貴州煤層氣開(kāi)采技術(shù)和綜合利用的研究

王毅剛，岳宗洪

(貴州鑫誠(chéng)科技有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003)

煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分的非常規(guī)天然氣，天然氣的一種。甲烷占80%～90%，一般組分為CH4、CO2、O2、N2、CO、H2S、NOx，是煤化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，與煤共存，又稱瓦斯，是一種潛在的潔凈能源，蘊(yùn)藏量極為豐富。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)估計(jì)，全球陸上煤田埋深于2000m的煤層氣資源量約為260萬(wàn)億m3，是常規(guī)天然氣探明儲(chǔ)量的兩倍多。其中，俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)均超過(guò)10萬(wàn)億m3。

我國(guó)煤層氣資源豐富，全國(guó)大于5000億m3的含煤層氣盆地(群)共有14個(gè)，埋深2000m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36萬(wàn)億m3。1000m以淺、1000～1500m 和1500～2000m 的煤層氣地質(zhì)資源量，分別占全國(guó)煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8% 、28.8% 和32.4%。

貴州以“江南煤海”著稱，全省煤炭資源遠(yuǎn)景儲(chǔ)量2410億t，保有儲(chǔ)量為498億t，是江南12個(gè)省區(qū)的總和，居全國(guó)第5位。具有儲(chǔ)量大、煤種全、埋藏淺、分布聚、組合好的特點(diǎn)，煤層中還蘊(yùn)藏有豐富的可供開(kāi)發(fā)煤層氣。煤層含氣量高，預(yù)測(cè)煤層氣資源量為3.1萬(wàn)億m3，占全國(guó)總量的22%，僅次于山西，居全國(guó)第二位。貴州煤層氣資源不僅豐富，而且品位好，甲烷含量超過(guò)每噸8 m3的“富甲烷”區(qū)儲(chǔ)量就達(dá)2.9萬(wàn)億m3，占資源總量的94%。我國(guó)南方富煤、缺油、少氣的特點(diǎn)，使貴州煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用具有良好的開(kāi)發(fā)利用潛力。但由缺乏對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究等原因，至今在煤層氣開(kāi)發(fā)利用上所做工作還是有限的。所以說(shuō)，研究煤層氣開(kāi)采技術(shù)及資源化利用是非常有必要的。

1 煤層氣綠色開(kāi)采技術(shù)

國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)批準(zhǔn)了煤層氣開(kāi)發(fā)利用“十一五”規(guī)劃，將煤層氣推向了開(kāi)發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展渠道，并力爭(zhēng)到2010年，全國(guó)煤層氣產(chǎn)量達(dá)100億m3，其中，地面抽采煤層氣50億m3，利用率100%；井下抽采瓦斯50億m3，利用率60%以上。新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量3000億m3，并逐步建立煤層氣和煤礦瓦斯開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)業(yè)體系。目前，中央財(cái)政將按0.2元/m3的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煤層氣開(kāi)采企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼，貴州地方財(cái)政還可根據(jù)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行自主補(bǔ)貼和實(shí)行稅收優(yōu)惠政策，這對(duì)研究貴州煤層氣綠色開(kāi)采技術(shù)帶來(lái)了機(jī)遇。

1.1 煤層氣抽采技術(shù)的研究

貴州煤層氣抽放技術(shù)，經(jīng)歷了從“高透氣性煤礦煤層氣抽放”、“鄰近層卸壓煤層氣抽放”、“低透氣性煤層強(qiáng)化煤層氣抽放”和“綜合抽放煤層氣”等4個(gè)發(fā)展階段。今后主要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：① 廣泛采用瓦斯綜合抽放技術(shù)，提高瓦斯的抽放效率的研究，不僅有益礦井的安全，而且采出的還是潔凈能源；②煤與瓦斯共采技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，有利于提高礦井的綜合生產(chǎn)和利用能力；③ 提高開(kāi)采層瓦斯抽放率；④ 研制功率大、故障率低、打鉆效率及成孔率高的新型鉆機(jī)及配套設(shè)備；⑤ 加強(qiáng)瓦斯抽放檢測(cè)、監(jiān)控技術(shù)及裝備的研究和開(kāi)發(fā)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要；⑥ 加強(qiáng)對(duì)于瓦斯抽放前采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研究，使其達(dá)到虛擬化和可視化。這樣可以針對(duì)不同的礦井瓦斯分布規(guī)律，選擇最優(yōu)化的瓦斯抽放路徑，使其費(fèi)用最省和抽放效果最佳；⑦ 加強(qiáng)研究地質(zhì)雷達(dá)與計(jì)算機(jī)的超前探測(cè)、RS與GPS和監(jiān)控器在瓦斯抽放過(guò)程中全程定位跟蹤，并與工業(yè)電視相聯(lián)結(jié)，使其達(dá)到可視化。這樣有利于在抽放瓦斯過(guò)程中發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)加以改進(jìn)和提高礦井生產(chǎn)的安全性。

