黔西北煤礦煤層氣的開發(fā)及其環(huán)保正效益

陳雪峰

(貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院，貴州貴陽550081)

黔西北煤礦煤層氣的開發(fā)及其環(huán)保正效益

陳雪峰

(貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院，貴州貴陽550081)

在綜述煤層氣對于煤礦安全生產(chǎn)以及環(huán)境危害的基礎(chǔ)上，從保護環(huán)境、緩解能源緊張、延長煤層氣的產(chǎn)業(yè)鏈、減少瓦斯危害等多個角度綜合分析了煤層氣開發(fā)所帶來的巨大效益，并以黔西北煤礦為例，敘述了煤層氣的資源量現(xiàn)狀及其地質(zhì)特征等基本情況。簡述了目前我國煤層氣的開發(fā)現(xiàn)狀，并提出了四條增產(chǎn)措施，這些措施必將對推動貴州省經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，加快貴州省工業(yè)強省步伐起到積極作用。

煤層氣開發(fā)環(huán)境保護正效益黔西北煤礦

煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體［1］。煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物(可燃冰)作為非常規(guī)天然氣家族的三大成員，與天然氣的勘探開發(fā)一樣，日益受到世界各國的重視。但煤層氣與頁巖氣和天然氣水合物(可燃冰)相比，其開采技術(shù)難度要小得多，可以說它是近期最現(xiàn)實的天然氣資源。加之政府對節(jié)能減排、改善能源結(jié)構(gòu)，降低溫室氣體排放十分重視，煤層氣的勘探開發(fā)以及綜合利用已迎來了快速發(fā)展的時期。

中國的一次能源消費結(jié)構(gòu)極其不合理，化石燃料的主體是煤炭，占70．62%，而世界為29．36%，碳排放量相對較低的天然氣在能源構(gòu)成中僅占 3．66%，而世界為23．6%，因此提高天然氣在能源構(gòu)成中的比重是邁向低碳經(jīng)濟的橋梁［2］。

1 煤層氣的主要危害

煤層氣作為一種新能源，過去未能得到足夠的重視，不僅造成了巨大的資源浪費，而且造成了極大的危害。

1．1 煤礦安全生產(chǎn)的殺手

在采煤工業(yè)中，煤層氣是礦井致爆的主要因素，被稱為煤礦安全的“第一殺手”。煤層氣對煤礦安全生產(chǎn)的潛在危險主要表現(xiàn)為兩方面，一是我們熟知的瓦斯爆炸，據(jù)文獻介紹［3］我國每年因瓦斯爆炸死亡的人數(shù)約2 000人;另外一類為煤與瓦斯突出，是指在壓力作用下，破碎的煤與瓦斯由煤體內(nèi)突然向采掘空間大量噴出的現(xiàn)象，破壞力巨大，1950－1990年，我國已發(fā)生煤與瓦斯突出事故15 000次。引發(fā)這兩類事故的元兇正是煤層氣，即我們常說的瓦斯。

1．2 環(huán)境破壞的元兇

煤層氣的主要成分是甲烷。甲烷是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的20－60倍，對臭氧層的破壞力是CO2的7倍。并且甲烷在大氣中的滯留時間比CO2短的多，因此，減少甲烷向大氣中的排放量對緩解全球氣候變暖具有較為近期的效果［4］。

