火燒煤層開采煤層氣的研究

毛 瓊 王緒性 王 芳 彭成敏

(1. 中國礦業大學地球科學與測繪工程學院, 北京 100083; 2. 中國石油大學 (華東) 石油工程學院,山東 266555; 3. 華北油田公司勘探開發研究院, 河北 062552)

1 概念的提出

火燒煤層開采煤層氣是一種地面強化開采煤層氣的新方法, 它是借鑒火燒油層、煤的地下氣化以及注熱、注二氧化碳在機理上提高煤層氣產出。

美國早在1917 年J．O．李威斯就提出了采用熱力或注溶劑的方法, 驅替地層中的原油以提高采收率的概念。1923 年瓦爾科特 (Wolcott) 和霍華德(Howard) 也認識到, 把空氣注入到油層, 使油層在地下燃燒, 產生熱量以降低粘度, 同時產生驅替原油的驅動力。1947 年開始了實驗室試驗研究[2]。50 年代后, 這項新技術得到廣泛的關注, 各個石油公司在油田展開了一系列的試驗研究, 使得火燒油層技術得到了快速的發展。除美國外, 前蘇聯,荷蘭, 羅馬尼亞, 匈牙利, 德國, 印度等40 多個國家先后開展了火燒油層采油的相關工作。印度Mehsana 油田將火燒油層應用于生產中, 取得較好效果, 其原理為井中點燃氣體, 并注入空氣以維持燃燒前緣, 在此過程中, 少量原油燃燒掉, 產生CO2、水蒸氣及熱量, 這樣可以降低原油粘度, 增加原油流度, 從而將其驅替到附近的生產井中。

我國從1958 年起, 先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層試驗研究, 因受當時條件的限制, 火燒油層技術讓位于注蒸汽采油, 在我國的現場應用直到目前還為數不多。但是, 室內研究一直沒有停止, 80 年代以來不斷開展火燒油層的物理模擬、化學模擬和數學模擬研究, 開展了大量的室內試驗, 也進行了現場火燒可行性研究和施工設計與預測。遼河油田試驗采用的火燒油層比例物理模擬裝置, 完全是自主研發, 為目前世界上最大的比例物理模擬裝置。勝利油田完成了火燒油層點火工藝、室內物理模擬、動態監測、注氣工藝等技術的配套研究, 并成功點燃了高滲透稠油井、低滲透稠油井和蒸汽吞吐后期稠油井三種不同類型的稠油油藏, 并維持了油層的穩定燃燒, 在國內外尚屬首次。

2 火燒煤層開采煤層氣的機理

所謂的火燒煤層開采煤層氣就是通過點火系統和地面控制臺把煤層引燃, 并控制注氣量使煤層處于不完全燃燒狀態, 從而加快煤層氣 (主要是甲烷) 的解吸和擴散, 提高煤層氣采收率的一種方法。

通過點火系統火把煤層點燃, 不斷鼓風維持燃燒, 煤層中的每種碳氫成分和空氣中的氧氣發生如下反應：

第二種反應的生成物一氧化碳, 在有氧氣的參與下, 又進一步燃燒生成二氧化碳。

以上的反應是燃燒反應, 在化學上也叫氧化反應, 需要消耗氧氣, 因此空氣越往前走, 氧氣的含量越少, 直到氧氣完全耗盡為止, 這里就成為燃燒帶的終點。

燃燒生成物繼續沿著火焰工作面向出煤氣孔的方向前進, 當它遇到燒熱的煤表面的時候, 就再一次同煤層中的碳發生化學反應：

這些反應需要吸收大量的熱量, 這些熱量由燃燒帶內發生氧化反應時放出的熱量來供給。上述反應在化學上叫做還原反應, 所以發生這種反應的地帶稱為還原帶。還原反應需要吸收熱量, 這樣就使得火焰工作面沿著長度方向的熱量越來越少, 溫度越降越低。到最后, 煤層表面的溫度終于降低到不足以維持還原反應的進行, 這里就是還原反應帶的終點。

