煤層氣鉆井多功能性及其綜合效益研究

馮立杰 翟雪琪 王金鳳 姜錫慧

(1.鄭州大學管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤層氣開發利用有限公司,河南 450016)

1 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”,是一種賦存于煤層及其圍巖中的與煤炭共伴生的混合氣體,其主要成份為甲烷 (CH4)。中國埋深淺于2000m的煤層氣資源量為36.8萬億m3,居世界第三位。中國煤層氣可采資源量約10萬億m3,累計探明煤層氣地質儲量1023億m3。自煤層氣開發列入了“十一五”能源發展規劃,政府又相繼出臺了稅收優惠、財政補貼等多項扶持政策,鼓勵煤層氣的開發利用。

煤層氣的開發可以有效減少溫室氣體排放,又可作為一種高效、潔凈能源,最重要的是提高瓦斯事故防范水平,保證煤炭開采的安全。據統計,2009年我國煤礦事故死亡2700人左右,其中煤礦瓦斯事故死亡700余人,可見,煤礦瓦斯仍然是煤礦事故的“殺手”。實現煤礦安全生產的重點是降低瓦斯的濃度,只有先采氣后采煤,才能有效地減少采煤過程中的礦井瓦斯涌出量,從而減少瓦斯事故的發生。因此,煤層氣的抽采對保證煤礦安全生產起著至關重要的作用。然而,煤層氣的抽采利用始終離不開鉆井這一關鍵要素,因此如何實現鉆井的多功能性以及對其綜合效益進行評估成為煤層氣開發中需要關注的問題。本文通過分析鉆井的多功能性,從煤層氣井建設成本、安全效益、能源效益及環境效益等四方面來衡量鉆井的綜合效益,構建了評估模型,為我國煤層氣項目的綜合效益評估提供了理論參考。

2 煤層氣鉆井的多功能性分析

我國煤層氣開采方式分為地面開采煤層氣和井下抽采煤礦瓦斯,地面開發煤層氣是在煤炭未開采區域從地面打鉆,采用石油天然氣開采工藝進行。通過普查、詳查、精查等過程進行勘探,利用各種手段,找到具有開采價值的煤層氣富集區,然后進行地面鉆井、下套管、測井和完井等工序,從而開采煤層氣。

煤礦瓦斯抽采主要為保證煤礦安全生產需要而進行的,其抽采方式主要有采前預抽,邊掘邊抽以及采空區抽采。同理,地面鉆井也可以實現采前預抽,邊采邊抽及采空區抽采,此外還可用作其他需要連通井上下的通道之用。因此,從時間序列的角度,煤層氣開發利用中鉆井的多功能性主要體現以下方面：

(1)用于煤炭資源和煤層氣資源的勘探

煤層氣是煤炭的伴生礦產,因而勘探資源時可以實現鉆井的“一孔多用”功能,既探煤又探氣。

對于煤炭勘探區,在勘探煤炭資源的同時,勘探煤層氣賦存參數,提交煤炭和煤層氣兩個儲量報告。其中,煤層氣勘查以煤層氣地質學為理論指導,使用多種勘查手段發現并評價煤層氣資源的開發遠景,為煤層氣開發設計提供地質資源依據的地質勘查工作。其工作程序包括普查、詳查和勘探(精查)3個主要階段,勘探過程如圖1所示。

(2)用于煤層氣的抽采,實施采煤前、采煤中、采煤后抽采

針對采煤活動的進行,煤層氣的抽采又可分為開采前、開采中與開采后三種,如圖2所示。

圖1 煤炭資源和煤層氣資源的勘探階段

圖2 煤層氣的抽采

開采前的煤層氣地面抽采是根據已經布置工作面,在正常的煤炭生產尚未開始時的煤層氣抽采;開采中的煤層氣地面抽采,即邊掘邊抽,指利用采動地壓影響增加煤層氣井的產量;開采后的采空區煤層氣抽采一般采用垂直井進行抽采,利用采煤中頂板壓力變化造成的裂隙發育而大量產氣。

(3)用于井下煤礦瓦斯的集中抽采

針對我國煤炭和煤層氣地質賦存條件,不少礦井需要實施井下瓦斯抽采鉆井,然后集中通過管路排至地面利用,此時靠近瓦斯抽采區的煤層氣地面鉆井可以用作井下煤層氣集中排放孔,如圖3所示。

圖3 井下煤層氣的集中抽放

(4)用于制冷通道,改善抽采環境

對于地熱異常區域,經常需要井下制冷以改善作業環境。井下制冷地方法有多種,其中地面余熱制冷法和地面集中制冰法,需要將地面冷媒輸送到井下工作場所,靠近井下制冷點的煤層氣鉆井可以用作冷媒通道。

