□盧國斌 郭 超 宋有才 姜向華

淺析我國煤層氣的應(yīng)用與發(fā)展

□盧國斌 郭 超 宋有才 姜向華

隨著世界原油不斷減少，世界常規(guī)能源供給形勢日益嚴峻，國際上逐漸把發(fā)展非常規(guī)能源作為新世紀能源發(fā)展的主要議題。煤層氣的開發(fā)具有熱值高、污染少、安全性高的特點，完全可以成為石油和天然氣等常規(guī)能源的重要補充。世界上很多國家逐漸開始重視煤層氣的勘探和開發(fā)試驗，并積極開展發(fā)達國家的地面鉆井開采技術(shù)，在煤層氣資源的勘探、鉆井、采氣和地面集氣處理等技術(shù)領(lǐng)域均取得了重要進展。我國埋深在2000米以內(nèi)的煤層中含煤層氣資源量達30萬億～35萬億立方米，是世界上第三大煤層氣儲量國，煤層氣開發(fā)前景非?？捎^。然而，由于種種原因，我國煤層氣的開發(fā)和利用規(guī)模普遍偏小，所以合理加強煤層氣的綜合利用，對我國的資源建設(shè)有積極的作用。

煤層氣的成因和分類

煤層氣是在煤的變質(zhì)作用過程中不斷生成的。煤在變質(zhì)作用中產(chǎn)生的甲烷分子被吸附在煤體的表面。吸附甲烷量的多少決定于壓力、溫度和煤質(zhì)，即在一定的溫度、壓力條件下，甲烷分子主要以單分子層狀態(tài)吸附于煤體的細微孔隙表面，并和微孔隙中的游離甲烷分子處于不斷交換的動平衡狀態(tài)。由此可知，游離甲烷的多少，取決于煤的孔隙度、溫度和壓力。當遇到外界條件發(fā)生變化（地殼運動、巖漿活動）時，這種平衡就會被打破，若繼續(xù)沉降使煤熱演化繼續(xù)進行，煤層含氣量增加；或地殼抬升，使煤的熱演化終止，甲烷不再產(chǎn)出；當煤層抬升接近地表遭受風(fēng)化時，所有氣體將散失干凈。

縱觀國外已有煤層氣開發(fā)的生產(chǎn)實踐和我國開發(fā)試驗的經(jīng)驗教訓(xùn)，可以認為不同成因的煤層氣田的開發(fā)，會存在一定的差別。分類劃分得當對指導(dǎo)煤層氣地面開發(fā)選區(qū)和開發(fā)方式、方法的運用均有一定的指導(dǎo)作用?，F(xiàn)參考煤田地質(zhì)學(xué)理論中煤變質(zhì)類型的分類，結(jié)合煤層氣的生成、賦存等條件，將煤層氣田初步劃分為深層成因的煤層氣田、巖漿熱成因的煤層氣田、擠壓成因的煤層氣田三類。

國內(nèi)煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

當前，國際能源局勢趨緊，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴峻，能源消費結(jié)構(gòu)很不合理，1999年煤炭約占68%，石油占23%，天然氣僅占2.6%，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例遠遠低于世界平均水平(24%)。為了實現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我國急需實施以優(yōu)質(zhì)能源為主的能源發(fā)展戰(zhàn)略，合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加天然氣在一次能源消費中的比重。煤層氣有望成為接替煤炭、石油和天然氣等常規(guī)能源的新能源資源。目前全國瓦斯發(fā)電的總裝機容量為9萬千瓦，而規(guī)劃或正在實施的瓦斯發(fā)電項目裝機容量接近15萬千瓦。其中，山西晉城煤業(yè)集團在建的煤層氣電廠計劃裝機12萬千瓦，是世界上目前最大的煤層氣發(fā)電廠。

開采煤層氣的技術(shù)方法

生產(chǎn)布局

煤層氣開發(fā)的生產(chǎn)布局與常規(guī)油氣有較大差異。當煤層氣開發(fā)選區(qū)確定以后，在鉆井之前，就應(yīng)進行地面設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計與布局。在確定井徑、地面設(shè)施與井筒的位置關(guān)系時，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、儲層特征、地形及環(huán)境條件等因素。一個煤層氣采區(qū)包括生產(chǎn)井、氣體集輸管路、氣水分離器、氣體壓縮器、氣體脫水器、流體監(jiān)測系統(tǒng)、水處理設(shè)施、公路、辦公及生活設(shè)施等。只有各部分密切配合，才能使煤層氣生產(chǎn)順利進行。