從煤層表面的溫度降低到不足以維持還原反應進行的那一點起, 就開始了氣化的“干餾帶”。氣化的生成物在干餾帶里前進, 由于溫度條件的限制, 它們不能再與煤中的碳發生反應。它們只是用殘余的熱量把煤層“烘熱”, 加快甲烷的解吸。

通過以上的分析, 我們把火燒煤層開采煤層氣的機理總結如下：

(1) 煤層燃燒生成的CO2對煤層氣增產機理本質上包括“驅動”與“置換”兩個方面。煤對不同氣體的吸附情況是不同的, 大小順序與范德華力的順序一致, 即Q (CO2) ＞Q (CH4) ＞Q (N2) 。CO2與煤表面大分子之間的吸附作用大于CH4, 即CO2更易與煤表面大分子結合。因此, 當向煤層中積聚大量CO2時, CO2將排擠吸附在煤表面的CH4使其解吸, 而自身則被吸附到煤表面。這種作用被稱為競爭吸附置換作用。

(2) 煤層燃燒產生的熱量, 使煤層的溫度升高。隨溫度的升高, 煤層對甲烷的吸附能力減弱,解吸速率加快, 吸附時間縮短。溫度對CH4解吸起活化作用, 溫度越高, 游離CH4越多, 吸附氣越少。試驗研究表明, 溫度每升高1 ℃, 煤吸附甲烷的能力降低約8%, 其原因是溫度升高, 甲烷活性增大, 難于被煤體吸附, 同時已被吸附的氣體分子易于獲得動能從煤體表面解吸出來。

(3) 產物水分子與煤之間有相似的特性。水與煤之間不存在共價鍵, 不以較弱的范德華力吸附在煤中的, 水分子為極性分子, 根據相似相容原理,水分子比CH4更容易吸附于煤中, 從而取代了CH4的位置, 與煤層氣形成了競爭吸附從而增加了CH4解吸量。

(4) 煤層在高溫的影響下發生干裂, 形成很多裂隙, 類似于壓裂對煤層造成的儲層改造, 有利于煤層氣在煤層中的滲透。另外, 煤在高溫和接觸樣的條件下, 容易發生表面氧化, 在煤表面形成碳氧絡合物。煤經氧化后易于破裂, 表面積增加, 粘結性變差甚至消失, 加快煤層氣的解吸。

(5) 火燒煤層燃燒掉的煤, 形成洞穴, 類似于酸蝕的作用, 增加新產生的裂縫的表面積, 形成大孔道, 增大了煤層的孔隙, 提高煤層氣向裂縫網絡中的擴散能力。

(6) 火燒煤層對煤層的作用及其產物不污染煤層, 減小對儲層的損害。

3 火燒煤層開采煤層氣的實施步驟

(1) 井網的布置。在一個四點或五點或七點的井組 (采氣井) 的中心, 鉆一口注氣井, 如圖1 所示。

圖1 井網布置示意圖

(2) 煤層的貫通。為了順利的點燃煤層則要求煤層有較多的裂縫。通常褐煤具備這樣的條件, 而且它的反應性能良好。對于一些致密的煙煤或無煙煤層時, 這時候就應該采用擴大天然裂隙和制造人工裂縫的方法。在此我們采用電力貫通, 具體做法如下： 首先要在兩個鉆孔 (一個是注氣井, 一個是采氣井) 里各放一個電極, 把電極插進孔底煤層里, 然后接上電源, 通以高壓, 這樣在兩個鉆孔之間的煤層里構成一條特殊的導電通路, 如圖2 所示。電流通過煤層的時候, 把煤層加熱, 使它失去水分、揮發物等成分而變成焦炭。同時由于水分和揮發物等成分變成為氣體散失, 體積縮小, 因此煤層的孔隙和裂隙也大大的增加。

