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煤层气开发技术与现状

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煤层气 开发 技术 现状
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第8卷第3期 1997年6月 天然气地球科学 煤层气开发技术与现状 7/7 童旦堡编译 (中国科学院兰州文献情报中心 兰州 730000) 摘要介绍了世界主要产煤国的煤炭资源量和与煤层气开发有关的煤、煤层的 物理特性以及煤层气的开发技术 指出了煤层气开发的现状与问题。 关键词丝 苎: 、).7 荽痒孑 最近,有关煤层气的开发受到了世界各国的极大关注。煤层气又称煤层甲烷(Co~称指储存在煤层中的以甲烷为主的、可从地面上进行采收的非常规天然 气。目前,虽然只有美国真正进入了煤层气的商业化生产,但是进行煤层气勘探的有许多国 家,如澳大利亚、法国、德国、英国、波兰、捷克斯洛伐克、加拿大、中国等。美国煤层气开发的 高潮始于本世纪7时美国的常规天然气产量年年下降,急需开发新的替代资源, 因此美国政府采取了税制优惠措施,鼓励煤层气资源的开发并获得了很好的效果。美国开发 煤层气的实绩,证明了煤层气作为资源的真正价值,唤起了全世界对煤层气开发的关注。 据有关专家根据世界煤炭储量测算,全世界的煤层气资源量至少有0 m。。根据 美国的报告,煤层气的采收率为30 ~6O ,最高达8O 左右。煤层气的发热量也很高,达 8 O。O~9 000 k~l/m ,相当于常规天然气发热量的90 以上。由此可见煤层气开发的潜力 是很大的。此外,煤层气可谓是天然气中少有的洁挣能源,它不含C。(丙烷)以上的重质气态 烃类,甲烷含量达95 以上,而且也不含或含有极少的硫化氢,其燃烧时仅产生少量的 而且,事先除去了煤层中的瓦斯气体,也有利于井下采煤的安全。因此煤层气的开发也 具有重要的社会意义。另一方面,煤层气开发的钻井深度一般都不超过1 000 m,使用一般 的钻井设备就可以完成钻探,因压力不高故而也不需要高压的并口装置,管道也只需一般的 管道就行。因此,煤层气开发的成本也较低,即使不高的产量也能获得很好的经挤效益。 我国煤炭资源丰富,煤层分布广,因此具有很大的开发和利用煤层气资源的潜力。毫无 疑问,煤层气的开发和利用,将有利于提高我国自然资源的有效利用,减少煤矿瓦斯灾害,对 促进我国社会与经挤的发展具有重大的意义。 1煤层气资源量 有关煤层气资源量的计算公式如下: h·A·d (1) 式中:游离气含量(平均单位重量);0 为吸附气含量(平 均单位重量);为面积; 为煤的比重 收藕日期:1996一普资讯 .8 目前,只有美国对煤层气资源量进行了详细的地质调查。美国的煤层气资源量约有11 ×关于其它国家_的煤层气资源量,有的研究者根据一些国家的煤炭储量或主要煤矿 的产量,考虑 煤层气与煤化度、地质结构、煤层深度之间的关系,对开发潜力大的几个国家 的煤层气资源量进行了预测(表1)。此外,还有人以美国的煤层气资源量为基础,根据含气 量较多的沥青煤和无烟煤的储量预测了世界的煤层气资源量,按探明煤储量算约为46× 10”m。,按预测煤储量算约为8l×lO”m ,如再加上深、浅层煤储量,预测出的世界煤层气资 源量可达140×10”m 。 衰1世彝主耍产燃国采的燃量气资蠢■ (单位:10’2与煤层气开发有关的煤和煤层的物理特性 煤层气的钻探、生产技术的研制与煤和煤层的许多物理、化学、力学特性有着密切的关 系。