煤层气资源的开发与利用

【前言】煤层气资源的开发与利用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。根据国际能源署（IEA）的统计和我国煤层气资源评价结果（2006），全球煤层气资源量可能超过260×1012m3，90%主要分布在12个产煤国，其构成如下： 全球煤层气资源主要分布情况 国家 煤层气资源量（×1012m3） 俄罗斯 113 加拿大 76 中国 36.8 美国 21 澳大利亚 14 德国 3...

摘 要：全球煤层气资源量可能超过260×1012m3，我国煤层气地质资源量为36.8×1012m3，与陆上常规天然气资源量38×1012m3基本相当。煤层气的开发理论取得了新认识，研究煤层气的静态地质特征和动态特征，采用数值模拟研究地下煤层气扩散-渗流过程中的变化规律；试验和开发工艺技术也在不断进步，深煤层的煤层气开发技术获得突破，在井网井型的选择、压裂技术、排采技术等方面有了新进展；煤层气的利用范围也在不断扩大，特别是在煤层气发电和化工产品的生产方面得到了普遍应用。

关键词：煤层气； 开发； 技术； 利用

中图分类号：TD712.67 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）03-184-002

煤层气，其主要成分为甲烷，是以吸附和游离状态存在于煤层之中。近年来，随着人们对新能源和清洁能源的追求，认识到煤层气是一种新的非常规能源，具有热值高、安全性高、污染少等优点，既是环境保护的需要，又是常规油气资源的重要补充或接替。世界上一些具有煤层气资源的国家，在煤层气的勘探开发和开采技术方面都进行了大量的研究和矿场试验，取得了显著的成果，使得煤层气资源的开发利用作为绿色能源得到广泛的重视。

1.煤层气资源

根据国际能源署（IEA）的统计和我国煤层气资源评价结果（2006），全球煤层气资源量可能超过260×1012m3，90%主要分布在12个产煤国，其构成如下：

全球煤层气资源主要分布情况

国家 煤层气资源量（×1012m3）

俄罗斯 113

加拿大 76

中国 36.8

美国 21

澳大利亚 14

德国 3

波兰 3

英国 2

乌克兰 2

哈萨克斯坦 1

印度 0.8

南非 0.8

我国42个主要含气盆地埋深2000m以浅煤层气地质资源量为36.8×1012m3，与陆上常规天然气资源量38×1012m3基本相当[1]。

2.煤层气的开发

通过对含煤盆地煤层气成长条件和煤层气的形成机理研究，煤层气开发者认识到利用排水降压的方式，从煤的表面解吸成为游离气，在基质中从煤的表面向细微裂缝扩散，在细微裂缝中渗流到大裂缝再渗流运移到井底和井筒的主要过程，而且解吸-扩散-渗流-运移是一个串联发生的过程[2]。

2.1煤层气的开发理论

从煤层的静动态特征出发，发展和丰富了煤层气的开发理论。一方面研究煤层气的静态地质特征，主要是储集性研究，包括物性、岩性、电性、含气量等；煤的吸附等温曲线是煤吸附甲烷的特征曲线，表达了吸附量、解吸量与压力的关系。渗透率与构造曲率、原地应力的关系，可说明流动性。地下水的研究可以识别高压区、低压区、渗透性较好的区域与边界等。另一方面要研究其动态特征，包括煤储层压力的变化、产水量的变化、产气量的变化、排水过程中动液面的变化、排采工作制度的建立和调整、动态监测及生产管理等；采用数值模拟研究地下煤层气扩散-渗流过程中的变化规律过程[3]。当前，随着试验和工程技术的进步，理论研究也在不断深入，主要有以下认识：

（1）利用同位素研究来识别盆地内的煤层气成因；（2）寻找受岩浆岩影响的煤储层，其生气量大、含气量高、甲烷浓度可达到95%；（3）煤层气的开发深度已经突破1500M，中石化开发的延川南煤层气田最大埋深为1600m；（4）开展了地质构造对煤储层结构、含气量和产水、产气影响因素的研究；（5）运用核磁共振技术研究甲烷气体分子在煤孔隙中的流动；（6）测试试井分析和数值模拟技术不断完善。发明了瞬变流法甲烷扩散系数测试技术，开展了煤储层渗透率与压应力、孔隙压力关系实验，广泛开展了同相多组分（二氧化碳、甲烷、氮气）定成分膨胀或定体积压缩吸附/解吸实验，讨论了二氧化碳、氮气不同注入速度和不同注入时期对甲烷生产的影响，并在煤层气排采试验中进行了大量应用。在数值模拟方面发展了平衡吸附模型和非平衡吸附模型，开发了煤层气产能模拟新的模型和软件[4]。

2.2煤层气开发技术

2.2.1井网井型的选择。煤储层具有低渗透、低压力、低饱和度、低产的特点，要实现经济有效的开发，必须结合地下与地面条件，根据研究区域的勘探开发资料详细编制开发方案。由于煤层气需要降压排采，实现“井井联合”、“整体降压”，优化井网设计，才能提高产量和采收率。

