煤层气变压吸附技术的应用及研究.doc

煤层气变压吸附技术变压吸附技术在煤层气开发中的应用探讨唐晓东1 孟英峰摘 要 本文简单介绍了变压吸附(psa)技术的原理、特点、用途和国内外开发现状。针对我国煤层气开发的特殊性，提出了将psa技术用于煤层气水平钻井，提高压力封闭低渗透煤层中煤层气采收率，以及煤层气净化、轻烃回收和贮运的技术思路。进一步分析表明，在煤层气开发中应用psa技术具有技术先进和经济优势。最后得出了psa技术在我国煤层气开发中推广应用的几点建议1西南石油学院化工系，讲师，637001四川省南充市1 引言 我国有着极为丰富的煤层气资源，据估算，埋深2000m以浅的煤层气资源量达3035万亿m3，以可采系数50%折算，其可采资源量为15175万亿m3，相当于13191539亿t原油，按现有原油开采速度，可供我国开采100年以上。因此，我国煤层气开发前景巨大。目前，制约我国煤层气开发的主要问题是技术问题，例如煤层渗透率低、单井产量低和不能形成工业生产规模等，这使得我国不能照搬美国开发煤层气的成功经验，必须研究适合我国煤层气工业发展的技术。本文正是针对我国煤层气开发的特殊性，提出将psa技术用于煤层气水平钻井，提高煤层气采收率，煤层气净化、轻烃回收和贮运，以促进我国煤层气工业的技术进步。2 psa技术简介 psa技术是60年代发展起来的一种气体分离技术，它是以固定床吸附，在连续改变体系平衡的热力学参数(压力)下，使吸附和解吸再生循环进行，既具有固定床吸附的优点，又是一种循环过程。它广泛用于石油、天然气、化工的气体分离工业，例如h2、o2、n2、he和ar等气体，以及ch4、c2h4、c2h2、ncnh2n+2、h2o、co2和co等组分的分离、回收和精制。到1986年国内外已有500余套大型psa装置在运转，最大处理能力已达到10万m3/h。psa分离过程的优点为： (1)产品纯度高，例如可获得纯度为99999%的纯氢； (2)在室温和低压(005300mpa)下操作，不需外加热源，设备简单； (3)可单级操作，原料气中的几种组分可在单组中脱除，原料气中的水分和co2等不需要预处理； (4)吸附剂寿命长，对原料气质量要求不高，装置操作容易，操作弹性大； (5)自动化程度高，操作费用低，节能降耗显著。 我国psa技术的研究始于70年代初，由西南化工研究院率先开发psa技术，至今已在 内外开发350余套psa装置，涉及九个方面的应用。表1列出了该院开发的可用于煤层气开发的部分psa技术。3 psa技术在煤层气开发中的应用31 psa技术在煤层气钻井中的应用 针对我国煤层气储层属于低渗透、压力封闭型。亦有人提出在大规模开发煤层气时采用水平井技术。水平井的主要优点是垂直于煤体的最大渗透方向，可增加煤层气的产量。但是，在钻水平井时必须考虑钻井液对煤层的污染问题，否则将得不偿失，在油气行业已经出现过钻井液严重污染油气层而导表1 可用于煤层气开发的psa技术装 置 psa-n2 psa-co2/r psa-c+2/r psa-ch4原 料 气 空 气 各种含co2混合气 天然气 煤矿瓦斯处理量(m3/h) 306000 150050000 20010000 50020000净化气纯度(%v) n299 co202 c+2100ppm c1：5095操作温度 常 温 常 温 常 温 常 温操作压力(mpa) 03 0720 0308 0408在煤层气开发中的应用 煤层气钻井，提高煤层气采收率 提高煤层气采收率，煤层气净化 煤层气净化，轻烃回收 煤层气净化致油气井报废的教训。因此，为防止煤层污染，可采用空气钻井技术。 空气钻井是用空气作循环介质的一种低压钻井技术，与钻井液钻井比较，它具有成本低，机械钻速提高34倍，钻头寿命长，能有效开发低压低渗透储集层和很好地保护储层等优点。但空气钻井存在着难以克服的危险性，钻遇煤层时可能发生井底着火。煤层气和压缩空气的混合物引起井底着火能熔化钻头、钻铤、钻杆和其它井底工具，造成事故。因此，为防止空气钻井的危害，可采用空气雾化钻井和天然气钻井。空气雾化钻井减少了井底着火的可能性，但又增加了发泡剂、防腐剂和水等的费用，缩短了钻头寿命，降低了钻进速度。用天然气钻煤层气井可避免井底着火，但不经济，且存在气源和安全问题。 目前，美国、加拿大已将一种空心纤维聚合物薄膜装在专为油田设计的橇装氮气生产设备(npu)上，生产的氮气用于水平钻井、垂直井和负压钻井，比用空气雾化钻井和天然气钻井的成本低得多，完全克服了钻井液钻井、空气雾化钻井和天然气钻井的缺点。