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煤层气介绍

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煤层气 介绍
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概述 煤 层 气 是 在 煤 层 中 天 然 生 成 的 一 种 气 体 , 其 主 要 成 分 是 甲 烷 , 还 常 伴 有 低 浓 度 的 高 级 烃 类 化 合 物 和 不 可 燃 气 体 。世 界 上 大 多 数 煤 层 气 资 源 赋 存 在 未 开 采 的 煤 层 中 , 除 非 在 遥 远 的 将 来 将 其 开 发 出 来 . , 尽 管 作 出 了 巨 大 的 努 力 对 未 采区 煤 层 气 ( 井 进 行 勘 探 和 测 试 , 除 了 美 国 和 澳 大 利 亚 以 外 , 还 没 有 大 规 模 的 商 业 开 发 计 划 , 在 澳 大 利 亚 和 中 国 , 市场 和 输 气 设 施 的 缺 乏 限 制 了 煤 层 气 开 发 。 在 欧 洲 , 煤 层 渗 透 率 低 是 主 要 制 约 因 素 。为 了 安 全 的 目 的 , 多 年 来 生 产 矿 井 抽 放 的 矿 井 瓦 斯 ( 已 得 到 不 同 程 度 的 利 用 。 瓦 斯 的 用 途 包 括 取 暖 、 工 业 加 工和 发 电 。 目 前 , 80% 的 英 国 煤 矿 采 用 瓦 斯 抽 放 的 方 法 , 使 其 在 进 入 矿 井 通 风 系 统 之 前 得 到 回 收 , 这 样 , 就 能 在 高 瓦 斯 煤 层 中进 行 安 全 生 产 。 由 于 矿 井 瓦 斯 的 抽 放 可 从 源 头 减 少 温 室 气 体 的 排 放 , 还 可 以 变 废 气 为 洁 净 能 源 , 因 而 对 环 境 有 益 。 椐 报导 , 在 美 国 90% 抽 出 的 瓦 斯 得 到 了 应 用 , 现 在 美 国 环 保 局 正 在 将 注 意 力 转 向 矿 井 排 出 的 通 风 空 气 中 分 离 低 浓 度 甲 烷 的 商 业 方法 的 开 发 上 来 。 英 国 煤 矿 抽 出 的 瓦 斯 大 约 有 40% 得 到 了 利 用 。 如 果 采 用 新 的 抽 放 方 法 , 可 以 增 加 到 70% 。 矿 井 瓦 斯 抽 放 在 发展 中 的 采 煤 国 将 会 有 很 大 的 增 长 潜 力 。煤 层 气 的 一 个 重 要 开 发 途 径 是 抽 放 报 废 矿 井 瓦 斯 。 报 废 矿 井 瓦 斯 ( 储 存 在 已 减 压 的 煤 层 中 , 因 而 增 加 了 渗 透 性 ,但 只 有 部 分 煤 层 是 通 过 长 壁 开 采 进 行 瓦 斯 脱 除 的 。 英 国 的 报 废 矿 井 瓦 斯 储 量 可 能 大 大 超 过 潜 在 的 矿 井 瓦 斯 可 采 储 量 和 未 采区 煤 层 气 储 量 。 英 国 目 前 有 六 个 矿 的 报 废 矿 井 瓦 斯 开 发 计 划 正 在 实 施 , 还 有 更 多 的 在 计 划 之 中 。 英 国 、 法 国 、 德 国 和 美 国在 这 一 领 域 中 有 很 大 的 商 业 兴 趣 。 英 国 已 着 手 将 这 项 技 术 转 让 到 中 国 。 报 废 矿 井 瓦 斯 利 用 计 划 通 过 将 废 气 变 成 洁 净 能 源 以及 减 少 老 巷 道 的 地 面 排 放 危 害 而 有 益 于 社 会 , 也 为 减 少 温 室 气 体 的 排 放 作 出 了 贡 献 。