煤層氣開發(fā)與利用

煤層氣開發(fā)與利用本微信由洛陽羅伊機(jī)械有限公司提供贊助煤礦瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅之一。我國國有煤礦高瓦斯和瓦斯突出礦井占總礦井?dāng)?shù)的46%，瓦斯事故頻繁，每年因瓦斯災(zāi)害造成的死亡人數(shù)達(dá)2000人以上。僅根據(jù)最近15年的統(tǒng)計(jì)，因瓦斯事故而死亡的人數(shù)約占煤炭行業(yè)工傷事故死亡人數(shù)的30-40%，占重大事故的70-80%，直接經(jīng)濟(jì)損失超過500億元。瓦斯事故造成的人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，在社會(huì)上形成很大負(fù)面影響。另在市場熱點(diǎn)顯得難以為繼的背景下，七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)（節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車）無疑將成為新興奮點(diǎn)。窺全豹之一斑，有效的開發(fā)利用煤層氣尤顯意義非凡。1煤層氣相關(guān)背景簡介1.1性質(zhì)煤層氣：俗稱“瓦斯”賦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水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，1立方米純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。煤層氣空氣濃度達(dá)到5%-16%時(shí)，遇明火就會(huì)爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。煤層氣或瓦斯的熱值跟甲烷(CH4)含量有關(guān)，地面抽采的煤層氣甲烷(CH4)含量一般大于96.5%，當(dāng)甲烷含量97.8%時(shí)，在0°C,101.325kPa下，高熱值：QH=38.9311MJ/Nm3(約9299kcal/Nm3)低熱值：QL=34.5964MJ/Nm3(約8263kcal/Nm3)井下抽采的煤層氣(瓦斯)目前一般將甲烷(CH4)含量調(diào)整到40.8%后利用，此時(shí)瓦斯的熱值為：(在0C,101.325kPa下)低熱值：14.63MJ/m3(約3494kcal/Nm3)高熱值：16.24MJ/m3(約3878kcal/Nm3)1.2資源分布情況我國42個(gè)主要含氣盆地埋深2000m以內(nèi)淺煤層氣地質(zhì)資源量36.81萬億m3,埋深1500米以內(nèi)潛煤層氣可采資源量10.90萬億m3。煤層氣資源主要分布在東部、中部、西部及南方四個(gè)大區(qū)，地質(zhì)資源量分別占全國的31%、28%和13%；可采資源量分別占全國的40%、18%、26%、16%。在三江一穆棱河、淮南、淮北、沁水盆地、萍樂、鄂爾多斯盆地、川南一黔北、六盤水、準(zhǔn)噶爾、吐哈和伊寧等11個(gè)含煤盆地(地區(qū))的2000m內(nèi)的煤層氣資源量共計(jì)為20.56萬億立方米，占全國資源總量的90%。其中又以沁水盆地、鄂爾多斯盆地為全國煤層氣資源量最大的地區(qū)，資源量分別為3.9萬億立方米和9.8萬億立方米，占全國資源總量的40%，且均位于我國中東地區(qū)，這里人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源供需矛盾突出，因而具有優(yōu)越的下游市場條件。