煤层气开发与利用

煤层气开发与利用本微信由洛阳罗伊机械有限公司提供赞助煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产的最大威胁之一。我国国有煤矿高瓦斯和瓦斯突出矿井占总矿井数的46%，瓦斯事故频繁，每年因瓦斯灾害造成的死亡人数达2000人以上。仅根据最近15年的统计，因瓦斯事故而死亡的人数约占煤炭行业工伤事故死亡人数的30-40%，占重大事故的70-80%，直接经济损失超过500亿元。瓦斯事故造成的人员伤亡和巨大经济损失，在社会上形成很大负面影响。另在市场热点显得难以为继的背景下，七大战略产业（节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车）无疑将成为新兴奋点。窥全豹之一斑，有效的开发利用煤层气尤显意义非凡。1煤层气相关背景简介1.1性质煤层气：俗称“瓦斯”赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。煤层气或瓦斯的热值跟甲烷(CH4)含量有关，地面抽采的煤层气甲烷(CH4)含量一般大于96.5%，当甲烷含量97.8%时，在0°C,101.325kPa下，高热值：QH=38.9311MJ/Nm3(约9299kcal/Nm3)低热值：QL=34.5964MJ/Nm3(约8263kcal/Nm3)井下抽采的煤层气(瓦斯)目前一般将甲烷(CH4)含量调整到40.8%后利用，此时瓦斯的热值为：(在0C,101.325kPa下)低热值：14.63MJ/m3(约3494kcal/Nm3)高热值：16.24MJ/m3(约3878kcal/Nm3)1.2资源分布情况我国42个主要含气盆地埋深2000m以内浅煤层气地质资源量36.81万亿m3,埋深1500米以内潜煤层气可采资源量10.90万亿m3。煤层气资源主要分布在东部、中部、西部及南方四个大区，地质资源量分别占全国的31%、28%和13%；可采资源量分别占全国的40%、18%、26%、16%。在三江一穆棱河、淮南、淮北、沁水盆地、萍乐、鄂尔多斯盆地、川南一黔北、六盘水、准噶尔、吐哈和伊宁等11个含煤盆地(地区)的2000m内的煤层气资源量共计为20.56万亿立方米，占全国资源总量的90%。其中又以沁水盆地、鄂尔多斯盆地为全国煤层气资源量最大的地区，资源量分别为3.9万亿立方米和9.8万亿立方米，占全国资源总量的40%，且均位于我国中东地区，这里人口密集，经济发达，能源供需矛盾突出，因而具有优越的下游市场条件。2煤层气利用技术及可行性我国煤层气地质研究始于20世纪80年代，经过近20年的地质研究和勘探实践，在煤层气成因、储层特性、成藏、区域展布规律、控气地质因素等方面均取得显著进展，初步形成了一套煤层气富集地质理论和选区评价技术，90年代初开始研究煤层气地面勘探开发技术，经历了十几年来对国外技术设备的引进、消化、吸收和发展，也取得了实质性的进展。2.1煤储层评价技术应用以乘积原则、加权平均原则、“木桶效应”原则、类比原则和综合评价原则为基本原则的煤储层评价技术，分析煤体几何特征、煤岩组成和煤质特征、煤层气解吸特征等。2.2储层模拟技术引进国外先进的煤层气储层模拟技术，对完井方法和开采方式进行生产拟合和储层参数敏感性分析，预测各项开采指标；引进国外COALGAS储层产量历史模拟软件，对开采中气、水产量进行预测，确定合理井距、井网几何形态和最佳开采方案。