煤層氣資源的開發與利用

摘 要：全球煤層氣資源量可能超過260×1012m3，我國煤層氣地質資源量為36.8×1012m3，與陸上常規天然氣資源量38×1012m3基本相當。煤層氣的開發理論取得了新認識，研究煤層氣的靜態地質特征和動態特征，采用數值模擬研究地下煤層氣擴散-滲流過程中的變化規律；試驗和開發工藝技術也在不斷進步，深煤層的煤層氣開發技術獲得突破，在井網井型的選擇、壓裂技術、排采技術等方面有了新進展；煤層氣的利用范圍也在不斷擴大，特別是在煤層氣發電和化工產品的生產方面得到了普遍應用。

關鍵詞：煤層氣； 開發； 技術； 利用

中圖分類號：TD712.67 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2016）03-184-002

煤層氣，其主要成分為甲烷，是以吸附和游離狀態存在于煤層之中。近年來，隨著人們對新能源和清潔能源的追求，認識到煤層氣是一種新的非常規能源，具有熱值高、安全性高、污染少等優點，既是環境保護的需要，又是常規油氣資源的重要補充或接替。世界上一些具有煤層氣資源的國家，在煤層氣的勘探開發和開采技術方面都進行了大量的研究和礦場試驗，取得了顯著的成果，使得煤層氣資源的開發利用作為綠色能源得到廣泛的重視。

1.煤層氣資源

根據國際能源署（IEA）的統計和我國煤層氣資源評價結果（2006），全球煤層氣資源量可能超過260×1012m3，90%主要分布在12個產煤國，其構成如下：

全球煤層氣資源主要分布情況

國家 煤層氣資源量（×1012m3）

俄羅斯 113

加拿大 76

中國 36.8

美國 21

澳大利亞 14

德國 3

波蘭 3

英國 2

烏克蘭 2

哈薩克斯坦 1

印度 0.8

南非 0.8

我國42個主要含氣盆地埋深2000m以淺煤層氣地質資源量為36.8×1012m3，與陸上常規天然氣資源量38×1012m3基本相當[1]。

2.煤層氣的開發

通過對含煤盆地煤層氣成長條件和煤層氣的形成機理研究，煤層氣開發者認識到利用排水降壓的方式，從煤的表面解吸成為游離氣，在基質中從煤的表面向細微裂縫擴散，在細微裂縫中滲流到大裂縫再滲流運移到井底和井筒的主要過程，而且解吸-擴散-滲流-運移是一個串聯發生的過程[2]。

2.1煤層氣的開發理論

從煤層的靜動態特征出發，發展和豐富了煤層氣的開發理論。一方面研究煤層氣的靜態地質特征，主要是儲集性研究，包括物性、巖性、電性、含氣量等；煤的吸附等溫曲線是煤吸附甲烷的特征曲線，表達了吸附量、解吸量與壓力的關系。滲透率與構造曲率、原地應力的關系，可說明流動性。地下水的研究可以識別高壓區、低壓區、滲透性較好的區域與邊界等。另一方面要研究其動態特征，包括煤儲層壓力的變化、產水量的變化、產氣量的變化、排水過程中動液面的變化、排采工作制度的建立和調整、動態監測及生產管理等；采用數值模擬研究地下煤層氣擴散-滲流過程中的變化規律過程[3]。當前，隨著試驗和工程技術的進步，理論研究也在不斷深入，主要有以下認識：

（1）利用同位素研究來識別盆地內的煤層氣成因；（2）尋找受巖漿巖影響的煤儲層，其生氣量大、含氣量高、甲烷濃度可達到95%；（3）煤層氣的開發深度已經突破1500M，中石化開發的延川南煤層氣田最大埋深為1600m；（4）開展了地質構造對煤儲層結構、含氣量和產水、產氣影響因素的研究；（5）運用核磁共振技術研究甲烷氣體分子在煤孔隙中的流動；（6）測試試井分析和數值模擬技術不斷完善。發明了瞬變流法甲烷擴散系數測試技術，開展了煤儲層滲透率與壓應力、孔隙壓力關系實驗，廣泛開展了同相多組分（二氧化碳、甲烷、氮氣）定成分膨脹或定體積壓縮吸附/解吸實驗，討論了二氧化碳、氮氣不同注入速度和不同注入時期對甲烷生產的影響，并在煤層氣排采試驗中進行了大量應用。在數值模擬方面發展了平衡吸附模型和非平衡吸附模型，開發了煤層氣產能模擬新的模型和軟件[4]。

2.2煤層氣開發技術

2.2.1井網井型的選擇。煤儲層具有低滲透、低壓力、低飽和度、低產的特點，要實現經濟有效的開發，必須結合地下與地面條件，根據研究區域的勘探開發資料詳細編制開發方案。由于煤層氣需要降壓排采，實現“井井聯合”、“整體降壓”，優化井網設計，才能提高產量和采收率。