在 美 国 和 中 国 的 发 现 以 及 微 生 物 学 研 究 表 明 , 在 比 以 前 认 识 的 更 大 范 围 的 地 质 环 境 中 可 找 到 煤 层 气 的 商 业 开 发 前 景 。 最 近 为 煤 层 气 的 利 用 开 发 的 地 面 钻 孔 到 煤 层 的 钻 井 技 术 可 简 化 低 渗 透 率 煤 层 的 矿 井 瓦 斯 的 商 业 生 产 , 这 些 煤 层 的 渗 透率 比 以 往 已 开 采 煤 层 更 低 。美 国 最 近 利 用 矿 井 瓦 斯 和 报 废 矿 井 瓦 斯 的 技 术 开 发 包 括 微 型 涡 轮 机 和 燃 料 电 池 , 该 技 术 可 用 来 满 足 矿 区 的 电 力 需 求 。本 报 告 回 顾 了 当 前 英 国 和 世 界 范 围 煤 层 气 的 开 发 和 利 用 技 术 现 状 , 它 是 建 立 在 以 前 的 一 项 研 究 ( 999 ) 基 础之 上 。 对 起 源 或 应 用 于 英 国 的 可 扩 展 煤 层 气 商 业 潜 力 的 开 发 和 研 究 以 及 技 术 转 让 等 活 动 也 做 了 概 括 , 还 咨 询 了 英 国 和 海 外的 管 理 人 员 、 研 究 人 员 、 政 府 机 构 、 煤 层 气 开 发 人 员 、 维 修 人 员 和 设 备 供 应 商 。技术带来的利益 未 采 区 煤 层 气 、 矿 井 瓦 斯 和 报 废 矿 井 瓦 斯 的 利 用 可 产 生 多 种 商 业 利 益 和 环 境 效 益 , 包 括 :● 有 竞 争 力 的 价 格● 可 以 在 大 多 数 矿 区 实 现● 提 供 洁 净 燃 料 降 低 排 放● 有 许 多 用 途 , 例 如 供 热 、 发 电 和 生 产 化 工 原 料● 降 低 温 室 气 体 的 排 放 ( ● 将 采 煤 的 废 气 ( 变 为 有 用 的 能 源英国贸工部的支持 自 从 1990 年 以 来 , 英 国 贸 工 部 ( 已 资 助 了 十 个 与 甲 烷 开 发 有 关 的 项 目 , 项 目 总 费 用 为 3,799,269 英 镑 , 英 国 贸工 部 出 资 902,809 英 镑 。引言 煤 层 气 是 煤 层 中 所 有 未 采 区 甲 烷 气 的 通 称 。 本 报 告 中 采 用 首 字 母 缩 写 形 式 , 以 别 表 示 未 采 区 煤 层气 , 矿 井 瓦 斯 和 报 废 矿 井 瓦 斯 。 也 用 了 一 些 工 业 中 的 其 它 术 语 , 但 各 国 的 定 义 可 能 不 甚 相 同 。世 界 上 大 部 分 煤 层 气 资 源 赋 存 在 未 开 采 的 煤 层 中 , 除 非 在 很 远 的 将 来 , 否 则 是 不 可 能 被 开 采 出 来 的 。 尽 管 世 界 上 许 多国 家 在 勘 探 和 测 试 未 采 区 煤 层 气 井 方 面 作 出 了 巨 大 的 努 力 , 但 只 有 美 国 开 采 出 了 可 观 数 量 的 煤 层 气 资 源 。 美 国 未 采 区 煤 层气 工 业 的 成 功 得 益 于 其 税 收 优 惠 政 策 。 这 一 税 收 优 惠 补 偿 了 大 部 分 建 设 输 气 管 路 基 础 设 施 的 成 本 , 没 有 这 一 税 收 优 惠 政策 , 煤 层 气 工 业 就 不 可 能 稳 固 的 建 立 起 来 。 在 中 国 和 澳 大 利 亚 附 近 缺 乏 市 场 和 输 气 基 础 设 施 是 限 制 煤 层 气 开 发 的 主 要 因素 。 煤 层 渗 透 率 低 限 制 了 大 多 数 欧 洲 国 家 包 括 英 国 的 开 发 前 景 。 用 现 有 的 技 术 不 可 能 在 中 短 期 内 推 广 发 展 。