井型的选择既要根据煤储层的地质特征，又要根据煤层深度和地面条件来确定，同时要尽量少占地，维护好环境。在深煤层，利用“井下穿针”技术，并结合钢套管完井，实施“U型”井和“V型”井，以解决浅煤层塑料筛管完井水平井的压裂难题；采用“井工厂”模式打平台井，既节约钻井费用，又少占地，也便于后期得出的生产管理。

2.2.2煤层气压裂技术。煤层气的开发离不开压裂改造，尤其是深煤层的开采，煤储层通过压裂改造建立降压通道和渗流通道，从而提高产气量。压裂工艺技术的研究需要重视以下过程，一是要研究压裂机理，通过力学特征实验研究煤岩的裂缝形成特点，利用全三维扩展物理模拟方法揭示煤层裂缝的开启和延伸规律；二是要优化工艺参数，根据实验和研究成果确定合适的施工参数，包括排量、液量、砂量和整体压裂方案的优化；三是要实验应用工艺配套技术，包括射孔技术、水平井分段压裂技术、直井多层压裂技术、压裂液和支撑剂的优选等，而这些配套技术都要体现其先进性和经济性。

另外，煤层气压裂也开展了不加砂压裂、氮气泡沫压裂、二氧化碳泡沫压裂等技术的研究和试验，为煤层气的开发提供了支持。

2.2.3煤层气排采技术。煤层气井的排采过程要遵循连续、稳定、细致的原则，从控制放喷到煤层产气的整个过程中，井底压力、动液面高度、排液速度、产气速度等都会影响煤层渗透率的变化，反过来又会影响产气量。在不同的排采阶段，渗透率变化的影响因素不同，就决定了需要对不同排采阶段的压力和排采速度进行不同的控制办法[5]。

（1）量化控制。建立煤储层――井筒――排采工艺一体化动态预测模型。通过建立排采双孔-双渗数学模型、井筒三相流动模型和排采参数优化模型，从而对排采制度实现量化控制；（2）压力控制。要以煤储层压力、解吸压力和稳定压力为着重点进行排采阶段的控制；（3）精细控制。分阶段排采优化。对压裂后的放喷、初期投产、见气和产气时的控制要精细；（4）动态监测。排采过程变化不断，对压力、动液面和产气量的变化要有可靠的工艺手段并进行密切监测，以采取不同的应对措施；（5）产能预测。寻找不同制度下的生产规律，预测产能，优化排采制度。

3.煤层气的利用

煤层气是宝贵的清洁的自然资源，有效的利用可以减少资源浪费和环境污染，可以优化能源结构[6]。目前煤层气的利用主要在以下几个方面：

（1）煤层气发电。2010年我国煤层气发电利用量在30×108m3以上。

（2）煤层气的化工利用。可用于生产氨及化肥、甲醇及其加工产品、乙烯及其衍生产品、乙炔及炔属精细化学品、合成气（CO+H2）等大宗化工产品以及生产甲烷氯化物、二硫化碳、氢氰酸、硝基烷烃、氦气等化工产品。在煤层气生产化工产品的技术上也发展迅速，如甲烷在固体酸催化剂表面发生异裂而生成甲基正碳离子，提出一种指导稳定C-H键无氧活化研究的新理论，以甲烷为原料制作燃料电池、汽车燃料等。

（3）煤层气液化。煤层气液化可使煤层气的体积缩小600倍，甲烷浓度可提高到99.8%，使用LNG运输车运送，具有用户的灵活性，也可以进入现有管道销售。

4.结论

（1）从国际国内来看，煤层气资源丰富，开发潜力巨大。

（2）煤层气的开发范围进一步扩大，由浅层向深层延伸，由采煤矿区向专业煤层气开采方向扩展。

（3）煤层气开发技术不断完善，深层煤层气的开发技术获得突破，水平井、U型井、V型井的钻井和压裂技术得到了现场应用并取得了显著效果。

（4）煤层气作为清洁能源在民用、发电和化工产品的生产等方面得到了普遍的利用。

参考文献：

[1]黄志斌，郭艺，李长清，等.中国煤层气潜力及发展展望[J]中国煤层气，2012，，92）：3-5

[2]罗平亚.关于大幅度提高我国煤层气井单井产量的探讨[J]天然气工业，2013，33（6）：1-6

[3]冯文光.煤层气藏工程[M]北京：科学出版社，2009

[4]严绪朝，郝鸿毅.国外煤层气的开发利用状况及其技术水平[J]石油科技论坛，2007，6：24-30

[5]倪小明，苏现波，张小东.煤层气开发地质学[M]北京：化学工业出版社，2009

[6]钱小武，袁梅，刘源俊，等.中国煤层气利用现状浅析[J]中国煤层气，2009，18（6）：4-6