2.3钻井技术引进煤层气空气（泡沫）钻井和定向羽状水平井技术，并进行了试验测试。羽状分支水平井是指在一个主水平井眼两侧钻出多个分支井眼作为泄气通道，分支井筒能够穿越更多的煤层割理裂缝系统，最大限度地沟通裂缝通道，增加泄气面积和气流的渗透率，使更多的甲烷气进入主流道，提高单井产气量。2.3.1煤层气羽状水平井完井方法对于煤层气定向羽状分支水平井的完井方式，工艺较简单，主要采用裸眼完成，直接投产。2.3.2水平分支井眼剖面设计井眼轨迹设计坚持以最光滑、最短为原则。首先考虑分支井筒所处的煤层特性，根据煤层性质、地应力分布状态和最大主应力方向、煤藏单元的几何形状和甲烷的流动控制要求等因素来确定井眼轨迹的设计，使主水平井眼沿最小应力方向钻进，钻井复杂情况最少并且钻进速度快，可获得较大的水平位移。主水平井眼采用中、小曲率半径和“直一增一增一稳（水平段）”的连增复合型剖面，井眼轨迹圆滑、摩阻和扭矩小，造斜点选在煤层顶部砂岩上。分支井眼采用中曲率半径和“增一稳”剖面，与主水平井眼呈45°夹角。煤层气定向羽状水平井示意图2.4完井技术引进了裸眼洞穴完井技术，以提高煤层气产量，减小风险，但有待进一步深入研究。2.4.1储层选择该技术使用的前提条件煤级在高挥发分烟煤A以上，埋深为600-1000米，储层压力较高，煤储层本身具备发育完好的自然裂隙系统，渗透性好等。2.4.2钻孔结构裸眼洞穴完井常用的钻井结构有以下4种，见下图造穴后不下套管，适用于稳定性好的煤储层；造穴后下入套管，适用于稳定性较差的煤储层；侧孔造穴，在已有的钻孔中造斜，形成一个侧孔，在钻孔中完井，这不仅可以降低成本，还可以减少办理各种证件的手续和税收；造穴失败，改用水力压裂强化工艺。2.4.3完井程序目前常用的裸眼洞穴完井程序有三种：①注入空气或空气与水的混合物-卸压-循环排出破碎的颗粒；②欠平衡循环-自然塌落；③自然升压-降压。以上三种操作均可使煤储层得到强化。裸眼洞穴完井钻孔结构2.5钻井取心技术研制出煤层半合式取心和大通径绳索式全封闭快速取心技术，准确求取煤层含气量、提高煤层取心收获率。2.6试井技术引进国外先进的注入/压降试井技术（高压低排量注入泵），建立了适用于不同试验区的测试工艺技术，已形成较为成熟的试井技术规范。2.7压裂技术主要采用清水加砂压裂和瓜胶压裂。水力压裂改造技术通过水力压裂使煤层内部出现众多且延伸很远的裂隙，在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放。2.8评价技术研制出煤层气测井评价技术，对含气量、封盖层、工业分析、岩石力学等参数进行定量解释。2.9监测技术2.9.1大地电位法煤层压裂裂缝监测技术，对煤层压裂裂缝延伸方位和长度进行现场直接动态监测和定量解释；其基本原理是通过导线向被测试的层位供以高压电流，这样就在储层中形成了一个人工电场，在供电极以外的任一点观测电场的电位，由于场源的几何形态不同，所产生的电位也不同，地质介质的电阻率远远高于压裂液，因此可将压裂液视为良好导体。向储层供电时可将压裂液视为一个场源。在地面煤层气井周围环形布置一系列测量电极，记录压裂施工前后电位的变化，获得压裂前后电位梯度差值，通过一定数据处理可达到确定裂缝方向和长度的目的。2.9.2采用井间地震声波层析成像技术，描述声波穿过剖面内煤层物性的变化特点，检测和评价压裂后的井间连通情况。2.10增产技术通常采用射孔压裂增产技术，又引进了注气增产法，提高煤层气产量，目前正在试验阶段。2.11储运与集输技术“西气东输”工程的实施，解决了煤层气的集气与储气的管网建设问题。