煤层气的开采与利用

煤层气的开采与利用

（包括不限于新旧技术的介绍与对比、国内外技术对比，目的是搞清楚煤层气作为一种自然资源是如何实现经济效益的）；

一.煤层气背景介绍

1.我国煤层气资源分布

我国大型煤矿区煤层气资源丰富,13个大型煤炭基地煤矿区埋藏深度1500 m以浅,煤层气原地资源量为9. 97万亿m3 ,煤层气技术可采资源量为4. 64万亿m3 ; 从煤层气资源规模看,晋中、晋东、神东和云贵这4个大型煤炭基地应是我国煤矿区煤层气资源开发重点布局的区域; 煤层气富集区是我国经济比较发达、人口相对密集的地带,煤矿区煤层气开发区位优势突出,市场十分广阔。

2.煤层气的开采事故频发

瓦斯是我国煤矿重特大灾害事故的主要根源, 2011年全国发生重大以上瓦斯事故12起,死亡207人,分别占全国煤矿重大以上事故起数和死亡人数的57. 1%和59. 1% 。

3.煤层气相比常规天然气的特殊性

储层特殊性

储层为 “有机” 储层,由此导致煤层气赋存状态、控气地质因素、产出机理、开采方

式、产出特征的不同, 例如,地层状态下的煤层气赋存以吸附态为主,产 出过程必须经历降压解吸阶段,开采方式不局限于 地面钻孔,单井产量曲线经历先增长后衰减的过程等。

地质载体特殊性

煤层气的地质载体为煤层,煤炭本身就是能源开发的重要对象,这一自然属性更是有别于其他所有的化石能源矿产。煤层气与煤炭资源的同源同体的伴生性决定了这 2 种资源的开发必然有密不可分的内在关联。煤矿区煤炭资源的开采引起矿区岩层移动的时空关系,影响着煤层气资源开发的钻井(孔)的布设、采气方法的选择和抽采效果等多个方面。

鉴于上述特殊性,煤层气勘探开发技术既有常规天然气勘探开发技术的来源、借鉴甚至直接移植,又有自己的独特性,还有与采煤技术交叉融合的耦合特性,是一个与常规天然气和煤炭开发技术既有联系又有区别的复杂技术系统。

二.我国煤层气开采技术概述

1. 地面煤层气开发技术（地面井开采）

地面煤层气开发技术包括垂直井、多分支水平井、丛式井和U型井( V型井) 、“一井三(多) 用”技术等。在我国现有的煤层气开发活动中,多分支水平井几乎全部采用裸眼洞穴完井,多数直井采用套管完井方式,裸眼洞穴完井技术对煤储层条件要求较高,实践成功较少。

2. 煤层气井下抽采技术（矿井开采）

井下抽采技术主要有模块化区域递进式抽采技术、分源双系统抽采技术、保护层抽采技术、卸压层抽采技术和采空区抽采技术等。煤矿区根据不同的地质采矿条件探索出不同

的抽采方式,将本煤层抽采、煤层顶底板抽采和采空区抽采方法有机组合或创新,形成多种多样的立体的煤层气井下抽采体系。

3.协同开采技术

为了提高开发效率和降低开发成本,在技术装备先进、完备，其保障系统得以保证的前提下，协同开采技术得以发展和进步。如解放层开采、井上下联合抽采、煤炭与煤层气共同开采等就是其典型实例。

4. 煤层卸压增透技术

对于煤层渗透率低和含气饱和度低的矿区须探索应用煤层卸压增透技术,提高煤层气抽采率。此类技术主要包括保护层开采卸压增透技术、深孔预裂爆破技术、深穿透射孔技术、高能气体压裂技术和高压水力增透技术等。

三.近年来我国煤层气开采技术发展

1.勘探技术手段深化

目标：提高探测精度,提高施工效率

新型低频电磁波透视仪器、高频电磁波透视仪器、损失气含量模拟试验装置、矿井煤层密闭取心装置等仪器装置。

（eg：研发的新型低频电磁波透视仪器采用收发一体化、多频点发射、多通道接收、数字滤波等技术,增强了对弱信号的采集能力,提高了探测精度,施工效率提高了2 ~ 3倍；高

频电磁波透视仪器发射及接收天线经改进后发射距离更远,灵敏度更高,在示范矿区进行了多次现场试验,取得较好的地质探测效果；矿井煤层密闭取心装置由取心内管、球阀、液压总成、投球装置等构成,比常规取心装置测试的气含量高 20% ~ 23%。）

2.增产技术不断探索

活性水携砂压裂仍然是煤层气增产改造的主流技术,而且针对储层性质的不同,活性水携砂压裂工艺不断优化,目前已趋于成熟。其技术的主体包括: 煤粉悬浮活性水技术、变排量控制缝高技术、前置液粉砂多级段塞降滤失技术、前置液阶段停泵测试技术、大粒径/高强度支撑剂尾追技术、压后合理放喷控制技术等。