然 而 世 界 上 生 产 矿 井 瓦 斯 的 利 用 已 有 多 年 实 践 。 报 废 矿 井 瓦 斯 抽 放 也 不 是 什 么 新 概 念 。 过 去 , 许 多 欧 洲 国 家 利 用 关 闭的 矿 井 中 抽 出 的 瓦 斯 供 应 单 一 工 业 用 户 或 输 入 矿 区 输 气 管 网 。 采 用 常 规 的 矿 井 瓦 斯 抽 放 设 备 而 不 是 现 在 的 报 废 矿 井 瓦 斯 计划 的 作 业 人 员 所 开 发 的 经 济 有 效 的 、 专 门 设 计 的 系 统 。 报 废 矿 井 瓦 斯 开 发 成 功 的 国 家 有 法 国 、 捷 克 共 和 国 、 德 国 、 英 国 和美 国 。在 生 产 矿 井 和 报 废 矿 井 实 施 瓦 斯 抽 放 一 般 成 本 较 低 , 与 未 采 区 煤 层 气 项 目 相 比 , 对 煤 的 自 然 渗 透 性 依 赖 较 小 。 矿 井 瓦斯 的 利 用 由 于 减 少 了 温 室 气 体 对 大 气 的 排 放 , 直 接 有 益 于 环 境 。 从 各 种 储 集 源 产 生 的 煤 层 气 是 能 替 代 煤 炭 燃 烧 的 清 洁 燃料 , 从 而 减 少 硫 和 氮 的 氧 化 物 的 排 放 。煤层气的储集源在 世 界 许 多 主 要 产 煤 国 中 煤 层 气 是 潜 在 的 重 要 能 源 。 世 界 范 围 内 , 相 当 数 量 的 煤 层 气 被 开 采 , 其 中 大 部 分 气 体 是 从生 产 深 井 中 开 采 出 来 的 , 只 有 少 量 的 煤 层 气 是 从 报 废 矿 井 回 收 的 。 现 在 许 多 产 煤 国 正 看 好 能 从 煤 层 中 最 大 限 度 地 开 采 煤 层气 的 技 术 的 广 泛 应 用 前 景 。煤 层 气 是 一 种 清 洁 燃 料 , 只 要 不 混 入 空 气 和 其 它 不 可 燃 矿 山 气 体 , 其 性 质 和 天 然 气 差 不 多 。 煤 层 气 可 以 用 以 下 方 法 从 煤 层中 回 收 :● 从 生 产 矿 井 中 抽 排 ( ● 从 报 废 矿 井 中 抽 放 ( ● 从 未 开 采 的 煤 中 通 过 地 面 钻 孔 生 产 ( 以 上 每 种 煤 层 气 的 储 集 源 的 储 层 特 征 , 开 采 技 术 和 气 体 组 分 等 特 性 都 不 相 同 。 英 国 、 美 国 和 中 国 的 各 种 储 集 源 相 关 商业 价 值 见 图 1 。图 1. 不 同 国 家 商 业 煤 层 气 气 源 情 况煤 层 气 的 主 要 成 分 是 甲 烷 ( 一 般 为 80 - 95% ) , 有 时 还 有 少 量 的 乙 烷 、 丙 烷 、 氮 气 和 二 氧 化 碳 ( 。 煤 层 中 产 生 的瓦 斯 由 甲 烷 和 高 级 烷 烃 的 混 合 物 、 水 蒸 气 、 空 气 、 氮 气 和 成 。 生 产 矿 井 排 出 的 通 风 空 气 中 也 含 有 低 浓 度 的 甲 烷 。 表 1中 列 举 了 世 界 上 从 各 种 储 集 源 可 获 取 的 甲 烷 浓 度 和 产 量 , 表 2 总 结 了 不 同 储 集 源 的 优 缺 点 。表 1. 不同储集源煤层气的浓度和产量 表 2. 