例如,与煤有关的:组分及檄组分含量、镜质体反射率、孔隙率、毛细管压力、内部表面积} 与煤层有关的:吸附等温线、脱附速度、煤层渗透率(透过率)、加压参透率、相对渗透率;与水 压破碎有关的:力学特性(杨氏摸量、泊松比)、压缩强度。现就其中与煤层气特别有关的和重 要的特性简单介绍如下。 2.1含气■ 储集在煤中的气体,有存在于煤孔隙中的游离态气体和吸罩体。游离态气的含量可根据煤中孔隙的容积、压力和温度,由气体状态方程式算出。吸附 态气的含量也是压力和温度的函数,一般都以一定温度下的吸附等温线来表示。煤与气体的 吸附等温线一般都用兰米尔公式: L·((1十尸(2) 式中, 为压力无限太时的吸附量(兰米尔容积);尸为压力{l/a)。 . 实际计算煤层的含气量,有直接法和间接法两种方法。直接法是采集钻粉或钻芯试样直 接测量其含气量。间接法是先测出吸附等温线,再根据实铡的煤层中的气体压力来计算吉气 量 一般,吸附量是随压力的降低而相应地减少的,被减少部分的气体即被释放出的气体,也 就是脱附的气体。从脱附的扩散作用考虑,脱附量与时间有关,可由下式表示: Q/一4 D / ]“ (3) 式中:。为时间无限大情况下放出的气体量}等价直径{为扩散系数(约10 。s)。 根据经验,煤层含气量随深度增加(压力增高)而增多。但是,当深度超过700 含气量的增加幅度明显减小。因此,从经讲教益考虑,煤层气开发的煤层深度不超过1000 m 为宜。此外,不同类型和品位的煤,其气体发生量及吸附量也有较太差别。据报道,褐煤、沥 维普资讯 .3 曹月华:煤层气开发技术与现状 25 青煤和无烟煤的含气量较多。 2.2煤层中的气体运穆。 。 煤层中发育着被称为割理的裂晾群,包括面割理和端割理。面割理是连续的延伸较长的 裂晾,端割理与面割理相交,发育在面割理之问。煤层割理的排列模式如图1所示。 放大倍率增加 一 在基质和馓孔中扩散 在裂隙中境动 圈1煤层■理与囊障 圈2煤层中气体的运移 煤层气在煤层中的运移是一个脱附-}扩散 流动的过程,其模式化表示如图2。首先是 通过减压使气体从煤的内部表面脱附出来,其次是气体在煤的基质和微孔中扩散,然后流人 割理或裂隙,再在压力差的作用下流人井孔,最后被从地上回收 此外,利亚鲍恩煤田煤层中亮煤部和暗煤部气体脱附特性的差别,以及用电子显微镜进行煤微 结构分析的结果,提出了新的煤层内气体的运移模式(图3)。根据该模式,气体的移动包括4 个过程:①气体在亮煤部由微孔向微裂隙扩散,在暗煤部由微孔向微空穴扩散;②在部分有 矿物质阻塞的微裂晾和微空穴中扩散和流动;⑧在没有矿物质阻塞的微裂隙和微空穴中流 动,这些裂隙和空穴的大小约有0.05~20 体在其中的流动主要遵守孔介质 渗透单位)规则;④气体通过割理流向井孔,这时割理中如无填充物则为达西移动。 2.3渗透率 煤层渗透率的大小对煤层气产量有很大的影响 经验表明,在渗透率小于1 用传统的煤层气生产技术是不能获得经济效益的。气体在畅通的裂隙或割理中移动时,其流 量可以用达西公式来表示。在流体为二相流(甲烷和水)的时候,就有必要考虑相对渗透率。 一般都用饱和率来表示相对渗透率。孔隙中水所占的容积的比例称为水饱和率。随着水含 量的增多,由于水阻塞了气体的通道,气体的渗透率就会减小。当水含量过多时,气体通道就 会被完全阻塞,使其不能流动而出现在一定表面张力下保持的状态。这一点被称作为残留气 体饱和点。同样,在最初就水饱和的煤层中流动时,水的渗透率越来越小,最后水变得完全不 能流动时的点,也称作残留气体饱和点。界面活性剂的使用可减小表面张力,从而减小水的 饱和率,增加气体的有效渗透率。