针对多煤层地区,采用煤层和岩层组合分段压裂技术,可以有效提高单井产量和资源利用效率。

3. 煤层气开发装备取得突破

目标：

（1）降低开采难度（eg：针对松软煤层成孔深度不足、成孔率和抽采率低等难题,研制了适用于普氏系数 f≤0. 5 松软煤层的高转速大扭矩螺旋钻进装备、空气套管钻进装备及地 面远距离自动控制钻进装备。）

（2）多功能高效开采（eg：研制成功ZMK5530PZJ60煤层气地面车载钻机及配套装备，可用于煤层气竖直井、水平对接井、多分支水平井施工及大口径救援孔、电缆孔、通风井等施工,在陕西亭南完成了工业性试验,实现钻孔孔径311. 14 mm,钻孔深度 661 m,为

煤矿区煤层气地面开发提供了重要装备支撑。）

（3）完善开采技术（eg：国内首台最大扭矩12 000 N·m 的大功率定向钻机,创新开发了深孔随钻测量信号稳定传输技术、煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量系统,实现了顺煤层定向长钻孔由“探着打”到“看着打”、随钻测量信号由“有线传输”到“无线传输”的跨越,成套装备在晋城矿区寺河煤矿完成1880 m井下近水平长钻孔施工,创造了煤矿井下顺煤层定向钻孔深度新的世界纪录。）

4. 煤层气井排采技术和排采管理更加精细

智能化排采技术不仅提高了排采精细化、自动化，对井底流压、套压、液柱、冲次等重要参数实现了自动采集、连续监测,达到了连续稳定缓慢排采要求,而且减少了巡井作业强度和安全隐患。排采中重视煤粉防治和精细管理。研制防煤粉技术、空心抽油杆洗泵技术, 提 高了泵效,使检泵周期延长到2 ~ 3年。

四.我国煤层气的利用（树状图）

1.煤层气发电

煤层气发电是目前我国煤层气利用的主要方式。目前我国煤层气中70%以上CH4体积分数低于30%,受限于气源,高浓度煤层气发电难以持续发展,低浓度煤层气发电逐渐成为煤层气发电的主流。

低浓度煤层气主要采用内燃机发电,可以利用CH4 体积分数为5% ~ 25%的低浓度煤层气,通过自动调节装置控制CH4体积分数为6%进入内燃机发电。（技术难点：开发有效

的措施以避免煤层气回火; 发电设备需具备适应煤层气浓度、压力变化的能力。）

2.煤层气民用

煤层气民用是煤层气传统的利用方式,且在我国煤层气利用量中占据重要地位，仅次于煤层气发电。煤层气民用方式可利用CH4浓度为30%以上(主要为 35% ~ 40%)的煤层气。煤层气因含氧的缘故,无 法采用高压输送,因此只能就近利用,满足当地居民和煤矿员工的日常用气。

优点：煤层气是清洁能源,燃烧后不会带来环境污染, 且煤层气价格一般低于天然气,可为用户节约开支, 同时给企业带来一定的收入。

缺点：煤层气民用局限性较大: a.煤层气民用只能使用高浓度的煤层气,但可利用的高浓度煤层气量值较小,利用率较低; b.煤矿区一般地处偏远山区,居民少且分布点分散,民用规模难以扩大,利用量有限。

3. 煤层气浓缩

煤层气浓缩技术包括变压吸附浓缩、深冷液化分离和溶液吸收法等。通过脱除煤层气中的氧和氮,将煤层气制成CNG(或LNG)产品,使煤层气的运输和利用更加灵活。

4. 通风煤层气利用

煤矿开采过程中,大部分煤层气通过通风排出, 我国目前每年通过矿井通风排放的煤层气为200 ~ 250亿m3。通风煤层气利用潜力巨大,但因CH4 含量过低(一般在0. 7%以下) ,经济效益差,利用率基本为零,目前仅有工业示范项目。但依靠煤层气利用财政补贴及税费优

惠政策,通风煤层气利用项目可获得环境效益、社会效益及经济效益多赢。

煤矿通风煤层气主要利用方式有: a.作为主燃料,采用逆流热氧化法(或催化氧化法) ,不使用其他燃料即可使设备连续正常运行; b.作为辅助燃料,如充当电厂燃烧空气。

参考文献：

1. 宁宇, 我国煤矿区煤层气开发利用技术进展. 煤炭科学技术, 2013. 41(1): p. 12-15.

2. 樊振丽,申宝宏,胡炳南,雷毅, 中国煤矿区煤层气开发及其技术途径. 煤炭科学技术, 2014. 42(1): p. 44-49.

3. 申宝宏, 刘见中,雷毅, 我国煤矿区煤层气开发利用技术现状及展望. 煤炭科学技术, 2015. 43(2): p. 1-4.

4. 叶建平,陆小霞, 我国煤层气产业发展现状和技术进展. 煤炭科学技术, 2016(1).