井筒結(jié)構(gòu)

煤層氣開發(fā)的成功與否井底起著重要作用，一般井筒應(yīng)鉆至最低產(chǎn)層之下，以產(chǎn)生一個口袋，使得產(chǎn)生氣體在排出地面之前，在此口袋內(nèi)匯集。煤層氣生產(chǎn)井的結(jié)構(gòu)是將油管置于套管之內(nèi)，這種構(gòu)型是由常規(guī)油氣生產(chǎn)井演化而來的。這種設(shè)計還可使氣、水在井筒中初步分離，從而減少地面氣、水分離器的數(shù)量，并可降低井筒內(nèi)流體的上返壓力；一般情況下，產(chǎn)出水通過內(nèi)徑為10mm或20mm的油管泵送至地面，氣體則自油管與套管的環(huán)形間隙產(chǎn)出。除排水產(chǎn)氣外，井筒的設(shè)計還應(yīng)盡量降低固體物質(zhì)(如煤屑、細砂等)的排出量。井底口袋可用上收集固體碎屑，使其進入水泵，使地面設(shè)備的數(shù)量降至最低。在泵的入口處，可安裝濾網(wǎng)，減少進入生產(chǎn)系統(tǒng)中的碎屑物質(zhì)。另外，在操作過程中，緩慢改變井口壓力，也有利于套管與油管環(huán)形間隙的清潔，降低碎屑物質(zhì)的遷移。

氣水地面集輸與處理

地面氣水分離。在煤層氣生產(chǎn)井中，將油管置于套管之內(nèi)的設(shè)計可實現(xiàn)氣、水的初步分離，但在泵送至地表后，還需經(jīng)地面分離器進一步分離，分離的氣和水分別進入集氣管線和水處理系統(tǒng)，同時還應(yīng)除去流體中固體顆粒物(煤粉、細沙等)。一般采用低壓、高壓兩種分離方式。（1）低壓分離。常用的分離器有常規(guī)兩相分離器，脫水器和在線水分離器。兩相分離器為一個內(nèi)部裝有擋板的大容器，從井中排出的流體從兩側(cè)進入分離器，分離出的氣體自頂部排出，當容器中水位升至一定高度時，通過一個自動閥門口底部流出。該分離器的缺點是分離出的氣體仍含有較多水分，需進一步純化。另外，在不增加上返壓力的情況下，井下泵不能將排出的水全部送至各處系統(tǒng)。脫水器可有效地去除套管氣流中的水分，但不能收集水流中的氣體。在線水分離器是頗為有效的二次分離器，可置于管線中兩相分離器之后。該裝置采用離心分離，使水分流至洼坑，氣體繼續(xù)沿管線流動。使用該分離器可有效去除氣體中的水分，但不能處理大量水流和去除進入氣體中的固體顆粒物。（2）高壓分離。部分生產(chǎn)井需要兩次分離，第一步，高壓容器從流體中分離出氣體；第二步，低壓分離，從石油中分離出水。雖然一般采用重力分離設(shè)備，但煤屑過多會對設(shè)備產(chǎn)生嚴重影響。需要針對不同情況采取相加措施。例如，常規(guī)的水霧分離器可被細微灰塵堵塞，可使用脈型或其他水霧分離器代替。為避免大塊煤堵塞底部閥門或其他接口，可使76mm閥門代替50mm閥門。中等煤屑通常處于氣飽和狀態(tài)，漂浮于分離器的氣、水界面上。分離器中分離的氣體通過一個藥盒型過濾裝置，以免在后來脫水、壓縮或進入氣表時產(chǎn)生問題。氣體還需經(jīng)濾網(wǎng)過濾.以免破壞水處理沒備。