3 煤層氣鉆井的綜合效益分析

鉆井的多功能性不僅可以節約煤層氣井的建設費用,并且抽采的煤層氣可以緩解我國優質能源供需矛盾,在一定程度上改善能源結構,也可以從根本上保障煤礦安全生產和改善大氣環境,為企業和社會做出巨大的貢獻。而鉆井作為煤層氣開發利用必不可少的要素,其綜合效益通過煤層氣的開發利用體現出來,因此鉆井的綜合效益包括節約的煤層氣井建設費用和煤層氣產生的效益兩方面,具體表現為：

(1)節約建設成本

鉆井的多功能性可以減少鉆孔的數量,節約鉆井建設成本,從而間接的為煤層氣企業帶來效益。因此,鉆井節約的建設成本計算公式可以表示為：

VC——節約的建設成本;

VAB——每個鉆孔的平均建設成本;

n——減少的鉆孔數量。

(2)安全效益

煤層氣開發利用帶來的安全體現為瓦斯事故發生次數的減少,因此安全效益可以表示為瓦斯事故發生次數的減少而節約的成本。瓦斯事故造成的損失由直接經濟損失和間接經濟損失兩部分組成,直接經濟損失包括事故所造成的人員生命價值的損失和生產設施破壞損失。間接經濟損失包括因事故導致的產值減少、資源的破壞和受事故影響而造成的其它損失等。

因此,鉆井的安全效益計算公式可以表示為：

VF——安全效益;

VDF——減少的直接經濟損失;

VIDF——減少的間接經濟損失。

據調查統計,在瓦斯爆炸事故中,每死亡一人,造成的直接經濟損失都在30萬元以上。根據國際勞工組織的計算方法,事故造成的間接經濟損失往往是直接經濟損失的4～5倍。因此,直接經濟損失減少額的計算公式如下：

VDF1——平均死亡一人造成的直接經濟損失;

VDF2——資產損失減少額;

女人的力氣畢竟沒有男人大，楊秋香見打不著人，氣得一頭趴在一邊的床上，兩手拍打著被子，放聲大哭。一邊哭一邊喊：“我的媽呀！我沒想到哇！沒想到挑來挑去挑了這么一家人家呀！我被人騙了呀……”楊力生見她這樣，像木雞一樣呆在那里了，嘴里雖不再說什么，嗓子眼兒里卻氣得直冒煙。

n——死亡人數的減少量

間接經濟損失減少額的計算公式：

λ——事故損失間直倍比系數

(3)能源效益

開發利用煤層氣可以在一定程度上改善我國的能源結構,增加潔凈的氣體能源,創造巨大的社會價值。能源作為人類經濟社會發展的三大支柱之一,將在世界經濟可持續發展的戰略中具有舉足輕重的作用。隨著我國國民經濟的快速發展,對能源的需求也越來越大,國內油、氣供需缺口急劇增大,通過開發和利用煤層氣,從而現實、有效地彌補我國常規天然氣在地域分布和供給量上的不足。因此鉆井的能源效益計算公式如下：

VS=Q＊PM

VS——能源效益;

Q——煤層氣的利用總量;

PM——每立方米煤層氣的市場價格。

(4)環境效益

開發利用煤層氣可以有效減排溫室氣體,改善大氣環境。煤層氣的主要成分是甲烷 (CH4),是僅次于CO2的重要溫室氣體,其增溫潛力值約為二氧化碳的21倍。甲烷的溫室效應在全球氣候變暖中的份額為15%,僅次于CO2。我國是煤炭生產大國,在進行煤炭資源開采的過程中,大量的煤層氣以通風瓦斯的形式被排放到大氣中,這已引起國內外的普遍關注。因此,開發利用煤層氣不僅可以避免采煤造成的煤層氣這種不可再生資源的浪費,還能減少溫室氣體排放,改善大氣環境方面具有重要的意義。

因此,鉆井的環境效益計算公式如下：

VE——環境效益;

Q——煤層氣的利用總量;

h——甲烷占有的百分比;

η——甲烷轉換為二氧化碳的系數比;

PC——每噸二氧化碳的價格

4 煤層氣鉆井綜合效益評估模型

根據上述鉆井節約的煤層氣建設成本、安全效益、能源效益及環境效益的評估分析,可以得出煤層氣開發利用中鉆井帶來的綜合效益評估模型為：

其中,V表示鉆井的多功能性帶來的綜合效益。在此評估模型中,涉及到的因素都可以數量化,因此它可以全面、客觀的考察煤層氣開發利用中“一孔多用”帶來的綜合效益,為煤礦企業和政府開發煤層氣項目提供了一個科學的依據。

5 總結

煤層氣的開發利用不僅可以緩解我國優質能源供需矛盾,一定程度上改善能源結構的需要,也可以從根本上保障煤礦安全生產和改善大氣環境。鉆井作為煤層氣開發利用中必不可少的要素,對其加以利用,充分發揮鉆井的“一孔多用”功能,可以減少投資,更好地開發利用煤層氣。本文從煤層氣開發利用的建設成本節約、安全效益、能源效益及環境效益等四面綜合考慮了鉆井的效益,并建立相應的評估模型,為全面和科學的評價煤層氣開發項目提供了新的視角。

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