2煤層氣利用技術(shù)及可行性我國煤層氣地質(zhì)研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過近20年的地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐，在煤層氣成因、儲(chǔ)層特性、成藏、區(qū)域展布規(guī)律、控氣地質(zhì)因素等方面均取得顯著進(jìn)展，初步形成了一套煤層氣富集地質(zhì)理論和選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)，90年代初開始研究煤層氣地面勘探開發(fā)技術(shù)，經(jīng)歷了十幾年來對(duì)國外技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)、消化、吸收和發(fā)展，也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。2.1煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用以乘積原則、加權(quán)平均原則、“木桶效應(yīng)”原則、類比原則和綜合評(píng)價(jià)原則為基本原則的煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)，分析煤體幾何特征、煤巖組成和煤質(zhì)特征、煤層氣解吸特征等。2.2儲(chǔ)層模擬技術(shù)引進(jìn)國外先進(jìn)的煤層氣儲(chǔ)層模擬技術(shù)，對(duì)完井方法和開采方式進(jìn)行生產(chǎn)擬合和儲(chǔ)層參數(shù)敏感性分析，預(yù)測各項(xiàng)開采指標(biāo)；引進(jìn)國外COALGAS儲(chǔ)層產(chǎn)量歷史模擬軟件，對(duì)開采中氣、水產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，確定合理井距、井網(wǎng)幾何形態(tài)和最佳開采方案。2.3鉆井技術(shù)引進(jìn)煤層氣空氣（泡沫）鉆井和定向羽狀水平井技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)測試。羽狀分支水平井是指在一個(gè)主水平井眼兩側(cè)鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道，分支井筒能夠穿越更多的煤層割理裂縫系統(tǒng)，最大限度地溝通裂縫通道，增加泄氣面積和氣流的滲透率，使更多的甲烷氣進(jìn)入主流道，提高單井產(chǎn)氣量。2.3.1煤層氣羽狀水平井完井方法對(duì)于煤層氣定向羽狀分支水平井的完井方式，工藝較簡單，主要采用裸眼完成，直接投產(chǎn)。2.3.2水平分支井眼剖面設(shè)計(jì)井眼軌跡設(shè)計(jì)堅(jiān)持以最光滑、最短為原則。首先考慮分支井筒所處的煤層特性，根據(jù)煤層性質(zhì)、地應(yīng)力分布狀態(tài)和最大主應(yīng)力方向、煤藏單元的幾何形狀和甲烷的流動(dòng)控制要求等因素來確定井眼軌跡的設(shè)計(jì)，使主水平井眼沿最小應(yīng)力方向鉆進(jìn)，鉆井復(fù)雜情況最少并且鉆進(jìn)速度快，可獲得較大的水平位移。主水平井眼采用中、小曲率半徑和“直一增一增一穩(wěn)（水平段）”的連增復(fù)合型剖面，井眼軌跡圓滑、摩阻和扭矩小，造斜點(diǎn)選在煤層頂部砂巖上。分支井眼采用中曲率半徑和“增一穩(wěn)”剖面，與主水平井眼呈45°夾角。煤層氣定向羽狀水平井示意圖2.4完井技術(shù)引進(jìn)了裸眼洞穴完井技術(shù)，以提高煤層氣產(chǎn)量，減小風(fēng)險(xiǎn)，但有待進(jìn)一步深入研究。2.4.1儲(chǔ)層選擇該技術(shù)使用的前提條件煤級(jí)在高揮發(fā)分煙煤A以上，埋深為600-1000米，儲(chǔ)層壓力較高，煤儲(chǔ)層本身具備發(fā)育完好的自然裂隙系統(tǒng)，滲透性好等。2.4.2鉆孔結(jié)構(gòu)裸眼洞穴完井常用的鉆井結(jié)構(gòu)有以下4種，見下圖造穴后不下套管，適用于穩(wěn)定性好的煤儲(chǔ)層；造穴后下入套管，適用于穩(wěn)定性較差的煤儲(chǔ)層；側(cè)孔造穴，在已有的鉆孔中造斜，形成一個(gè)側(cè)孔，在鉆孔中完井，這不僅可以降低成本，還可以減少辦理各種證件的手續(xù)和稅收；造穴失敗，改用水力壓裂強(qiáng)化工藝。