集輸系統(tǒng)。集輸系統(tǒng)的作用有二：一是利用最經(jīng)濟的方式將氣體從井門輸送至中央壓縮站；二是從環(huán)保與經(jīng)濟效益的角度，妥善處理排出水。在鋪設(shè)管線時應(yīng)充分考慮地形和地面設(shè)施，輸氣管道不宜鋪設(shè)在低洼處，而輸水管盡量不要架設(shè)在高處。但如果無法避免這種情況，應(yīng)安裝氣壓緩解閥，以免水回流至井口。

氣體處理與壓縮

進入銷售管線的煤層氣，一方面應(yīng)符合管道氣的成分標準，另一方面應(yīng)有足夠的壓力。因此，從氣水分離器分離出來的氣體，需經(jīng)進一步處理和壓縮。

開采煤層氣需要注意哪些問題

煤層氣開采中水的處理

水是煤層氣生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其凈化和處理費用在日常操作中占相當大的比重。合理設(shè)計水處理系統(tǒng)，是決定煤層氣開發(fā)成功與否的主要因素之一。水的處理方法和費用取決于排水量和水質(zhì)特征，在設(shè)計水處理系統(tǒng)時，應(yīng)首先根據(jù)臨近生產(chǎn)井的排水情況或煤層滲透中水文資料估算煤層的產(chǎn)水量，還應(yīng)考慮到生產(chǎn)過程中不同階段排水量的變化。

產(chǎn)出水雜質(zhì)分類。煤層產(chǎn)出水是—種含有溶解鹽、溶解氣體、非水液體和固體顆粒等雜質(zhì)的多相體系。其中雜質(zhì)可分為五類：固體顆粒、膠體、分散油和浮油、浮化油、溶解物質(zhì)。

水處理方式。在美國煤層氣生產(chǎn)中，最常用的產(chǎn)出水處理方式是排入地表水系和注入深井，其他方法包括土地灌溉、蒸發(fā)、水力壓裂時重新利用等，反滲透方法正處于試驗階段。

煤層氣開采中設(shè)備減少故障的方法

減少泵的故障?？赏ㄟ^以下途徑減少泵的故障：增加井下氣水分離量，排采量相匹配，減少排水管線的上返壓力，減少泵的扭矩。

在操作過程中，注意了解每天的運行狀況，實行動態(tài)管理，根據(jù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的變化，采取相應(yīng)的措施。掌握上次維修時間、泵速、產(chǎn)生故障的原因，對提高工作效率，延長使用壽命等大有意義。

降低抽油桿的故障。通過調(diào)節(jié)泵速和沖程長度，減少應(yīng)力集中，可減少抽油桿的脫離次數(shù)。另外，合理選擇抽油桿的尺寸，安裝時注意力矩適中以及鉆井時盡量減少偏離等，都可降低抽油桿的故障。

減少固體物質(zhì)引起的故障。在完井和操作過程中，采取一些措施，可降低因固體顆粒物引起的故障。例如，鉆進30～60m深的凹坑，使生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體物質(zhì)沉于其內(nèi)，而不隨產(chǎn)出水一起泵送。不在煤層中實施完井，從煤層頂板或底板開始壓裂，進而向煤層滲透，仍然從煤層中排氣，可大大降低維修費用。例如，在巖溪煤層氣開發(fā)項目中，5號生產(chǎn)井采用此方法壓裂，一直持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)2.5年，與其他生產(chǎn)井每年維修3～4次形成了鮮明對比。操作過程也會影響固體物產(chǎn)率，井投產(chǎn)前期做好準備，減少壓力波動，以免引起激流，將會減少自裂流入井筒的碎屑量。

總之，我國煤儲層的發(fā)育狀況、煤層的含氣特征、煤層的滲透性等，在地域上的分布是很不均衡的。煤層氣分布的不均衡性，加上區(qū)域經(jīng)濟因素，就造成了當前我國煤層氣勘探開發(fā)工作在地域上的不平衡發(fā)展。因此，研究和總結(jié)我國煤層氣在區(qū)域分布方面的規(guī)律性，合理進行煤層氣資源分布區(qū)劃，對于從宏觀上闡明資源分布特征，分析煤層氣勘探開發(fā)態(tài)勢，指導(dǎo)未來煤層氣勘探開發(fā)工作都將具有重要意義。

（作者單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程系）