2 煤層氣開發(fā)帶來的正效益

2．1 保護環(huán)境

煤層氣是煤炭的伴生能源，在開采煤炭的同時充分有效地利用煤層氣，可以將其化害為利，不但能帶來一定的經(jīng)濟效益，還能減少其排放量，對環(huán)境保護起到積極作用。此外，煤層氣本身也是一種優(yōu)質(zhì)的氣體清潔能源，燃燒時僅排放少量的二氧化碳和極微量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物，若能合理的開發(fā)利用煤層氣，每年將減少向大氣中排放甲烷氣體360×108m3，相當(dāng)于減少SO267．84×104t。全國每年排放的瓦斯，全部利用起來，可代替發(fā)電原煤0．68×108t，可以減少粉塵和爐渣排放分別為13．56×104和 0．134 × 108t［5］，這樣不僅減少了煤礦甲烷排放量，使其成為居民日常生活中清潔的氣體燃料，造福于人類，有效地緩解大量燃煤造成的環(huán)境壓力，而且有利于大氣環(huán)境和臭氧層的保護。此外煤層氣具有很高的熱值，根據(jù)熱值計算，1m3的煤層氣相當(dāng)于1．25 kg標準煤或1．86 kg原煤，充分利用煤層氣可以降低燃煤在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例，可有效地緩解大量燃煤燃燒造成的環(huán)境壓力，有利于大氣環(huán)境和臭氧層的保護。

2．2 緩解能源緊張

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，以及國際能源價格的波動，我國能源短缺和能源結(jié)構(gòu)不合理的矛盾日漸突出，能源需求處于高速增長期，不斷促進新型替代能源的研發(fā)與利用已經(jīng)成為一種必然趨勢。據(jù)統(tǒng)計，中國的一次能源消費量呈逐年上升趨勢，從1999－2009年10年間增長了133%，且消耗量占世界總消耗量的比例不斷增加，一次能源消耗形勢嚴峻［2］。煤層氣可用于發(fā)電，且具有投資小、建設(shè)周期短、回報率高等優(yōu)點，不但可以緩解電力緊張的局面，還能節(jié)省煤炭、石油等常規(guī)能源的消耗，同時在節(jié)能減排方面起到一定的作用。若將全國每年排放的瓦斯全部利用起來，可代替發(fā)電原煤0．68×108t［5］。煤層氣也可作為天然氣的重要補充，它的開發(fā)利用將有效緩解當(dāng)前日趨緊張的能源局勢，可在一定程度上緩解我國能源的供需矛盾，從而實現(xiàn)我國能源、經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

2．3 延長煤氣層產(chǎn)業(yè)鏈

煤層氣的商業(yè)化開發(fā)利用，能夠有效延伸煤氣層的產(chǎn)業(yè)鏈。煤層氣可以直接加工成幾十種化工產(chǎn)品，通過這些產(chǎn)品又能進一步加工成幾百種精細化工產(chǎn)品。CH4是一種重要的化工原料，可用于合成氨、甲醇、炭黑、乙炔，且這些化工產(chǎn)品都是我國發(fā)展化學(xué)工業(yè)急需的化工原料，這些產(chǎn)品的開發(fā)不但豐富了一些重要化工原料的生產(chǎn)途徑，還能起到綜合開發(fā)利用煤層氣資源并能延長煤層氣的產(chǎn)業(yè)鏈，將能加速貴州省工業(yè)強省的步伐。

2．4 減少瓦斯的危害

在采煤過程中，煤層氣對煤礦安全生產(chǎn)的潛在危險主要表現(xiàn)為兩方面，一是瓦斯爆炸，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高，如果遇到氧氣、火源就很容易引起爆炸，二是燃氣瓦斯突出，是指壓力作用下，破碎的煤氣瓦斯在數(shù)短的時間內(nèi)，由煤氣內(nèi)突然向采掘空間大量噴出的現(xiàn)象，破壞力巨大，而抽放瓦斯是避免煤礦事故的最有效方法。我國已發(fā)生的瓦斯爆炸及瓦斯突出事故給國家和人民帶來了極為嚴重的損失。如果對煤礦瓦斯?jié)舛冗M行控制，并合理利用煤層氣，不但可以減少礦難的發(fā)生，還能帶來可觀的經(jīng)濟效益。

3 我國煤層氣的開發(fā)利用現(xiàn)狀－以黔西北煤礦為例

煤層氣作為一種高熱值的燃料(其發(fā)熱量為30MJ～40MJ/m3，1 000m3煤層氣相當(dāng)于1t標準煤的能量)［5］。若能被人們所利用，不僅可以大大降低煤礦安全的隱患，減少嚴重的環(huán)境污染，而且能夠解決我國石油資源減少而帶來的日益緊張的能源需求與國家安全。