2.4.3完井程序目前常用的裸眼洞穴完井程序有三種：①注入空氣或空氣與水的混合物-卸壓-循環(huán)排出破碎的顆粒；②欠平衡循環(huán)-自然塌落；③自然升壓-降壓。以上三種操作均可使煤儲(chǔ)層得到強(qiáng)化。裸眼洞穴完井鉆孔結(jié)構(gòu)2.5鉆井取心技術(shù)研制出煤層半合式取心和大通徑繩索式全封閉快速取心技術(shù)，準(zhǔn)確求取煤層含氣量、提高煤層取心收獲率。2.6試井技術(shù)引進(jìn)國外先進(jìn)的注入/壓降試井技術(shù)（高壓低排量注入泵），建立了適用于不同試驗(yàn)區(qū)的測試工藝技術(shù)，已形成較為成熟的試井技術(shù)規(guī)范。2.7壓裂技術(shù)主要采用清水加砂壓裂和瓜膠壓裂。水力壓裂改造技術(shù)通過水力壓裂使煤層內(nèi)部出現(xiàn)眾多且延伸很遠(yuǎn)的裂隙，在井中抽氣時(shí)井孔周圍出現(xiàn)大面積的壓力下降，使煤層產(chǎn)生氣體解吸的表面積增大，保證煤層氣迅速并相對(duì)持久的泄放。2.8評(píng)價(jià)技術(shù)研制出煤層氣測井評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)含氣量、封蓋層、工業(yè)分析、巖石力學(xué)等參數(shù)進(jìn)行定量解釋。2.9監(jiān)測技術(shù)2.9.1大地電位法煤層壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)，對(duì)煤層壓裂裂縫延伸方位和長度進(jìn)行現(xiàn)場直接動(dòng)態(tài)監(jiān)測和定量解釋；其基本原理是通過導(dǎo)線向被測試的層位供以高壓電流，這樣就在儲(chǔ)層中形成了一個(gè)人工電場，在供電極以外的任一點(diǎn)觀測電場的電位，由于場源的幾何形態(tài)不同，所產(chǎn)生的電位也不同，地質(zhì)介質(zhì)的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓裂液，因此可將壓裂液視為良好導(dǎo)體。向儲(chǔ)層供電時(shí)可將壓裂液視為一個(gè)場源。在地面煤層氣井周圍環(huán)形布置一系列測量電極，記錄壓裂施工前后電位的變化，獲得壓裂前后電位梯度差值，通過一定數(shù)據(jù)處理可達(dá)到確定裂縫方向和長度的目的。2.9.2采用井間地震聲波層析成像技術(shù)，描述聲波穿過剖面內(nèi)煤層物性的變化特點(diǎn)，檢測和評(píng)價(jià)壓裂后的井間連通情況。2.10增產(chǎn)技術(shù)通常采用射孔壓裂增產(chǎn)技術(shù)，又引進(jìn)了注氣增產(chǎn)法，提高煤層氣產(chǎn)量，目前正在試驗(yàn)階段。2.11儲(chǔ)運(yùn)與集輸技術(shù)“西氣東輸”工程的實(shí)施，解決了煤層氣的集氣與儲(chǔ)氣的管網(wǎng)建設(shè)問題。2.12煤層氣凈化技術(shù)井下抽采的煤層氣，甲烷含量通常被稀釋到10%-40%,這種低含量煤層氣一般不能用于民用或工業(yè)原料，只有通過分離提純才能實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、方便的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。目前，有幾種商業(yè)上可獲得的用來除去煤層氣主要污染物（N2、02、CO2和水蒸氣）的技術(shù)，一些技術(shù)還處于試驗(yàn)階段。煤層氣精華技術(shù)主要有脫氮技術(shù)及氧、二氧化碳和水蒸氣脫除技術(shù)。氮是技術(shù)上最困難且費(fèi)用最高的污染物，目前脫氮裝置技術(shù)主要有深冷技術(shù)、變壓吸附技術(shù)、溶劑吸收技術(shù)、分子門技術(shù)、膜分離技術(shù)和變溫吸附技術(shù)六種；脫氧是脫氮之外最有挑戰(zhàn)性和費(fèi)用最大的過程，主要的脫氧技術(shù)有催化法和非催化法（焦炭燃燒法）等；脫二氧化碳技術(shù)包括胺裝置、膜技術(shù)和選擇性吸附等幾種可獲得的工業(yè)化技術(shù)，其中胺裝置僅能承受原料氣中少量的氧，因此胺裝置必須位于脫氧裝置的下游，脫水是整個(gè)煤層氣濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最簡單的部分，分子刷脫水時(shí)一種高效可靠且操作費(fèi)用低的技術(shù)。