淺析我國煤層氣的應用與發展

□盧國斌 郭 超 宋有才 姜向華

淺析我國煤層氣的應用與發展

□盧國斌 郭 超 宋有才 姜向華

隨著世界原油不斷減少，世界常規能源供給形勢日益嚴峻，國際上逐漸把發展非常規能源作為新世紀能源發展的主要議題。煤層氣的開發具有熱值高、污染少、安全性高的特點，完全可以成為石油和天然氣等常規能源的重要補充。世界上很多國家逐漸開始重視煤層氣的勘探和開發試驗，并積極開展發達國家的地面鉆井開采技術，在煤層氣資源的勘探、鉆井、采氣和地面集氣處理等技術領域均取得了重要進展。我國埋深在2000米以內的煤層中含煤層氣資源量達30萬億～35萬億立方米，是世界上第三大煤層氣儲量國，煤層氣開發前景非常可觀。然而，由于種種原因，我國煤層氣的開發和利用規模普遍偏小，所以合理加強煤層氣的綜合利用，對我國的資源建設有積極的作用。

煤層氣的成因和分類

煤層氣是在煤的變質作用過程中不斷生成的。煤在變質作用中產生的甲烷分子被吸附在煤體的表面。吸附甲烷量的多少決定于壓力、溫度和煤質，即在一定的溫度、壓力條件下，甲烷分子主要以單分子層狀態吸附于煤體的細微孔隙表面，并和微孔隙中的游離甲烷分子處于不斷交換的動平衡狀態。由此可知，游離甲烷的多少，取決于煤的孔隙度、溫度和壓力。當遇到外界條件發生變化（地殼運動、巖漿活動）時，這種平衡就會被打破，若繼續沉降使煤熱演化繼續進行，煤層含氣量增加；或地殼抬升，使煤的熱演化終止，甲烷不再產出；當煤層抬升接近地表遭受風化時，所有氣體將散失干凈。

縱觀國外已有煤層氣開發的生產實踐和我國開發試驗的經驗教訓，可以認為不同成因的煤層氣田的開發，會存在一定的差別。分類劃分得當對指導煤層氣地面開發選區和開發方式、方法的運用均有一定的指導作用。現參考煤田地質學理論中煤變質類型的分類，結合煤層氣的生成、賦存等條件，將煤層氣田初步劃分為深層成因的煤層氣田、巖漿熱成因的煤層氣田、擠壓成因的煤層氣田三類。

國內煤層氣開發利用現狀

當前，國際能源局勢趨緊，我國煤礦安全生產形勢嚴峻，能源消費結構很不合理，1999年煤炭約占68%，石油占23%，天然氣僅占2.6%，天然氣在能源結構中的比例遠遠低于世界平均水平(24%)。為了實現能源與環境的可持續發展，我國急需實施以優質能源為主的能源發展戰略，合理調整能源結構，增加天然氣在一次能源消費中的比重。煤層氣有望成為接替煤炭、石油和天然氣等常規能源的新能源資源。目前全國瓦斯發電的總裝機容量為9萬千瓦，而規劃或正在實施的瓦斯發電項目裝機容量接近15萬千瓦。其中，山西晉城煤業集團在建的煤層氣電廠計劃裝機12萬千瓦，是世界上目前最大的煤層氣發電廠。

開采煤層氣的技術方法

生產布局

煤層氣開發的生產布局與常規油氣有較大差異。當煤層氣開發選區確定以后，在鉆井之前，就應進行地面設施的系統設計與布局。在確定井徑、地面設施與井筒的位置關系時，應綜合考慮地質條件、儲層特征、地形及環境條件等因素。一個煤層氣采區包括生產井、氣體集輸管路、氣水分離器、氣體壓縮器、氣體脫水器、流體監測系統、水處理設施、公路、辦公及生活設施等。只有各部分密切配合，才能使煤層氣生產順利進行。

井筒結構

煤層氣開發的成功與否井底起著重要作用，一般井筒應鉆至最低產層之下，以產生一個口袋，使得產生氣體在排出地面之前，在此口袋內匯集。煤層氣生產井的結構是將油管置于套管之內，這種構型是由常規油氣生產井演化而來的。這種設計還可使氣、水在井筒中初步分離，從而減少地面氣、水分離器的數量，并可降低井筒內流體的上返壓力；一般情況下，產出水通過內徑為10mm或20mm的油管泵送至地面，氣體則自油管與套管的環形間隙產出。除排水產氣外，井筒的設計還應盡量降低固體物質(如煤屑、細砂等)的排出量。井底口袋可用上收集固體碎屑，使其進入水泵，使地面設備的數量降至最低。在泵的入口處，可安裝濾網，減少進入生產系統中的碎屑物質。另外，在操作過程中，緩慢改變井口壓力，也有利于套管與油管環形間隙的清潔，降低碎屑物質的遷移。

