烏魯木齊礦區煤層氣中CO2賦存規律及利用工藝淺析

雍曉艱 張 軍

(1.新疆維吾爾自治區煤田地質局,新疆 830091; 2.新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊,新疆 830009)

1 地質特征

1.1 地層特征

烏魯木齊礦區地層為侏羅系(J)、白堊系(K)、第三系(R)和第四系(Q)。自下而上的地層層序是：下侏羅統八道灣組、三工河組，中侏羅統西山窯組、頭屯河組，上侏羅統齊古組、喀拉扎組和白堊系下統吐谷魯群、上統東溝組以及第四系。目前勘查開發的主力煤層系位于中侏羅統西山窯組。

1.2 構造特征

礦區褶皺包括七道灣背斜(M6)、八道灣向斜(W7)、南阜康向斜(W5)。主要斷裂有區域的堿泉溝-魏家泉逆斷層(F8)、五家泉逆斷層(F9)、碗窯溝逆沖斷層(F2)、白楊北溝逆沖斷層(F3)，在工作區東部和南部外圍有紅山嘴北-白楊北溝逆沖斷層(F4)和妖魔山(F5)斷層。其總體構造線方向為北東東向，與北天山褶皺帶展布方向基本一致(見圖1)。

圖1 礦區構造綱要圖

1.3 煤層特征

礦區煤層主要賦存于侏羅系中統西山窯組(J2x)地層及侏羅系下統八道灣組(J1b)地層中。目前礦區勘查開發工作的目標煤層為西山窯組的42～43和45號煤層。

含煤地層總厚812.78～917.33m，平均厚度856.10m，煤層自上而下編為2～46號，可歸納為27～28個層(組)。煤層(組)總厚度為334.87～414.01m，平均厚度362.51m。煤層有益總厚度為117.28～147.43m，平均厚度133.43m，含煤系數15.6%?？刹擅簩?8～20個層(組)，可采總厚度102.26～127.80m，平均厚度117.11m，占全區總有益厚度的87.8%。

2 礦區氣成分特征

2.1 參數井解吸氣成分

4口參數井采樣進行氣成分測試的煤層分別為：烏參1井41、42～43、45號煤層，烏參2井27、38、40、41、42～43、45號煤層，WS-1參6～9、20～22、24、25、26、28、31、32、38～39、41、42～43、45號煤層，WS-2參38～39、40、41、42～43、45號煤層(見表1)。

表1 烏魯木齊礦區各煤層氣成分一覽表

續表

(1)CH4濃度

20～22、28號煤層CH4濃度為50%～60%，25、26、31、32號煤層甲烷濃度為70%～80%，6～9、 24、40號煤層甲烷濃度為80%～90%；

38～39號煤層WS-1參甲烷濃度為54.12%，WS-2參92.42%；

41號煤層烏參1井甲烷濃度39.81%，烏參2井72.21%，WS-1參53.36%，WS-2參74.42%；

42～43號煤層烏參1井甲烷濃度60.06%，烏參2井32.48%，WS-1參58.87%，WS-2參79%；

45號煤層烏參1井甲烷濃度72.4%，烏參2井14.58%，WS-1參73.33%，WS-2參76.62%。

從圖2可以看出，除了烏參2井多數采樣點CH4濃度在50%以下外，其余參數井的煤層CH4濃度基本上都在50%以上。其中，WS-1參鉆遇煤層最深，從WS-1參CH4濃度分布可以看出，隨著深度的增加CH4濃度先減小后增大，但CH4濃度最低點也大于50%。

圖2 不同采樣點CH4濃度與深度關系對比圖

(2)CO2濃度

6～9、20～22、24、25、31號煤層CO2濃度小于10%；26、28、32、40號煤層CO2濃度在10%～30%之間；38～39號煤層WS-1參CO2濃度為31.55%，WS-2參為3.27%；

41號煤層烏參1井CO2濃度為56.62%，烏參2井為21.08%，WS-1參為38.83%，WS-2參為13.6%；

42～43號煤層烏參1井CO2濃度為38%，烏參2井為60.49%，WS-1參39.06%，WS-2參16.17%；

45號煤層烏參1井CO2濃度為22.68%，烏參2井52.01%，WS-1參23.28%，WS-2參21.42%。

從圖3可以看出，除了烏參2井多數采樣點CO2濃度在50%以上以外，其余參數井CO2濃度基本都在50%以下。其中，WS-1參鉆遇煤層最深，從WS-1參CO2濃度分布可以看出，隨著深度的增加CO2濃度先增大后減小，在1000m左右(42～43號煤層)達到最大，約為40%。

圖3 不同采樣點CO2濃度與深度關系對比圖

2.2 排采井口氣成分

自2013年12月～2014年4月先后在井口采集了5次氣樣，進行了氣成分的測試工作(見表2)。

表2 生產試驗井井口氣成分測試成果表

從表2和圖4可以看出，礦區CO2濃度較高，WS-1井在排采初見氣時即達到18.14%，WS-2井排采初見氣時達到14.54%。隨著排采工作的進行，CH4濃度逐漸變低，CO2解吸量越來越多，CO2濃度也逐步升高，說明CO2的吸附性強于CH4。同時，從WS-1井曲線還可以看出，2014年8月～12月這段時間內CH4濃度的降低幅度和CO2濃度的升高幅度明顯小于前期，說明排采穩定后該區CH4濃度最低值可能在60%左右，CO2濃度最高值可能在30%左右。

3 CO2處理利用

目前，用于天然氣CO2分離的方法很多，大體上分為化學吸收法、物理吸收法、變壓吸附法等。

化學吸收法中應用最為廣泛的就是醇胺法，而醇胺法中最具代表性的溶劑就是甲基二乙醇胺(MDEA)，具有凝固點低、蒸汽壓低、溶劑揮發損失少，處理能力大、操作靈活、酸氣負荷高等特點；物理吸附法的原理是通過交替改變CO2和吸附劑(通常是有機溶劑)之間的操作壓力和操作溫度以實現CO2的吸附和解吸，從而達到分離CO2的目的，國內化工廠應用較多的有多乙二醇二甲醚工藝(簡稱Selexol法或NHD法)；變壓吸附法脫CO2工作原理是利用吸附劑對不同吸附質的選擇性吸附和吸附劑對吸附質的吸附容量隨壓力的變化而有差異的這種特性達到脫除的目的。各工藝均具有各自的特點和應用場合，下面就針對化學吸收法中的MDEA脫碳、物理吸收法(NHD)和變壓吸附法(PSA)三種典型脫碳工藝的優缺點及國內應用情況進行對比，具體對比見表3。

圖4 WS-1、WS-2井排采井口氣成分對比圖

表3 脫碳工藝方案對比表

根據上表對比分析， MDEA溶劑吸收法工藝在大型天然氣脫碳裝置中應用廣泛，PSA變壓吸附法在小規模裝置應用廣泛，而物理吸附法(NHD)尚未在國內油氣田有應用先例，鑒于以上因素，推薦具有實際工程應用經驗的、技術成熟的及適用于本礦區的PSA變壓吸附法脫碳工藝。

[1] 楊曙光、王德利，等. 新疆準南煤田烏魯木齊礦區煤層氣資源預探報告[R]. 新疆煤田地質局煤層氣研究開發中心,2014年.

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[4] 曾憲軍,佟黎明,樊利強,等.新疆準南煤田阜康市砂溝井田勘探報告[R].烏魯木齊: 新疆地礦局第九地質大隊,2007:28-53.

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