煤层气储集源的比较环境效益特点 甲烷浓度 % 纯甲烷产量 m 3 /d 本 采 区 煤 层 气 单 井 ( 美 国 资 料 ) > 95 1400 - 8400 矿 井 瓦 斯 35 - 75 6000 - 194,400 通 风 空 气 4320 - 138,240 报 废 矿 井 瓦 斯 35 - 90 11,000 - 86,000 储集源 优点 缺点 未 采 区 煤 层 气 • 煤 层 气 纯 度 很 高 • 采 气 作 业 独 立 于 采 煤 • 在 采 煤 之 前 先 采 气 , 可 改 善 矿 井 安 全 • 有 很 高 的 调 节 能 力 , 没 有 环 境 排 放 的 风 险 • 钻 井 和 完 井 成 本 高 • 钻 井 和 生 产 现 场 需 征 地 • 需 大 量 钻 孔 及 与 之 配 套 的 地 面 集 气管 网 矿 井 瓦 斯 • 通 过 现 有 的 基 础 设 施 在 固 定 场 所 将 矿 井 瓦 斯 输 送到 地 面 。 瓦 斯 作 为 废 气 进 行 回 收 , 且 以 矿 井 安 全为 主 要 目 的 。 • 矿 井 瓦 斯 的 利 用 是 通 过 甲 烷 转 变 为 低 危 害 性 的 而 减 少 了 温 室 气 体 的 排 放 。 • 可 实 现 较 高 的 产 气 量 • 气 纯 度 可 变 ( 中 等 纯 度 至 低 纯 度 ) • 供 气 可 能 会 受 采 煤 作 业 的 影 响 , 使用 储 气 罐 可 在 一 定 程 度 上 得 到 缓 解 • 没 有 调 节 能 力 • 可 能 需 要 通 过 外 部 燃 料 供 应 维 持 瓦斯 利 用 过 程 不 中 断 报 废 矿 井 瓦 斯 • 利 用 以 前 的 巷 道 和 钻 孔 进 入 瓦 斯 储 集 层 • 在 某 些 情 况 下 , 可 以 在 用 户 现 场 安 装 采 气 钻 孔 • 减 少 关 闭 矿 井 中 温 室 气 体 的 排 放 • 产 气 量 高 , 气 纯 度 相 对 稳 定 ( 从 高 到 低 ) • 可 在 确 定 的 范 围 内 调 节 供 气 量 以 适 应 需 求 • 可 能 需 要 做 矿 井 修 补 工 作 以 充 分 密封 地 面 通 道 • 矿 井 水 位 的 升 高 使 可 进 入 的 瓦 斯 储层 的 体 积 逐 渐 缩 小 • 可 能 需 要 不 断 地 用 泵 抽 出 矿 井 水 矿 井 瓦 斯 和 报 废 矿 井 瓦 斯 利 用 计 划 有 极 好 的 环 境 效 益 , 由 于 :● 燃 烧 产 生 的 大 气 的 危 害 比 甲 烷 小 21 倍 左 右 , 从 而 减 少 了 温 室 气 体 的 排 放 ( 表 3 )● 从 采 矿 的 废 气 生 产 出 有 用 的 能 源● 环 境 敏 感 的 地 区 可 替 代 煤 炭 使 用表 3. 英国 2000 年向大气排放的煤层气估计量报 废 矿 井 瓦 斯 的 开 发 和 利 用 除 了 能 减 少 温 室 气 体 的 排 放 以 外 , 还 能 防 止 臭 味 的 散 发 , 减 少 瓦 斯 不 受 控 制 的 向 地 面 运 移的 风 险 。 由 于 改 善 了 矿 井 巷 道 的 密 封 和 地 面 的 环 境 , 矿 井 现 场 也 因 此 受 益 。 英 国 规 划 和 管 理 局 正 积 极 考 虑 报 废 矿 井 瓦 斯 开发 计 划 。未 采 区 煤 层 气 的 生 产 方 案 , 不 受 采 煤 的 制 约 , 由 于 它 能 替 代 煤 炭 燃 烧 因 而 对 减 少 温 室 气 体 排 放 有 直 接 的 贡 献 。 在 某 些情 况 下 , 为 增 浓 报 废 矿 井 瓦 斯 和 矿 井 瓦 斯 , 可 提 供 高 纯 度 的 气 , 增 加 利 用 总 量 , 从 而 进 一 步 减 少 温 室 气 体 的 排 放 。京 都 议 定 书 设 想 于 2008 年 引 入 温 室 气 体 排 放 配 额 ( 碳 排 放 配 额 ) 国 际 贸 易 。 使 实 现 了 排 放 量 减 少 而 配 额 富 裕 的 单 位 可将 富 裕 配 额 出 售 给 排 放 配 额 不 足 的 单 位 。 目 前 已 建 立 起 了 一 项 风 险 贸 易 。 