2.12煤层气净化技术井下抽采的煤层气，甲烷含量通常被稀释到10%-40%,这种低含量煤层气一般不能用于民用或工业原料，只有通过分离提纯才能实现安全、经济、方便的远距离运输。目前，有几种商业上可获得的用来除去煤层气主要污染物（N2、02、CO2和水蒸气）的技术，一些技术还处于试验阶段。煤层气精华技术主要有脱氮技术及氧、二氧化碳和水蒸气脱除技术。氮是技术上最困难且费用最高的污染物，目前脱氮装置技术主要有深冷技术、变压吸附技术、溶剂吸收技术、分子门技术、膜分离技术和变温吸附技术六种；脱氧是脱氮之外最有挑战性和费用最大的过程，主要的脱氧技术有催化法和非催化法（焦炭燃烧法）等；脱二氧化碳技术包括胺装置、膜技术和选择性吸附等几种可获得的工业化技术，其中胺装置仅能承受原料气中少量的氧，因此胺装置必须位于脱氧装置的下游，脱水是整个煤层气浓缩系统设计中最简单的部分，分子刷脱水时一种高效可靠且操作费用低的技术。3煤层气利用应用点3.1民用由于瓦斯的燃烧热值高，而且瓦斯不含煤炭干馏物质，不需净化装置进行处理，不腐蚀、不堵塞输气设备和管道，因此是极好的民用燃气。可供井筒采暖、供楼房采暖制冷、供职工洗澡水、向大棚供热与碳源、经压缩后可由天然气管道系统输送，用于居民日常生活。3.2发电及热电联产建设使用煤层气为原料的燃气轮机电厂，燃气轮机维护更经济，而且有更多的废热供热电联产。热电联产装置可以利用来自内燃机发电机或燃气轮机发电机的废热产生热空气供热，亦可生产蒸汽或热水供加热或者工业使用，或者去驱动吸收式制冷机。3.3工业燃料3.3.1利用高浓度瓦斯气代替汽油作为汽车燃料，储气量较大，100km消耗量约30.82m3,其费用大大低于汽油费用。3.3.2一般锅炉消耗纯甲醇量为35〜250L/s。锅炉的热水和蒸汽可供建筑物取暖、冬季加热井口风流、浴室及生活用。用矿井瓦斯作为燃料的锅炉，便于管理，易于自动化，降低劳动强度，减少空气污染，对城区环境的改善最为明显。3.3.3煤层气合成油(GTL)由合成气、费一托合成合产品精制三部分。通过费一托法工艺将煤层气合成转化成含硫量小于、芳香烃小于1%(体积分数)、十六烷值大于70的柴油燃料。3.4化工原料煤层气中的甲烷浓度很高，可与天然气混输，用于制造化工产品，如生产合成氨、甲醛、甲胺、尿素和碳黑、甲醇、甲基叔丁醚DME等。3.4.1甲烷在高温下燃烧分解后可生产粉状碳颗粒，这就是炭黑。它是橡胶、涂料等工业不可缺少的填加剂。甲烷浓度在40%〜90%时均可烧制炭黑。一般每立方米纯甲醇可生产炭黑120〜150g。3.4.2甲醛是甲烷氧化过程的中间产物，极不稳定，生产甲醛所需要的甲烷浓度不高，一般约28%〜35%的瓦斯4800m3即可生产甲醛1t。甲醛是有机合成制品的基本原料，广泛应用于树脂、纤维、医药等工业。甲醇用途广泛，不仅是重要的化工原料，又是廉价的汽车燃料，“中国一号”甲醇汽车被誉为“绿色汽车工程”，是我国汽车工业的一次革命。另外，甲醇可制成甲醇电池，应用于其他基础行业。3.4.3DME是一种用途广泛的合成燃料，比如作为抗爆剂，气雾剂等。3.5驱动燃料电池类似普通电池但又有区别不会失效或需要重新充电。只要有燃料它即可产生电力。由于燃料在燃料电池中并不燃烧，所以不产生像化石燃料燃烧通常排放的污染物。燃料电池安静，高效而且没有污染。此外，用煤层气燃料电池驱动的电力装置可避免使用氢气所需要的额外的设施。3.6煤层气液化煤层气液化是指将其中的甲烷等可燃性气体从瓦斯中分离出来，并