当采用移动式psn2装置制氮用于煤层气水平井钻井时，其成本仅为天然气的1/8和空气深冷法制氮的1/2。 此外，psan2装置用于煤层气水平井钻井时，还副产了含氧量40%的富氧空气，将其供给钻井用柴油机，可使柴油在气缸内进行富氧燃烧，以提高柴油机功率、降低油耗和co、hc与碳烟等有害物质的排放，从而改善钻井所用柴油机的性能，提高机械钻速，降低钻井成本。例如，四冲程非增压柴油机和四冲程涡轮增压柴油机使用35%的富氧空气，二者指示功率增加51%，机械效益分别提高6144%、3785%，油耗下降56126%、3678%。32 psa技术在提高煤层气采收率中的应用 我国的煤层气储层属于压力封闭型，煤层渗透率低，这使得煤层气在煤孔隙中解吸和流动的 阻力远大于水力封闭型的煤层气储层。为了提高我国煤层气的采收率，可采用注入增产法(ecbm)，这是amoco公司开发的一项提高煤层气采收率新技术。ecbm将n2、co2和烟道气注入煤层，降低甲烷在煤孔隙中的分压，有利于ch4从煤基质中解吸；对煤具有比ch4更大亲合力的注入气体(如co2)，会导致ch4的置换解吸作用(即竞争吸附作用)；注入气体还增加了煤层气向气井流动的推动力(压力能)，有利于压力封闭型煤层气克服在低渗透煤层中的流动阻力。amoco公司在室内进行的注n2试验，已获得100%的ch4采收率；在圣胡安盆地西北部采用5点井网进行的注n2试验，亦可使煤层气产量提高3倍。这表明ecbm提高了产层能量，加速了煤层气的解吸和运移，从而提高了煤层气采收率。 使用ecbm开采煤层气，必须拥有充足的n2、co2或烟道气。n2可从空气中获取，可作为co2资源的气源较多(见表2)，但部分co2气源需经浓缩和净化才能用于ecbm。回收co2的常用方法是溶剂吸收法，如catacarb法、benfield法、gv法、mea法、adip法、fluor法等，它们存在的问题是：工艺流程长，设备复杂，能耗高和许多吸收溶剂对设备有腐蚀。当采用psa技术从各种富含co2的气源中回收co2时，其节能降耗显著，可完全克服溶剂法的缺点。例如，psa法替代benfield法、mea法、低温甲醇法、常温甲醇法、fluor法和selexol法脱碳，其综合能耗仅各为原来的42%、47%、72%、2%、47%和401%。表2 各种co2气源及其含量 co2气源 co2%石油溶解气 微量90天然气 580天然co2气井 80995烟道气 1016合成氨工业 9899石油化工过程 9899 用于ecbm的各种气源成本比较见表3。表3表明，采用注n2技术提高煤层气采收率的成本最低，其中psa法制n2的成本仅为深冷法的一半，其经济生产能力国外已达到120万m3/d。因此，psa-n2装置用于煤层气注n开发是完全可行的。但是，采用ecbm法，虽然提高煤层气采收率，但也增加了采出煤层气中n2、co2的含量，因此必须脱除才能满足管输和用户要求。表3 用于ecbm的各种气源成本比较 气 源 成本(相对值)n2(psa法) 10n2(深冷法) 20co2 2060烟道气 406033 psa技术在煤层气净化中的应用 当煤层气中含co2和水时，一般采用溶剂吸收法脱碳和脱水，以及固体吸附法(变温吸附tsa)脱水。溶剂法脱碳见前述。目前可用于煤层气脱水的主要方法有：teg法、deg法、分子筛法(tsa)和cacl2水溶液法，它们不同程度存在投资和操作费用高、间歇操作和有废液排放等问题，采用psa法脱水可消除这些不足。事实上，psa法可同时脱除煤层气中的co2和水。采用psach4、psac+2/r、psaco2/r装置净化煤层气，优于深冷法脱氮和溶剂吸收法脱碳。脱除的n2、co2回注煤层，可降低ecbm的生产成本。 当煤层气中同时含有h2s、co2和水时，可在psa法脱碳操作装置前增加一套脱硫装置，考虑到我国煤层渗透率低和单井产量低，以采用固体脱硫剂(sda)装置为好。这种脱硫剂可选择性地脱除h2s、rsh，工艺设备简单，不需公用设施，一次性使用，硫容量可达12%左右，脱除1kgh2s需耗费用50元；脱硫后的废脱硫剂不需任何处理，可直接弃于旷野、农田，对环境无害，可促进植物生长；它适用于h2s含量在015g/m3范围的原料气，装置处理量以小于10万m3/d为宜，对低含硫天然气脱硫是一种有效的方法。最近，四川泸州天然气研究所已研制出了ct84、ct84a、ct84b三种常温氧化铁脱硫剂，它们在活性、硫容量和脱硫剂费用方面明显优于sulfatreat脱硫剂。