在煤层中的钻井,从井壁会流出水和气,在井壁附近就会形 成二相流 其过程由3个阶段组成,即:1)只产生水,煤层中气体压力的下降极小。呈单相流 状态体压力略微下降,甲烷从煤层中脱附出来。虽然由于气体从裂隙中流出会使水的 相对渗透率下降,但气体量较少,不能形成连续的气体流。称为不饱和单相流状态层中 气体压力进一步下降,气体脱附量增加,形成连续的气体流(二相流)流向井孔。在气体的相 维普资讯 .8 对渗透率为零的地方不能形成二相流。 越靠近井壁,气体的相对渗透率越大,而 水的相对渗透率则越小 影响渗透率的因素很多,如:煤层的 地质构造、裂隙方向、煤化程度、深度等。 3 煤层气开发技术 3.1钻井技术 现在,可用于煤层气采集的井孔大 致有4种形式,即:从井内钻的水平孔、 从地面钻的采空区孔、从地面钻的山体 垂直井和从地面用定向钻孔机钻的水平 井。前两种孔均与采煤作业有关,煤层气 开发主要采用后两种形式的井孔。由于 煤层中割理和裂隙是沿着一个方向发育 的,压力破碎的裂隙一般也是沿同一方 向平行发展的。因此,与煤层割理和裂隙 垂直相交开通的井孔,比较容易获得较 高的煤层气产量。同样,与煤层割理和裂 隙相平行开通的井孔也能获得高产。美 国圣胡安煤田采用水平井试验结果表 明,其产量比垂直井还高。 用于煤层气开发的钻井方法主要有 传统的回转式钻进和回转冲击式钻进。 亮蠼部 暗蠼部 受阻喜通矗曼怒 靠鐾凳睾 空亢中扩散/流动 和空 / 由徽孔向擞裂尊和空亢扩散 圈3 转式方法的特点是:使用泥浆,能够用于钻探井,但是如泥浆压力调整不好就会损坏地层, 而且钻井费用较高。回转冲击式方法的特点是:采用空气循环方法,适用于地层压力小的浅 煤层,也适用于井壁比较稳定的地层,钻进速度快,钻井费用较低 3.2成井技术 与成井技术有关的内容包括:选择成井方式、下套管设计、注水泥固井、开煤层入口、井 孔激发等。 (1)成井方式现在常用的煤层气井的成井方式,主要有无套管的裸眼井(井法 和下套管的钻孔(井法,以及这两种方法的结合,其费用较低,对地层的损坏较小(因不注水泥固井),但是井壁煤面容易发生崩塌,且难以 防止水的渗人 点是井壁面稳定便于操作,但由于灌注水掘而容 易造成地层的损坏。 (2)煤层人口 所谓煤层人口就是从井孔至煤层的通道。()层人口。但是,样人口位置的设 置是技术关键,它将直接影响井孔的激发和生产效率。 (3)空穴完井法 这是井孔激发的一种方法,有的也将其称作方法 维普资讯 .3 曹月华:煤层气开发技术与现状 27 使用空气或氮气反复对井孔加压、去荷,使通过应力作用在其周 围形成裂隙,提高煤层渗透率,从而提高井孔的生产能力。该方法的增产效果已得到实践的 证实。 (4)水压破碎法这也是煤层气井孔激发常用的一种方法。该方法是在一定的井孔压 力下将由淡水、凝胶、水和氮气的混台体组成的流体高速注入,使顺着井身面产生张性裂隙, 再继续注人流体使裂隙扩大,最后在注入的流体中混l^细砂等支撑物,这些支撑物随流体在 裂隙中移动,可使裂隙在停止注入流体后仍保持撑开的状态。这些裂隙使煤层与井身面相联 结,形成气体流出的通道。该方法的好处是可以用较小的压力形成大范围的裂隙,但它会使 煤层形成复杂的裂隙,有时会出现支撑物灌不进去的情况。 (5)淋溶法该方法是将煤层割理和裂隙中的矿物质用酸溶解,从而疏通孔隙提高渗 透率。该法在石油工程学中称为酸处理方法,一般所用的酸是盐酸 在实际进行淋溶处理以 前,要先在实验室对酸与矿物质的溶解反应速度、渗透率的变化、溶解矿物的成分等进行测 定。 (6)气体压人法该方法是通过压人氯气或二氧化碳气体使井孔的生产能力得到提 高。