1.2 煤層氣鉆井的研究

合理設(shè)計(jì)煤層鉆井程序、有效的鉆井工藝，是確保實(shí)現(xiàn)鉆成高產(chǎn)、高效煤層氣礦井的前提。目前，煤層氣鉆井有采空區(qū)鉆井、水平鉆井和垂直鉆井。當(dāng)前鉆井費(fèi)用很高，由于激光有著巨大的能量，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們可以研究激光在煤層氣鉆井中的應(yīng)用。研發(fā)智能化鉆井，智能化鉆井可以在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下進(jìn)行鉆井。

1.3 提高煤層氣滲透率的研究

甲烷濃度與滲透率相關(guān)，瓦斯試井是確定滲透率的最準(zhǔn)確的方法，但是費(fèi)用很高(一次大約7000～15000美元)，若為多煤層費(fèi)用更高。確定煤層氣滲透率變化的另一方法，是依靠微電極測(cè)井。大量資料表明，對(duì)煤層滲透性起決定作用的是煤的割理系統(tǒng)。

研究提高滲透率的辦法：① 實(shí)踐表明，一旦煤層開(kāi)采引起巖層移動(dòng)，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為瓦斯運(yùn)移和抽放創(chuàng)造了條件。因此，若在開(kāi)采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，即形成“煤與瓦斯共采” 技術(shù)，則可在開(kāi)采高瓦斯煤層的同時(shí)，利用巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)將有利于煤層氣開(kāi)采。② 有機(jī)溶劑壓裂，提高煤層滲透率的方法。③ 水力壓裂在美國(guó)已成為提高煤層滲透率和煤層氣升產(chǎn)能的重要手段。④ 煤層卸壓方法。⑤滲透率隨煤層埋藏深度的增大而減小，隨原始儲(chǔ)層壓力增大而降低，天然裂隙發(fā)育有利于提高滲透性。研究與天然裂隙發(fā)育功能基本相同的方法，來(lái)提高滲透率。⑥ 使用二氧化碳或煙道氣提高煤層氣采收率，是目前從煤層中獲取甲烷最為有效的方式，它不但強(qiáng)化了甲烷氣的回收，改善了商業(yè)化煤層氣經(jīng)營(yíng)的效率和效益，同時(shí)還將大量二氧化碳封存于地下。⑦爆破致裂法。

目前，提高煤層氣甲烷濃度主要是采用選擇合適的吸附劑。變壓吸附(PsA)技術(shù)是有效的氣體分離提純方法，這種技術(shù)的關(guān)鍵也在于選擇合適的吸附劑。研究物理與化學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，來(lái)提高煤層的滲透率與甲烷濃度，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采煤層氣的最佳途徑。

2 煤層氣利用

2.1 煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和政策引導(dǎo)

我國(guó)煤層氣資源十分豐富，是世界上第三大儲(chǔ)量國(guó)。根據(jù)最新一輪資源評(píng)估結(jié)果，我國(guó)埋深2000m以下的煤層氣資源量達(dá)到31.46萬(wàn)億m3，相當(dāng)于450億t標(biāo)準(zhǔn)煤，或350億t標(biāo)準(zhǔn)油，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。而瓦斯的實(shí)際利用率不到2%。

貴州煤層氣資源豐富,在全國(guó)煤層氣的資源量排第二，具有很好的開(kāi)發(fā)前景。我省最早的瓦斯抽放系統(tǒng)是在六枝局大用礦井，直到1985年12月13日六枝礦瓦斯民用工程一次點(diǎn)火試燒成功，我省才有了第一個(gè)瓦斯開(kāi)發(fā)利用工程。到1992年，相繼的，宗礦、四角田礦、化處礦、涼水井礦都各建起了容積5000 m3的瓦斯民用工程，全局利用純瓦斯量840萬(wàn)m3，用戶達(dá)1萬(wàn)戶，年節(jié)煤4萬(wàn)t，價(jià)值200萬(wàn)元。目前，貴州煤層氣開(kāi)發(fā)總體還處于初級(jí)的階段，利用還比較少，在煤層氣(瓦斯)發(fā)電利用方面，貴州省投入穩(wěn)定運(yùn)行的瓦斯發(fā)電機(jī)組29臺(tái)，裝機(jī)總量1.45萬(wàn)kW。

煤層氣作為貴州未來(lái)的主要能源之一。煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐明顯加快，得益于黨中央國(guó)務(wù)院的高度重視、有關(guān)部門的支持和廣大企業(yè)的共同努力。2006年6月，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布了《煤層氣(煤礦瓦斯)開(kāi)發(fā)利用“十一五”規(guī)劃》，提出了主要目標(biāo)任務(wù)和戰(zhàn)略布局。為了認(rèn)真貫徹執(zhí)行國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見(jiàn)，即國(guó)辦發(fā)[2006]47號(hào)瓦斯利用的規(guī)定，以及貴州省人民政府辦公廳關(guān)于加強(qiáng)煤礦瓦斯治理和綜合利用工作的實(shí)施意見(jiàn)，黔府辦發(fā)[2008]83號(hào)中的煤層氣(瓦斯)利用的規(guī)定，加快貴州省煤層氣綜合利用的研究顯得尤為突出。