因此，采用sda法和psa法净化煤层气完全可行。34 psa技术在回收煤层气轻烃中的应用 在我国相当多的煤层中，含有丰富的c+3资源。例如(于良臣等，1981年)，北票矿区的焦肥煤中c+3含量为00983557%(v)，四川中梁山、天府、南桐等瘦焦煤矿区中c+3含量为0058318%(v)，湖南里王庙无烟煤矿区的坦家冲井田6号煤层中c28的平均浓度为4814%(v)。而在四川中坝气田的须二天然气中c+3组份仅为27%(v)对其进行轻烃回收还具有相当好的经济效益。所以，从煤层气中回收轻烃具有较高的经济价值。 目前，透平膨胀致冷回收轻烃是天然气深加工的主要方法，将其直接用于回收煤层气中的c+3组份，须脱除煤层气中7095%的c1+c2，是极不经济的。若采用psa-c+3/r装置脱除煤层气中的c1+c2，不仅能降低投资和操作费用，而且可大幅度提高装置的生产能力。 psa法用于回收煤层气中的轻烃有两种工艺路线，原理流程如图1和图2所示。在图1中煤层气依次进入sda和psa-co2/t(或psa-ch4)装置脱硫、脱碳和脱水(采用ecbm开采煤层气时，还包括脱氮)，然后进入psa-c+2/r装置除去c1+c2，最后采用传统轻烃回收工艺回收液化石油气(lpg)和轻油，从而提高了装置的处理量。例如，某煤层气(组成见表4)经净化后进入psa-c+2/r装置除去c1、c2(c1、c2脱除率按90%计)，可使煤层气中c+3含量从1633%上升到6685%，将装置处理量提高3倍多。图2所示的原理流程与图1的不同之处是用压缩机和分离器替代传统轻烃回收装置，简化了工艺流程，降低了设备投资。图1 psa系统+传统转烃回收工艺的原理流程1：sda；2：psa-co/r(或psa-ch4)；3：psa-c/r：4：传统轻烃回收工艺。图2 psa法用于轻烃回收的原理流程1：sda；2：psa-co/r(或psa-ch4)；3：psa-c/r：4：压缩机；5：一级分离器；6：二级分离器表4 psa-c+2/r装置进、出口气的组成(%)组份 c1 c2 c3+c4 c1+c5 n2 h2s co2煤层气 7482 510 1279 354 010 003 362进口 7768 529 1326 367 010 0 0出口 3068 209 5235 1450 038 0 035 psa技术在煤层气贮运中的应用 大规模的煤层气开发可采用管线输送煤层气，但对于单井产量低、气井远离输气系统和就地无用户的小规模煤层气开发，则不宜采用常规天然气管输和液化作为贮运手段。 近年来，继压缩天然气(cng)、液化天然气(lng)作为汽车燃料之后，一种新的天然气贮存方式吸附天然气(ang)用于开汽车已逐渐受到人们的重视。ang技术系在贮罐中装入高比表面的天然气专用吸附剂，利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结构(孔径30)，在常温、低压(3060mpa)下将天然气吸附贮存的技术。ang与lng比较，具有投资低、无蒸发损失等优点；与cng比较，其投资和操作费用降低50%，贮罐形状和用材选择余地大，质量轻，压力低，使用方便，安全可靠。ang技术在国内已由石油大学开发成功。因此，小规模的煤层气开发，可采用ang作为煤层气的贮运手段。 但是，ang用于贮运煤层气时，c+3组份的存在会抑制吸附剂对ch4的吸附能力，应在充装前除去。采用psa-c+2/r装置净化煤层气，可以保证煤层气纯度满足ang的要求。若将比净化过程与轻烃回收工艺结合，不仅能同时降低ang原料气净化费用和轻烃回收的操作费用，还可提高传统轻烃回收装置的处理能力，原理流程如图3所示的的流图3 psa法用于ang原料气净化和轻烃回收的原理流程1sda； 2psa-co2/r9或psa-ch4)； 3psa-c+3/r； 4压缩机5ang 6传统轻烃回收装置； 7一级分离器； 8二级分离器。程一和流程二。流程一表明，煤层气依次经sda、psa-co2/r装置，除去h2s、co2和水份等杂质，净化气再经psa-c+3/r装置分离得干气(c1+c2)和富含c+3组份的解吸气。干气经单级压缩机压缩至60mpa，充入内装吸附剂的钢瓶贮存，即制得ang，由汽车运输ang钢瓶至用户，可直接用于开汽车或家用。富含c+3组份的解吸气经传统轻烃回收装置分离处理，可得到lpg和轻油；lpg可作为家用燃料和汽车燃料，轻油可作为汽油的调合组份或生产30号、60号和120号溶剂油。