压人气体的作用,一是扩大煤层中割理和裂隙提高煤层渗透率;二是压出水分提高气体 的相对渗透率;三是降低气相中煤层气的分压增加煤层气的脱附量 美国验结果表明,压人氮气后的井孔产量有明显的提高。 (7)成井设计 目前在煤层气开发中主要采用的是压破碎激发法。采用哪种方法应根据煤层压力等具体条件来定。一般在成井设计中需考 虑的问题包括:层序、深度与渗透率、含气量、裂隙形状、水与煤粒的产生情况等。 3.3生产技术 在井孔激发完成以后,要对煤层气生产井进行井内清扫。主要是回收注入煤层中的流 体,除去支撑物、煤粒和岩石碎粒。清扫后的生产井还要进行排水,目的是降低水的饱和度, 提高气体的相对渗透率,从而增加井孔的煤层气生产量。因此,煤层气生产中井孔排水用的 泵是必不可少的,常用的泵主要有梁式泵、潜水泵、气举、空腔谐振泵。 3.4试井技术 通过试井可以了解煤层的渗透率、初始压力、生产影响因素及影响程度等,从而预测煤 层的煤层气生产能力 常用的试井方法有:钻杆试井,利用钻杆在钻进中对煤层的产气能力 进行调查,掌握煤层状态;降压试井,在生产井进行生产的同时,观测井底压力降低情况,掌 握煤层状态;升压试井,生产井停止生产,观测井底压力上升情况 注水试井,以一定的流量 将水注人煤层再排出,观测井底压力的变化;扰试井,在生产井周围设置观测井,从观测井测 定生产井对注入水的反应。 4煤层气开发的现状与问题 在过去几年中,美国的煤层气开发技术得到了很大发展,每井产量已超过150 d。 据统计,目前在美国进行煤层气生产的煤田有14个,其中西部地区有7个,中部有3个.东 部有4个。1 982年以来,美国的煤层气产量增长很快,主要是黑勇士和中阿巴拉契盆地,尤 其是圣胡安的产量增长最快。1992年美国全国的煤层气年产量约为550 中仅圣胡安 盆地的产量就达436 占全国产量的8O 。据预测,如进一步改进生产技术,这种增长 维普资讯 .8 势头将保持到2000年。在其它一些国家,如澳大利亚、加拿大、中国等,都具有很大的煤层气 开发潜力,也都进行着勘探和试生产,但都还没有形成规模。 今后,为促进煤层气勘探、开发和生产的发展,在技术方面还需确立详细的储量评价方 法,研翻简便正确的渗透事现场测定方法,还需要开发可靠的井孔激发工艺,使低誉透事煤 层中的煤层气也能得到开发。另外,煤层气是与煤共存的,因此在制定开发计划时应综合考 虑煤层中气体和固体两种能源的有效开发和利用。还应注意不能造成新的环境问题,需要对 煤层气生产初期产生的大量水的处理、甲烷等碳氢类气体在地下水中的溶解等问题开展研 究。 ●考文t [1]a ,y P 夕 开发技木 理状.贵 995.111(3):135~143. [2]’y F 夕),疗 0可∞性.石油技术曲击毒·1995){136~146 美国N 驱替法提高煤层气产量 提高煤层甲烷的回收事。注入验项目开始于 1993年圣胡安盆地白垩纪人井,煤层试验探度为 2 250英尺,佛罗伦萨的一口补偿井将用于监测甲烷气的成份、压力和产量 薄膜分离厂附 近的威廉斯油田服务公司为试验提供该实验预计大约进行一年。由美国能源部支助的 西部研究所将提供现场技术和试验研究方面的帮助。天然气研究所将给资源企业公司提供 资金并收集和分析有关资料。这两个研究所对取得的成果将拥有至少三年的所有权。 公司认为注氟是成功 的,并且是首先选用的技术,而混合物的注入技术则随后用之。 替法比作是“耙子 ,而把c 驱替法则比作是“扫帚 ,前者只采出 一部分,而后者则可将天然气采尽。 穆巧捧译自美国《石油与天然气》杂志.1993年91卷+ 维普资讯
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