3煤層氣利用應(yīng)用點(diǎn)3.1民用由于瓦斯的燃燒熱值高，而且瓦斯不含煤炭干餾物質(zhì)，不需凈化裝置進(jìn)行處理，不腐蝕、不堵塞輸氣設(shè)備和管道，因此是極好的民用燃?xì)??？晒┚膊膳?、供樓房采暖制冷、供職工洗澡水、向大棚供熱與碳源、經(jīng)壓縮后可由天然氣管道系統(tǒng)輸送，用于居民日常生活。3.2發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)建設(shè)使用煤層氣為原料的燃?xì)廨啓C(jī)電廠，燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)更經(jīng)濟(jì)，而且有更多的廢熱供熱電聯(lián)產(chǎn)。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置可以利用來自內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的廢熱產(chǎn)生熱空氣供熱，亦可生產(chǎn)蒸汽或熱水供加熱或者工業(yè)使用，或者去驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)。3.3工業(yè)燃料3.3.1利用高濃度瓦斯氣代替汽油作為汽車燃料，儲(chǔ)氣量較大，100km消耗量約30.82m3,其費(fèi)用大大低于汽油費(fèi)用。3.3.2一般鍋爐消耗純甲醇量為35?250L/s。鍋爐的熱水和蒸汽可供建筑物取暖、冬季加熱井口風(fēng)流、浴室及生活用。用礦井瓦斯作為燃料的鍋爐，便于管理，易于自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少空氣污染，對(duì)城區(qū)環(huán)境的改善最為明顯。3.3.3煤層氣合成油(GTL)由合成氣、費(fèi)一托合成合產(chǎn)品精制三部分。通過費(fèi)一托法工藝將煤層氣合成轉(zhuǎn)化成含硫量小于、芳香烴小于1%(體積分?jǐn)?shù))、十六烷值大于70的柴油燃料。3.4化工原料煤層氣中的甲烷濃度很高，可與天然氣混輸，用于制造化工產(chǎn)品，如生產(chǎn)合成氨、甲醛、甲胺、尿素和碳黑、甲醇、甲基叔丁醚DME等。3.4.1甲烷在高溫下燃燒分解后可生產(chǎn)粉狀碳顆粒，這就是炭黑。它是橡膠、涂料等工業(yè)不可缺少的填加劑。甲烷濃度在40%?90%時(shí)均可燒制炭黑。一般每立方米純甲醇可生產(chǎn)炭黑120?150g。3.4.2甲醛是甲烷氧化過程的中間產(chǎn)物，極不穩(wěn)定，生產(chǎn)甲醛所需要的甲烷濃度不高，一般約28%?35%的瓦斯4800m3即可生產(chǎn)甲醛1t。甲醛是有機(jī)合成制品的基本原料，廣泛應(yīng)用于樹脂、纖維、醫(yī)藥等工業(yè)。甲醇用途廣泛，不僅是重要的化工原料，又是廉價(jià)的汽車燃料，“中國一號(hào)”甲醇汽車被譽(yù)為“綠色汽車工程”，是我國汽車工業(yè)的一次革命。另外，甲醇可制成甲醇電池，應(yīng)用于其他基礎(chǔ)行業(yè)。3.4.3DME是一種用途廣泛的合成燃料，比如作為抗爆劑，氣霧劑等。3.5驅(qū)動(dòng)燃料電池類似普通電池但又有區(qū)別不會(huì)失效或需要重新充電。只要有燃料它即可產(chǎn)生電力。由于燃料在燃料電池中并不燃燒，所以不產(chǎn)生像化石燃料燃燒通常排放的污染物。燃料電池安靜，高效而且沒有污染。此外，用煤層氣燃料電池驅(qū)動(dòng)的電力裝置可避免使用氫氣所需要的額外的設(shè)施。3.6煤層氣液化煤層氣液化是指將其中的甲烷等可燃性氣體從瓦斯中分離出來，并