2.2 煤層氣綜合利用

2.2.1 煤層氣(瓦斯)發(fā)電

目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)煤層氣發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家不多，技術(shù)力量較強(qiáng)的有山東濟(jì)南柴油股份有限公司、山東勝動(dòng)機(jī)械有限公司、江蘇啟東寶駒動(dòng)力機(jī)械廠、株洲南方燃?xì)廨啓C(jī)制造公司、浙江義烏發(fā)電廠等廠家。國(guó)外技術(shù)較先進(jìn)的有德國(guó)道依茨能源系統(tǒng)、卡特彼勒中國(guó)投資公司、GE能源集團(tuán)等。

煤層氣(瓦斯)發(fā)電。瓦斯發(fā)電的效益也相當(dāng)?shù)娘@著，據(jù)勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限公司技術(shù)部齊先生表示：“如果是1m3含量100%的瓦斯，可以發(fā)出3.2～3.3度電，如果是30%含量的1m3瓦斯，可以發(fā)出1度電。” 瓦斯發(fā)電具有投資小、建設(shè)施工周期短、同報(bào)率高等優(yōu)點(diǎn)，目前電力比較緊張，可以帶來(lái)很高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 煤層氣作為往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)燃料

在貴州省煤層氣比較豐富的地區(qū)可以研究瓦斯作為汽車的燃料，可以把礦區(qū)的汽車作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為以后作為汽車新能源打下基礎(chǔ)，也為石油缺乏作為補(bǔ)充能源。

2.2.3 代替水煤氣

比如在貴州省六盤水地區(qū)，可以在礦區(qū)集中地區(qū)考慮用煤層氣代替水煤氣，給礦區(qū)以及周圍地區(qū)的人們生活帶來(lái)方便和節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

2.2.4 化工利用

煤層氣是一種很好的化工業(yè)原料。它可以合成甲醇、合成氨、生產(chǎn)乙炔，而甲醇、氨、氫、乙炔是化學(xué)工業(yè)中重要原料，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值。

2.2.5 工業(yè)燃料利用

在省煤層氣資源豐富的城市,可以作為工業(yè)燃料。瓦斯的熱值高、污染小，其燃燒所產(chǎn)生的污染物通常只有石油的1/40，煤炭的1/800，可緩解能源緊張和減少對(duì)環(huán)境的污染。

3 煤層氣開(kāi)發(fā)利用申請(qǐng)CDM

清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)是《京都議定書(shū)》所規(guī)定的附件Ⅰ締約方在境外實(shí)現(xiàn)部分減排承諾的一種履約機(jī)制。我國(guó)政府對(duì)提高能效和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)展CDM項(xiàng)目方面持積極態(tài)度。而對(duì)我國(guó)企業(yè)來(lái)講，對(duì)CDM的希望：一是獲得正常商業(yè)渠道無(wú)法獲得的技術(shù)；二是增加其獲得國(guó)際融資的可能性。國(guó)際目前支持CDM的資金機(jī)構(gòu)有雛形碳基金(PCF)CER單位采購(gòu)招標(biāo)機(jī)構(gòu)(CERUPT)和聯(lián)合國(guó)。

煤層氣開(kāi)發(fā)是實(shí)施CDM項(xiàng)目的重要領(lǐng)域。煤層氣的利用將會(huì)收到增加清潔能源供應(yīng)、改善煤礦安全和保護(hù)全球環(huán)境的多重效益。貴州煤層氣開(kāi)發(fā)利用在有條件的地方可考慮申請(qǐng)CDM,以彌補(bǔ)煤層氣開(kāi)發(fā)利用資金的不足。

4 結(jié) 論

貴州省煤層氣的開(kāi)發(fā)利用，首先對(duì)于緩解貴州省能源緊張局勢(shì)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放、減輕大氣污染，保證煤礦安全生產(chǎn)，以及實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。其次，煤層氣的開(kāi)發(fā)利用，在經(jīng)濟(jì)效益方面也是十分明顯的。還有，煤層氣大力開(kāi)采和利用，有助于防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生,有利于實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開(kāi)采和建立和諧礦區(qū)。

[1] 蘇顯波，陳江風(fēng)，等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開(kāi)發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] 岳宗洪，張明清，等.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)及煤層氣資源化[J].煤炭工程，2008(3).

[3] 劉萍，周錫德.潔凈煤開(kāi)采技術(shù)途徑的探討[J].能源環(huán)境保護(hù)，2004(6).

[4] 錢嗚高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(4).

[5] 陳懿，楊昌明.國(guó)外煤層氣開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示[J].中國(guó)礦業(yè)，2008(4).