按 当 前 的 价 格 , 通 过 排 放 配 额 的 销 售 , 英 国 矿 井瓦 斯 方 案 可 增 加 大 约 10% 的 收 入 。 报 废 矿 井 瓦 斯 比 抽 出 的 矿 井 瓦 斯 更 难 确 认 排 放 配 额 , 因 为 在 没 有 抽 放 计 划 的 情 况 下 所 有 抽出 的 瓦 斯 不 一 定 都 已 全 部 排 入 大 气 。英 国 正 引 入 一 项 义 务 贸 易 计 划 , 以 鼓 励 减 少 温 室 气 体 的 排 放 。 究 竟 是 矿 井 瓦 斯 计 划 还 是 报 废 矿 井 瓦 斯 计 划 更 有 利 还 不太 清 楚 。英国煤层气资源和储量 英 国 陆 地 煤 层 气 资 源 预 测 以 及 可 采 储 量 见 表 4 。 此 项 研 究 表 明 , 报 废 矿 井 瓦 斯 " 储 量 " 比 其 它 来 源 更 重 要 。 但 这 些 数 据只 能 作 为 原 始 数 据 来 看 待 , 需 作 更 详 细 的 评 估 。表 4. 英国煤层气资源和可采储量预测 ( 人 , 2001)由 于 英 国 还 没 有 进 行 未 采 区 煤 层 气 的 生 产 示 范 , 作 业 人 员 也 没 有 获 得 大 型 多 口 井 生 产 矿 区 的 计 划 许 可 , 因 此 目 前 还 不能 确 定 探 明 储 量 。 打 井 计 划 也 仅 限 于 四 至 五 口 试 验 井 。海 洋 未 采 区 煤 层 气 的 开 发 成 本 太 高 。 最 好 是 在 合 适 的 区 域 利 用 现 有 的 石 油 钻 井 平 台 钻 天 然 气 井 , 例 如 在 南 部 北 海 , 可 以 深到 与 下 覆 煤 层 相 交 。 任 何 利 益 都 是 有 一 定 限 度 的 , 而 且 作 业 也 不 一 定 都 成 本 有 效 。 只 有 从 低 渗 透 率 煤 层 中 生 产 煤 层 气 的 技术 有 了 量 的 飞 跃 之 后 , 英 国 海 洋 煤 层 气 资 源 才 有 可 能 凭 自 己 的 实 力 吸 引 商 业 开 采 。报 废 矿 井 瓦 斯 主 要 是 采 煤 后 煤 层 中 的 残 余 气 , 不 包 括 浅 部 出 露 的 工 作 面 。 图 2 所 示 的 是 这 部 分 资 源 的 大 概 情 况 。煤层气源 甲烷排放 吨 资料来源 未 采 区 煤 层 气 极 少 矿 井 瓦 斯 200,000 估 计 ) 报 废 矿 井 瓦 斯 20,000 煤 炭 管 理 局 资 料 300,000 矿 井 瓦 斯 作 业 者 协 会 煤层气气源 资源量 10 9 m 3 可采储量 10 9 m 3 未 采 区 煤 层 气 2450 30 报 废 矿 井 瓦 斯 213 107 矿 井 瓦 斯 图 2. 英 国 报 废 矿 井 瓦 斯 资 源 概 略报 废 矿 井 瓦 斯 储 量 相 当 于 考 虑 了 可 回 收 矿 井 水 的 那 部 分 可 采 气 量 。 在 估 计 报 废 矿 井 瓦 斯 时 , 由 于 进 行 了 粗 略 的 假 定 ,不 确 定 因 素 相 当 高 , 需 要 做 详 细 评 估 来 确 定 其 结 果 。 最 大 的 不 确 定 性 在 于 , 由 于 地 下 水 回 收 而 可 能 没 有 计 入 的 那 部 分 煤 的体 积 。生 产 矿 井 的 矿 井 瓦 斯 储 量 用 矿 井 服 务 年 限 内 从 规 划 的 长 壁 开 采 煤 层 释 放 出 来 的 瓦 斯 气 量 来 表 示 , 可 采 储 量 为 通 过 瓦 斯 抽 放系 统 抽 出 并 输 送 到 瓦 斯 利 用 工 厂 去 的 气 量 。