3．1 煤層氣資源量現(xiàn)狀

我國的煤層氣資源極為豐富，據(jù)資料記載:［6］我國陸上埋深2 000m以淺的煤層氣資源量達30×1012－35×1012m3，相當(dāng)于350×108t燃油、450 ×108t標準煤，其資源量僅次于俄羅斯和加拿大，位居世界第三位，約占世界煤層氣資源總量的1/3。

貴州素以“西南煤海”著稱，煤炭資源豐富，在煤層中蘊藏有大量可供開發(fā)利用的煤層氣。全省埋深2000m以淺的煤層氣資源量達3．15×1012m3，總量少于山西，居全國第二，其中富甲烷的煤層氣占貴州省煤氣層總資源量的92．7%。全省煤層氣資源的分布，基本與煤礦的分布一致，相對集中于西部，以六盤水煤田最豐富，次為織納煤田與黔北煤田［7］。

3．2 煤層氣地質(zhì)特征

我國煤層氣地質(zhì)儲藏條件復(fù)雜，構(gòu)造形態(tài)多樣，普遍存在于“三低”的儲層中，既低滲、低壓、低飽和度的儲層中。

黔西北煤炭資源豐富，主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組，是南方煤及煤層氣最富集的地區(qū)。在平面分布上，富煤區(qū)位于織金、納雍、大方一帶，總體呈北東向展布，一般區(qū)分布于黔西、金沙、畢節(jié)等地，貧煤區(qū)分布于赫章、威寧一帶。在縱向分布上，龍?zhí)对缙诤阂话悖砥诤焊唬L興期含煤貧。本地區(qū)煤種齊全，煤階由肥、焦、瘦、貧煤到無煙煤均有分布，其中，無煙煤資源占總資源量的92．5%［8］。由文獻［9］得出的結(jié)論:煤吸附 CH4的總體變化趨勢是吸附量隨煤級的升高而增加的。由此不難看出，位于高煤液的無煙煤資源，易總資源量的比例在黔西北地區(qū)是非常顯著的。因此，黔西北地區(qū)擁有豐富的優(yōu)質(zhì)煤層氣資源。

3．3 煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀及其增產(chǎn)措施

但是我國煤層氣開發(fā)利用起步較晚，至今未形成又規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)。相反，美國的煤層氣資源總量不到中國的1/3，卻在經(jīng)歷了20世紀70年代的開發(fā)試驗階段、80年代的產(chǎn)業(yè)化啟動階段之后，在20世紀90年代就已經(jīng)進入了商業(yè)化生產(chǎn)高速階段。究其原因，除與美國政府制定的優(yōu)惠稅收補貼政策及資金支持上的扶持力度不同外，還與中國煤層氣勘探開發(fā)中存在的一些尚未突破理論與技術(shù)問題有直接聯(lián)系。從開采技術(shù)的角度考慮，如何突破我國煤層氣低滲這一技術(shù)難題已成為解決問題的核心。借鑒國內(nèi)已經(jīng)比較成熟的低滲透油田開發(fā)方面的技術(shù)經(jīng)驗，可以通過以下四種方法來提高煤層氣的產(chǎn)量。

(1)可以試圖通過在煤層中鉆水平井、分支井、魚骨井，或水平井+魚骨井組合的鉆井方法提高煤層內(nèi)部與外界的連通程度;

(2)針對煤層的孔滲結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)質(zhì)合理的鉆井液體系，在保證安全鉆井的前提下，減少鉆井液對儲層的破壞，在鉆井過程中最大程度上保持煤儲層的原始狀態(tài)［10］;

(3)在鉆井的完畢后，可輔以壓裂排液技術(shù)，造成排水降壓采氣的有利條件;