電力貫通所需的電流和電壓, 變化的范圍很大(電壓在6000V 以下; 通常采用1300～3000V; 功率300～1200W) , 這是因為各種不同的煤層具有不同的臨界擊穿電壓值 (即在這種電壓的作用下, 煤層才能被擊穿貫通) 。在貫通開始之初, 因為煤層里的含水量比較多, 電阻比較小, 這時候應該采用較低的電壓。等到電流穩定一個時期后, 再把電壓升高到最高值。

圖2 電力貫通示意圖

(3) 煤層的點燃。通過點火系統和地面控制臺, 把煤層點燃。點火系統的點火原理： 利用點火線圈產生足夠的高壓電流, 通過點火電纜, 高壓電流到達火花塞, 進而在火花塞的中心電極和側電極之間跳火, 產生強烈的電火花。電火花進而引燃由壓風機壓入和火焰槍噴出的可燃氣體, 進而引燃部分煤層的燃燒。由溫度傳感器返回的數據, 斷定煤層被點燃后, 停止向井內注入可燃性氣體, 改為向井內注入空氣 (圖3、圖4) 。

圖3 點火系統橫截面示意圖

圖4 點火系統的井底結構示意圖

火花能量和熱表面面積等對甲烷的爆炸極限均有影響。如甲烷在電壓100V、電流強度1A 的電火花作用下, 無論濃度如何都不會引起爆炸。但當電流強度增加至2A 時, 其爆炸極限為5．9%～13．6%; 3A 時為5．85%～14．8%。所以在點火時要控制點火電纜的電壓和功率。

(4) 煤層氣的采集。在煤氣出口處就得到了如下成分的氣體混合物： CO2、CO、CH4、CnHm、O2、N2以及SO2等。在這種混合氣體的組成成分里, CO2、O2和N2是不能燃燒的氣體, 它們的存在只能降低煤層氣的熱值。其他成分都屬于可燃性氣體, 其中以甲烷、一氧化碳和氫氣為主。

(5) 煤層燃燒程度的控制。通過注入高壓空氣的量來控制燃燒程度, 這一切都是在計算機根據燃燒場模型的變化自動進行的, 使整個燃燒場處于最佳的不完全燃燒狀態, 保持最高的產氣量。

(6) 煤層燃燒范圍的控制。可以在燃燒蔓延的方向上打一排注水井, 注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒; 在火勢較猛的地方, 采用注高壓水泥漿來阻斷燃燒。

4 火燒煤層開采煤層氣注意的問題

4．1 爆炸問題

點燃煤層采用電打火點燃可燃氣 (甲烷) 與空氣。1 體積甲烷與2 體積氧氣完全反應, 氧氣在空氣中體積為21%, 恰好完全反應時, 甲烷在空氣中的體積分數為9．5%, 此時爆炸最劇烈。而甲烷與空氣混合爆炸極限為5%～15%, 井下局部氣體混合會達到爆炸極限, 點火爆炸。爆炸極限不是一個固定值, 它受各種外界因素的影響而變化, 如初始溫度、初始壓力、惰性介質或雜質、容器的材質和尺寸等。當溫度不變時, 隨著壓力的升高, 爆炸極限相應地擴大當壓力不變時, 隨著溫度的升高,爆炸極限也相應地擴大, 爆炸極限上限隨溫度、壓力的變化大于爆炸極限下限的變化。所以在火燒煤層是應該控制甲烷氣體在混合氣體中的質量分數小于5%。

4．2 地下煤火問題

所有起火燃燒都需要三個因素： 空氣、可燃物和足以產生火花的溫度。避免火燒煤層產生地下煤火問題, 要求煤層不能與大量氧氣接觸, 同時考慮到火燒煤層點火的成功率, 建議火燒煤層在地下400～500m 范圍內進行。

4．3 坍塌問題

防止火燒煤層后的區域的塌陷, 可采用填沙法。將沙和水混合后注入地下, 混合物在地下沉淀后就能對地面形成支撐, 這樣還阻止了氧氣接觸到火。

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