未采区煤层气生产 未采区煤层气钻井和完井常 规 未 采 区 煤 层 气 是 通 过 在 垂 直 井 钻 孔 中 , 用 水 力 压 裂 对 煤 层 激 励 来 进 行 煤 层 气 生 产 的 。 开 发 的 另 一 种 方 法 是 , 用压 缩 空 气 反 复 对 煤 层 进 行 加 压 和 卸 压 , 将 煤 颗 粒 从 煤 层 中 冲 刷 下 来 形 成 洞 穴 , 以 此 来 代 替 水 力 压 裂 。 但 这 种 方 法 似 乎 对 渗透 性 较 弱 的 煤 层 效 果 不 佳 。还 有 一 种 有 希 望 的 替 代 方 法 是 , 在 煤 层 中 从 一 个 垂 直 钻 孔 打 多 个 水 平 钻 孔 , 见 图 3 。图 3. 地 面 向 煤 层 钻 井 的 技 术增 加 与 煤 的 接 触 面 可 增 加 产 气 量 , 因 而 可 以 不 用 水 力 压 裂 。 澳 大 利 亚 和 美 国 的 专 业 承 包 商 声 称 , 在 别 处 应 用 这 项 技术 , 必 须 具 备 专 门 知 识 , 但 还 没 有 在 英 国 的 煤 层 中 进 行 过 示 范 。 英 国 一 些 服 务 公 司 有 非 常 先 进 的 定 向 钻 井 设 备 , 曾 应 用 于海 上 油 气 勘 探 和 生 产 , 但 他 们 经 验 不 足 , 因 此 对 于 在 英 国 井 下 进 行 煤 层 中 钻 井 持 谨 慎 态 度 。 不 论 怎 样 , 在 井 下 巷 道 掘 进 中瓦 斯 涌 出 量 低 表 明 长 钻 孔 也 不 一 定 产 气 率 高 。一 种 固 定 半 径 钻 井 技 术 已 在 澳 大 利 亚 进 行 了 示 范 , 这 项 技 术 是 利 用 一 种 新 型 水 力 喷 射 切 割 装 置 在 竖 井 的 任 何 位 置 钻 多个 水 平 孔 , 钻 孔 向 外 长 达 200 m 。新的未采区煤层气前景的确定最 近 的 一 些 发 现 表 明 , 有 用 的 气 体 可 以 从 更 大 范 围 的 煤 种 中 加 以 回 收 , 而 不 是 象 以 前 认 为 的 那 样 。 例 如 , 美 国 怀 俄明 州 香 粉 河 盆 地 的 次 烟 煤 含 气 量 很 低 , 只 有 1.8 m3/t , 但 却 证 明 其 产 气 量 很 高 。 厚 煤 层 和 高 渗 透 率 ( 10 - 1000 补 偿了 含 气 量 低 的 不 足 , 但 高 渗 透 率 的 代 价 却 是 出 水 多 和 对 排 出 的 水 进 行 处 理 等 问 题 。 图 4 所 示 的 是 采 用 简 单 的 、 低 成 本 的 钻孔 方 法 。 图 5 所 示 为 地 表 地 形 的 良 好 状 态 。 在 美 国 , 无 烟 煤 被 认 为 是 产 气 率 低 的 煤 , 但 研 究 表 明 在 中 国 的 某 些 地 质 环 境 下 , 象 沁 水 煤 田 所 展 现 的 那 样 , 无 烟 煤 也有 裂 隙 , 能 生 产 有 商 业 价 值 的 气 流 量 。在 美 国 圣 胡 安 盆 地 也 有 一 些 迹 象 , 部 分 从 最 高 产 的 井 ( 位 于 所 谓 的 " 油 气 通 路 " 上 ) 产 出 的 甲 烷 其 生 物 成 因 较 年 轻 。 甲烷 的 成 因 也 许 是 由 于 地 下 水 引 入 的 结 果 。 这 就 解 释 了 各 种 浅 层 渗 透 性 好 的 煤 中 煤 层 气 存 在 的 可 能 性 , 而 与 煤 级 无 关( 2001) 。 香 粉 河 盆 地 的 煤 层 可 能 就 属 于 这 一 类 。提高未采区煤层气的回收和产量最 近 的 开 发 工 作 主 要 有 改 进 气 体 回 收 方 法 和 提 高 渗 透 率 以 增 加 气 流 量 的 方 法 。