流程二不同于流程一之处是：从psa-c+2/r出来的富含c+3组份的解吸气经压缩机加压后，再经一级分离器脱除残余c1+c2，最后经二级分离器获得lpg和轻油。4 结束语 我国煤层气工业的进展，取决于适合我国煤层气开发特点的技术进步。本文正是针对我国煤层气开发的特殊性，提出了将psa技术用于煤层气水平井钻井，与ecbm结合提高压力封闭低渗透煤层中煤层气的采收率，以及用于煤层气净化 轻烃回收和贮运的观点。进一步分析表明，psa这一成熟的化工分离技术与石油、天然气开发技术相结合，在煤层气开发中具有广阔的应用前景。它具有技术先进和经济优势，但要投入实际运用，笔者认为还应做三个方面的工作。首先，对国内现有的psa技术在煤层气开发中的应用应做深入的技术和经济论证。其次，煤炭、油气和化工行业应加强合作，对技术成熟的psa-n2、psa-co2/r、psa-ch4和psa-c+2/r等技术用于煤层气开发，进行整体技术的配套研究。最后，应开发不同规模处理量的psa-n2、psa-co2/r、psa-ch4和psa-c+2/r等装置，以满足煤层气开发的需要。地矿部华北石油地质局对外合作勘探开发煤层气项目简表 合作区 合作期限 预计勘探费用 投资方式联合国计划开发署(undp) 山西柳林 3年 130万美元 对华援助澳大利亚路伟尔公司 山西柳林 30年 380万美元 中外合资美国安然公司 山西永和 30年 750万美元 中外合资美国阿莫科公司 山西大宁 30年 1000万美元 中外合资 (摘自华北油气勘查开发总公司规划设计研究院“煤层气特刊”1995.no5)一些国家煤层气开发动态1 澳大利亚 澳大利亚是目前世界上开发和利用煤层气最活跃和成功的国家之一。现煤层气勘探和开发活动仅位于昆士兰州和新南威尔士州。目前在新南威尔士州进行煤层气勘探的公司，主要有amoco澳大利亚石油公司、太平洋电力公司(pacific power)、澳大利亚煤层气集团有限公司(australian coalbed methane pty ltd)和澳大利亚bhp集团有限公司。 在昆士兰州进行煤层气勘探与开发的公司有conoco澳大利亚集团有限公司，1995年7月和8月钻进了三口试井；安然(enron)澳大利亚集团有限公司，主要在加里里盆地进行煤层气开发，1995年7月钻进了两口井进行生产试验；三星公司(tristar)1994年8月以来钻进了15口井在鲍恩盆地中，其中13口井是洞穴完井，fairview no6井每天气产量23mft3(65万m3)，fairview no4井每天气体产量为28万m3；cra勘探集团公司(cra exploration pty ltd)，1995年3月完成了一口钻井，气体日产量达7万m3，在1995年8月23日完成的peat孔，孔深985m，产气量每日365万m3，bhp集团有限公司在鲍恩盆地的蒙雷矿(moura)煤层气利用 技术上试验投资约2800万澳元，并建立了一条21km长，直径为203cm煤层气管道，于1995年底开始煤层气生产，该矿日产量达43万45万m3。2 捷克 捷克的俄斯特拉发卡尔维纳煤田ostrava karvina(okr)，面积1600km2，是波兰上西里西亚煤田在捷克的延伸部分，煤炭储量约120亿t，煤牌号为高挥发烟煤无烟煤，晚石炭世的煤系地层，含煤255层，平均煤厚073120m。该煤田开采煤层的气体含量为423m3/t，煤田的煤层气资源量约为180920亿m3 捷克的dpb公司于1990提开始进行煤层气的开发活动，现已在煤田中未开采区获得政府同意十个区块煤层气勘探和开发许可权，面积约242km2，煤炭储量约41亿t。1993年dpb公司在该区进行煤层气生产试验阶段，准备打45口生产试验井，1993年底完成了第一口试验井；19941995年钻进了二口试验井va-1号井已钻完，tr-2号井于1995年5月2日才开始钻进，预计整个试验阶段于1996年底结束。预计煤层气的生产阶段还需钻一些钻井，估计总的生产阶段投资费用约2亿美元，整个生产阶段准备工作至少56年。3 法国 法国的一些硬煤煤田具有良好的煤层气开发条件，其中洛林煤田是法国最大硬煤田之，它是德国的萨尔煤田的西延部分，煤田地质储量约40亿t。洛林煤田煤层气资源量较大，为1600亿m3。目前在洛林煤田中已有三块租借地获得煤层气开发许可权。但目前法国生产的煤层气是从废弃矿井抽取的。同时对