(4)可以運用煤層吸附CO2的能力強于吸附CH4的原理，采用CO2驅(qū)的方式來提高煤層氣的采收率，既能達到溫室氣體的回收利用，又能提高煤層氣的產(chǎn)量，并且可以補充地層能量，延長氣井的壽命。從圖1可以看出，在虛線與實線之間包圍的部分的面積代表了CO2－N2混合驅(qū)方法下提高的煤層氣產(chǎn)量，可以看出數(shù)量上是非常可觀的。

圖1 CO2－ECBM煤層氣生產(chǎn)過程曲線示意圖［10］

4 結(jié)論

(1)從安全生產(chǎn)的角度分析了煤層氣對安全生產(chǎn)的巨大隱患，并從環(huán)保的角度分析了煤層氣放空排放對環(huán)境的破壞;

(2)從煤層氣開發(fā)帶來的保護環(huán)境、緩解能源緊張、延長煤層氣的產(chǎn)業(yè)鏈、減少瓦斯危害幾個角度綜合分析了煤層氣開發(fā)所帶來的巨大效益，這些必將能推動貴州省的經(jīng)濟發(fā)展，加速貴州省工業(yè)強省的步伐。

(3)以黔西北煤礦為例，敘述了煤層氣的資源量及其地質(zhì)特征等基本情況。簡述了目前我國煤層氣的開發(fā)現(xiàn)狀，并提出了lh條增產(chǎn)措施。

(編輯:于 杰)

［1］DZ/T 0216 －2002，煤層氣資源/儲量規(guī)范(S)．

［2］童曉光．大力提高天然氣在能源構(gòu)成中比例的意義和可能性［J］．天然氣工業(yè)，2010，30(10):1 －6．

［3］張群．關(guān)于我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的戰(zhàn)略性思考［J］．中國煤層氣，2007，4(4):3 －5，15．

［4］曾榮，薛春紀，曹志鵬，李金超．開發(fā)利用煤層氣的環(huán)境效應(yīng)［J］．陜西環(huán)境，2003，10(4):17－19．

［5馮明，陳力，徐乘科，李春凱．中國煤層氣資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［J］．資源科學(xué)，2007，29(3):100 －104．

［6］秦勇．中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化面臨的形勢與挑戰(zhàn)(Ⅰ)－當(dāng)前所處的發(fā)展階段［J］．戰(zhàn)略研討，2006，26(1):4 －7．

［7］2010－2015年中國煤層氣行業(yè)調(diào)研及投資前景預(yù)測報告．

［8］張茂鳴．黔西北煤層氣開發(fā)利用研究［J］．烏蒙論壇，2010，(3):65．

［9］崔永君，張群，張泓，張慶玲．不同煤級煤對CH4、N2和CO2單組份氣體的吸附［J］．天然氣工業(yè)，2005，25(1):62．

［10］劉延鋒，李小春，白冰．中國CO2煤層儲存容量初步評價［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(16):2948．

CBM Development and Its Positive Benefit of Environmental Protection-coal Mine as Example to Northwest of GuiZhou

CHENG Xue-feng
(Guizhou Institute of Environmental Science and Designing，Guiyang Guizhou 550081，China)

This paper reviews CBM hazards for the coal mine safety and environmental protection．And from aspects of environmental protection，easing energy shortage，extending the industrial chain of CBM and gas hazard reduction，analyzed the enormous positive benefits of CBM development．Taking the example of northwest of Gui Zhou coal mine，described the status of CBM resources and geological features，Summarized the current CBM development in China，and proposed three measures to increase its production，of these，it will be able to promote the sustainable development of local economy and environment，accelerate the pace of industrial province of Gui Zhou．

CBM development;environmental protection;positive benefits;northwest of Gui Zhou coal mine

X22

A

1002－2104(2011)03專－0055－03

2011-04-10

陳雪峰，碩士，助理工程師，主要研究方向為環(huán)境咨詢。