煤层气增产 和 可 用 于 清 除 煤 裂 隙 中 的 甲 烷 , 降 低 甲 烷 的 分 压 , 以 提 高 煤 储 层 的 解 吸 作 用 。 因 为 能 优 先 吸 附 在 煤 的 表面 , 将 甲 烷 从 其 吸 附 的 地 方 置 换 出 来 , 所 以 起 的 作 用 更 大 。 现 场 测 试 已 证 实 , 注 入 能 获 得 甲 烷 高 产 。 保 留 在 煤 中 的 的 体 积 比 产 出 的 甲 烷 的 体 积 多 2 - 3 倍 。 然 而 , 现 在 美 国 已 证 实 , 注 入 氮 气 比 注 在 经 济 上 更 合 算 , 因 为 氮 气 可 以 回 收 循 环使 用 , 而 却 保 留 在 煤 中 。一 些 国 家 目 前 正 在 考 虑 将 在 煤 层 中 的 滞 留 作 为 一 种 重 要 的 封 存 工 艺 , 增 加 的 煤 层 气 也 作 为 一 种 副 产 品 以 及 对 生 产 补贴 的 一 种 方 式 。 除 了 加 拿 大 和 美 国 正 在 进 行 研 究 以 外 , 欧 盟 的 研 究 项 目 ( 其 中 涉 及 到 英 国 、 荷 兰 、 法 国 、 德 国 和 波 兰 ) 也在 对 该 课 题 进 行 研 究 。为 了 使 注 入 的 气 体 能 渗 透 煤 体 , 煤 层 必 须 有 较 高 的 渗 透 率 ( 可 能 至 少 要 1 。 对 世 界 上 许 多 煤 田 来 说 , 这 可 能 是 煤层 气 增 产 技 术 商 业 应 用 的 障 碍 。用生物技术提高含气量和渗透率生 物 技 术 可 用 来 改 善 所 选 定 的 煤 层 气 储 层 的 含 气 性 和 气 流 量 特 性 。 应 用 于 煤 藏 的 人 工 甲 烷 生 成 技 术 可 通 过 微 生 物 将 封堵 在 微 孔 隙 中 的 蜡 清 除 掉 来 增 加 煤 层 气 的 含 气 量 , 也 使 渗 透 率 得 以 提 高 。 但 反 应 速 率 可 能 会 受 生 成 温 度 、 有 毒 废 物 的 堆 积以 及 微 生 物 能 到 达 的 小 节 理 区 域 的 限 制 。 任 何 生 物 质 的 生 成 可 降 低 由 煤 降 解 而 产 生 的 渗 透 性 。 对 于 煤 层 气 增 产 , 要 求 有 足够 的 渗 透 率 以 便 进 行 上 段 所 述 的 处 理 。长壁开采提高渗透率受 过 去 长 壁 开 采 影 响 而 松 动 但 未 被 开 采 的 煤 层 可 增 加 裂 隙 渗 透 率 , 但 除 煤 层 之 外 的 含 水 层 也 可 能 受 到 扰 动 , 还 需 排 除裂 隙 中 的 水 。 在 美 国 从 长 期 废 弃 的 采 空 区 钻 孔 所 得 的 煤 层 气 流 量 表 明 ( 最 初 是 在 长 壁 工 作 面 上 方 钻 孔 ) , 在 某 些 情 况 下 ,增 加 的 裂 隙 能 被 保 存 下 来 。用地质方法提高渗透率煤 层 的 渗 透 性 受 地 质 构 造 变 化 的 影 响 。 有 时 煤 层 的 渗 透 性 会 因 邻 近 断 层 、 岩 脉 或 褶 皱 而 提 高 。 然 而 , 结 构 复 杂 的 区 域往 往 导 致 节 理 体 系 的 破 坏 使 渗 透 率 降 低 , 尤 其 是 在 发 生 剧 烈 构 造 挤 压 的 区 域 。 一 般 来 说 , 好 的 煤 层 气 区 带 可 能 有 相 对 简 单的 地 质 构 造 , 以 保 证 储 层 的 连 续 性 。矿井瓦斯的生产 矿 井 瓦 斯 是 采 用 甲 烷 抽 放 技 术 来 获 取 的 。 