開發(fā)提供詳實(shí)資料。周市壩向斜勘探程度最高,新站-官店向斜次之,后井坪復(fù)向斜及箐壩向斜居后。近年來,該中心在桐梓縣開展了大量煤勘工作,積累了豐富的地質(zhì)與測(cè)試化驗(yàn)資料,主要涉及清和、強(qiáng)博、南埡、魯黔、興隆等煤礦。共鉆井50余口;設(shè)計(jì)鉆孔瓦斯樣80件,已送24件。同時(shí),其他單位也開展了大量的地質(zhì)工作,借助資料共享優(yōu)勢(shì),為煤層氣開發(fā)利用規(guī)劃提供可靠保障。
3.1.2煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀
桐梓獅溪區(qū)塊煤層氣勘查項(xiàng)目完成滿覆蓋三維地震勘查,查明地質(zhì)構(gòu)造與目的層分布特征,落實(shí)目的層關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù),評(píng)價(jià)井獲單井日產(chǎn)工業(yè)氣流,集輸站管道工程完工。此外,花秋二礦、永順煤礦、道角煤礦、仙巖煤礦正實(shí)施地面瓦斯抽采。
3.2煤層氣(煤礦瓦斯)利用情況及前景分析
桐梓縣的煤礦瓦斯目前均用于發(fā)電。已建成瓦斯發(fā)電站8處,包括花秋二礦、眾源煤礦等;在建瓦斯發(fā)電站3處,包括洋巖煤礦等。
預(yù)計(jì)到2030年,桐梓縣的天然氣需求總量為3.47億立方米,其中,居民用氣6424萬立方米/年,工業(yè)企業(yè)用氣12150萬立方米,公共基礎(chǔ)建筑和商業(yè)企業(yè)用氣超10000萬立方米,車用燃料用氣6105萬立方米/年。后期,高濃度煤礦瓦斯可引導(dǎo)用于白酒園區(qū)、民用、CNG和LNG等項(xiàng)目,利用前景廣闊。
4.1結(jié)論
4.結(jié)論與建議
桐梓縣煤層氣資源具備一定儲(chǔ)量和開發(fā)潛力,常用的地面鉆井抽采和井下抽采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定成果,但面臨地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層滲透率低、抽采成本較高等挑戰(zhàn)。在利用方面,自前已在瓦斯發(fā)電、工業(yè)燃料和居民生活燃料等領(lǐng)域有一定應(yīng)用,但成本與效益平衡問題和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善制約了利用規(guī)模的擴(kuò)大。從前景來看,資源基礎(chǔ)、政策支持和市場(chǎng)需求為桐梓縣煤層氣利用提供了良好機(jī)遇。
4.2建議
4.2.1加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新
針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和低滲透率煤層的問題,加大技術(shù)研發(fā)投入,鼓勵(lì)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作。在鉆井技術(shù)上,研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的工藝和設(shè)備,提高鉆井成功率和效率。在增產(chǎn)技術(shù)上,探索適合桐梓縣煤層特點(diǎn)的壓裂技術(shù),如高效壓裂液體系和裂縫擴(kuò)展控制技術(shù),提升煤層氣導(dǎo)流能力。
4.2.2拓展市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域
積極拓展煤層氣的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,除了發(fā)電、工業(yè)燃料和居民生活燃料外,還要探索交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。建設(shè)煤層氣加氣站,推廣煤層氣燃料車輛;利用煤層氣進(jìn)行溫室供暖和農(nóng)產(chǎn)品烘干。通過拓展市場(chǎng),提高利用規(guī)模,降低成本,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
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