井型的選擇既要根據煤儲層的地質特征，又要根據煤層深度和地面條件來確定，同時要盡量少占地，維護好環境。在深煤層，利用“井下穿針”技術，并結合鋼套管完井，實施“U型”井和“V型”井，以解決淺煤層塑料篩管完井水平井的壓裂難題；采用“井工廠”模式打平臺井，既節約鉆井費用，又少占地，也便于后期得出的生產管理。

2.2.2煤層氣壓裂技術。煤層氣的開發離不開壓裂改造，尤其是深煤層的開采，煤儲層通過壓裂改造建立降壓通道和滲流通道，從而提高產氣量。壓裂工藝技術的研究需要重視以下過程，一是要研究壓裂機理，通過力學特征實驗研究煤巖的裂縫形成特點，利用全三維擴展物理模擬方法揭示煤層裂縫的開啟和延伸規律；二是要優化工藝參數，根據實驗和研究成果確定合適的施工參數，包括排量、液量、砂量和整體壓裂方案的優化；三是要實驗應用工藝配套技術，包括射孔技術、水平井分段壓裂技術、直井多層壓裂技術、壓裂液和支撐劑的優選等，而這些配套技術都要體現其先進性和經濟性。

另外，煤層氣壓裂也開展了不加砂壓裂、氮氣泡沫壓裂、二氧化碳泡沫壓裂等技術的研究和試驗，為煤層氣的開發提供了支持。

2.2.3煤層氣排采技術。煤層氣井的排采過程要遵循連續、穩定、細致的原則，從控制放噴到煤層產氣的整個過程中，井底壓力、動液面高度、排液速度、產氣速度等都會影響煤層滲透率的變化，反過來又會影響產氣量。在不同的排采階段，滲透率變化的影響因素不同，就決定了需要對不同排采階段的壓力和排采速度進行不同的控制辦法[5]。

（1）量化控制。建立煤儲層——井筒——排采工藝一體化動態預測模型。通過建立排采雙孔-雙滲數學模型、井筒三相流動模型和排采參數優化模型，從而對排采制度實現量化控制；（2）壓力控制。要以煤儲層壓力、解吸壓力和穩定壓力為著重點進行排采階段的控制；（3）精細控制。分階段排采優化。對壓裂后的放噴、初期投產、見氣和產氣時的控制要精細；（4）動態監測。排采過程變化不斷，對壓力、動液面和產氣量的變化要有可靠的工藝手段并進行密切監測，以采取不同的應對措施；（5）產能預測。尋找不同制度下的生產規律，預測產能，優化排采制度。

3.煤層氣的利用

煤層氣是寶貴的清潔的自然資源，有效的利用可以減少資源浪費和環境污染，可以優化能源結構[6]。目前煤層氣的利用主要在以下幾個方面：

（1）煤層氣發電。2010年我國煤層氣發電利用量在30×108m3以上。

（2）煤層氣的化工利用。可用于生產氨及化肥、甲醇及其加工產品、乙烯及其衍生產品、乙炔及炔屬精細化學品、合成氣（CO+H2）等大宗化工產品以及生產甲烷氯化物、二硫化碳、氫氰酸、硝基烷烴、氦氣等化工產品。在煤層氣生產化工產品的技術上也發展迅速，如甲烷在固體酸催化劑表面發生異裂而生成甲基正碳離子，提出一種指導穩定C-H鍵無氧活化研究的新理論，以甲烷為原料制作燃料電池、汽車燃料等。

（3）煤層氣液化。煤層氣液化可使煤層氣的體積縮小600倍，甲烷濃度可提高到99.8%，使用LNG運輸車運送，具有用戶的靈活性，也可以進入現有管道銷售。

4.結論

（1）從國際國內來看，煤層氣資源豐富，開發潛力巨大。

（2）煤層氣的開發范圍進一步擴大，由淺層向深層延伸，由采煤礦區向專業煤層氣開采方向擴展。

（3）煤層氣開發技術不斷完善，深層煤層氣的開發技術獲得突破，水平井、U型井、V型井的鉆井和壓裂技術得到了現場應用并取得了顯著效果。

（4）煤層氣作為清潔能源在民用、發電和化工產品的生產等方面得到了普遍的利用。

參考文獻：

[1]黃志斌，郭藝，李長清，等.中國煤層氣潛力及發展展望[J]中國煤層氣，2012，，92）：3-5

[2]羅平亞.關于大幅度提高我國煤層氣井單井產量的探討[J]天然氣工業，2013，33（6）：1-6

[3]馮文光.煤層氣藏工程[M]北京：科學出版社，2009

[4]嚴緒朝，郝鴻毅.國外煤層氣的開發利用狀況及其技術水平[J]石油科技論壇，2007，6：24-30

[5]倪小明，蘇現波，張小東.煤層氣開發地質學[M]北京：化學工業出版社，2009

[6]錢小武，袁梅，劉源俊，等.中國煤層氣利用現狀淺析[J]中國煤層氣，2009，18（6）：4-6