氣水地面集輸與處理

地面氣水分離。在煤層氣生產井中，將油管置于套管之內的設計可實現氣、水的初步分離，但在泵送至地表后，還需經地面分離器進一步分離，分離的氣和水分別進入集氣管線和水處理系統，同時還應除去流體中固體顆粒物(煤粉、細沙等)。一般采用低壓、高壓兩種分離方式。（1）低壓分離。常用的分離器有常規兩相分離器，脫水器和在線水分離器。兩相分離器為一個內部裝有擋板的大容器，從井中排出的流體從兩側進入分離器，分離出的氣體自頂部排出，當容器中水位升至一定高度時，通過一個自動閥門口底部流出。該分離器的缺點是分離出的氣體仍含有較多水分，需進一步純化。另外，在不增加上返壓力的情況下，井下泵不能將排出的水全部送至各處系統。脫水器可有效地去除套管氣流中的水分，但不能收集水流中的氣體。在線水分離器是頗為有效的二次分離器，可置于管線中兩相分離器之后。該裝置采用離心分離，使水分流至洼坑，氣體繼續沿管線流動。使用該分離器可有效去除氣體中的水分，但不能處理大量水流和去除進入氣體中的固體顆粒物。（2）高壓分離。部分生產井需要兩次分離，第一步，高壓容器從流體中分離出氣體；第二步，低壓分離，從石油中分離出水。雖然一般采用重力分離設備，但煤屑過多會對設備產生嚴重影響。需要針對不同情況采取相加措施。例如，常規的水霧分離器可被細微灰塵堵塞，可使用脈型或其他水霧分離器代替。為避免大塊煤堵塞底部閥門或其他接口，可使76mm閥門代替50mm閥門。中等煤屑通常處于氣飽和狀態，漂浮于分離器的氣、水界面上。分離器中分離的氣體通過一個藥盒型過濾裝置，以免在后來脫水、壓縮或進入氣表時產生問題。氣體還需經濾網過濾.以免破壞水處理沒備。

集輸系統。集輸系統的作用有二：一是利用最經濟的方式將氣體從井門輸送至中央壓縮站；二是從環保與經濟效益的角度，妥善處理排出水。在鋪設管線時應充分考慮地形和地面設施，輸氣管道不宜鋪設在低洼處，而輸水管盡量不要架設在高處。但如果無法避免這種情況，應安裝氣壓緩解閥，以免水回流至井口。

氣體處理與壓縮

進入銷售管線的煤層氣，一方面應符合管道氣的成分標準，另一方面應有足夠的壓力。因此，從氣水分離器分離出來的氣體，需經進一步處理和壓縮。

開采煤層氣需要注意哪些問題

煤層氣開采中水的處理

水是煤層氣生產的副產品，其凈化和處理費用在日常操作中占相當大的比重。合理設計水處理系統，是決定煤層氣開發成功與否的主要因素之一。水的處理方法和費用取決于排水量和水質特征，在設計水處理系統時，應首先根據臨近生產井的排水情況或煤層滲透中水文資料估算煤層的產水量，還應考慮到生產過程中不同階段排水量的變化。

產出水雜質分類。煤層產出水是—種含有溶解鹽、溶解氣體、非水液體和固體顆粒等雜質的多相體系。其中雜質可分為五類：固體顆粒、膠體、分散油和浮油、浮化油、溶解物質。

水處理方式。在美國煤層氣生產中，最常用的產出水處理方式是排入地表水系和注入深井，其他方法包括土地灌溉、蒸發、水力壓裂時重新利用等，反滲透方法正處于試驗階段。

煤層氣開采中設備減少故障的方法

減少泵的故障。可通過以下途徑減少泵的故障：增加井下氣水分離量，排采量相匹配，減少排水管線的上返壓力，減少泵的扭矩。

在操作過程中，注意了解每天的運行狀況，實行動態管理，根據生產過程中出現的變化，采取相應的措施。掌握上次維修時間、泵速、產生故障的原因，對提高工作效率，延長使用壽命等大有意義。

降低抽油桿的故障。通過調節泵速和沖程長度，減少應力集中，可減少抽油桿的脫離次數。另外，合理選擇抽油桿的尺寸，安裝時注意力矩適中以及鉆井時盡量減少偏離等，都可降低抽油桿的故障。

減少固體物質引起的故障。在完井和操作過程中，采取一些措施，可降低因固體顆粒物引起的故障。例如，鉆進30～60m深的凹坑，使生產過程中產生的固體物質沉于其內，而不隨產出水一起泵送。不在煤層中實施完井，從煤層頂板或底板開始壓裂，進而向煤層滲透，仍然從煤層中排氣，可大大降低維修費用。例如，在巖溪煤層氣開發項目中，5號生產井采用此方法壓裂，一直持續穩產2.5年，與其他生產井每年維修3～4次形成了鮮明對比。操作過程也會影響固體物產率，井投產前期做好準備，減少壓力波動，以免引起激流，將會減少自裂流入井筒的碎屑量。

總之，我國煤儲層的發育狀況、煤層的含氣特征、煤層的滲透性等，在地域上的分布是很不均衡的。煤層氣分布的不均衡性，加上區域經濟因素，就造成了當前我國煤層氣勘探開發工作在地域上的不平衡發展。因此，研究和總結我國煤層氣在區域分布方面的規律性，合理進行煤層氣資源分布區劃，對于從宏觀上闡明資源分布特征，分析煤層氣勘探開發態勢，指導未來煤層氣勘探開發工作都將具有重要意義。

（作者單位：遼寧工程技術大學采礦工程系）