这 些 技 术 的 设 计 主 要 是 在 高 浓 度 甲 烷 进 入 矿 山 巷 道 前 通 过 钻 孔 和 管 网 将 其 采集 , 使 煤 炭 生 产 计 划 能 够 安 全 地 得 以 实 现 。 这 样 , 涌 入 长 壁 采 煤 区 的 瓦 斯 可 以 减 少 到 用 通 风 稀 释 的 满 意 程 度 。图 4. 美 国 香 粉 河 盆 地 的 完 井 ( 怀 俄 明 州 地 质 调 查 局 特 许 刊 登 )图 5. 美 国 香 粉 河 盆 地 的 钻 井 作 业( 怀 俄 明 州 地 质 调 查 局 特 许 刊 登 )矿井瓦斯的可用性瓦 斯 流 量 和 质 量 的 可 变 性 可 以 通 过 矿 井 开 发 计 划 、 地 质 条 件 、 煤 层 含 气 量 数 据 和 瓦 斯 涌 出 量 的 历 史 资 料 的 研 究 来 确定 。 甲 烷 预 测 模 型 也 可 用 来 估 计 预 期 的 瓦 斯 总 流 量 。 在 工 作 面 顶 板 , 以 前 被 采 过 的 煤 层 中 瓦 斯 的 可 用 性 就 会 大 大 降 低 。并 不 是 所 有 预 测 的 瓦 斯 都 有 用 , 只 有 一 小 部 分 能 加 以 回 收 。 瓦 斯 抽 放 系 统 回 收 不 到 的 瓦 斯 不 会 保 留 在 矿 体 中 , 而 必 定会 逸 散 到 矿 井 巷 道 中 。 不 能 被 利 用 的 瓦 斯 是 由 于 受 瓦 斯 利 用 设 备 能 力 的 限 制 , 或 由 于 计 划 安 排 停 机 或 意 外 停 机 造 成 的 。 这部 分 气 只 能 排 入 大 气 。 由 于 生 产 的 原 因 , 到 达 地 面 的 瓦 斯 浓 度 有 时 可 能 比 允 许 的 最 低 利 用 浓 度 还 要 低 , 不 可 用 的 瓦 斯 或 将其 排 空 , 或 与 其 它 来 源 的 高 纯 度 气 , 如 天 然 气 或 液 化 石 油 气 混 合 。矿井瓦斯技术井 下 工 作 面 瓦 斯 抽 放 方 法 分 为 采 前 预 抽 和 采 后 抽 放 。 采 前 预 抽 通 常 是 在 采 前 抽 本 层 煤 的 甲 烷 气 。 英 国 目 前 任 何 一 个 生产 煤 矿 都 不 具 备 良 好 的 采 前 预 抽 条 件 。 采 后 抽 放 是 在 作 业 层 上 方 和 下 方 的 煤 层 中 抽 取 甲 烷 气 ( 但 不 从 本 层 抽 ) 。 工 作 面 煤层 因 采 煤 而 被 扰 动 , 造 成 顶 板 跨 落 。并 不 是 所 有 的 方 法 都 适 用 于 每 个 煤 矿 或 所 有 的 国 家 。 主 要 的 抽 放 方 法 有 :● 从 地 面 钻 孔 对 未 采 煤 层 进 行 预 抽● 采 煤 之 前 通 过 巷 道 掘 进 预 抽 本 煤 层 的 瓦 斯● 从 开 拓 平 巷 钻 水 平 长 孔 预 抽 本 煤 层 的 瓦 斯● 用 穿 层 钻 孔 至 上 覆 煤 层 和 下 覆 煤 层 , 采 后 抽 取 松 弛 煤 层 的 瓦 斯● 从 井 下 巷 道 或 采 空 区 上 方 水 平 钻 孔 进 行 采 后 抽 放 ( 超 近 抽 放 法 )● 从 地 面 垂 直 钻 孔 进 行 采 后 抽 放 ( 地 面 采 空 区 井 )● 密 闭 的 废 弃 巷 道 或 采 空 区 工 作 面 的 采 后 预 抽 放 ( 井 下 密 闭 采 空 区 抽 放 )目 前 在 现 代 的 高 瓦 斯 长 壁 开 采 的 煤 矿 广 泛 采 用 的 最 有 效 的 采 后 抽 放 方 法 是 穿 层 瓦 斯 抽 放 法 。 英 国 16 个 进 行 瓦 斯 抽 放 的煤 矿 中 有 13 个 采 用 这 种 方 法 。 钻 孔 是 以 一 定 的 角 度 向 上 打 , 在 某 些 情 况 下 也 可 向 下 钻 到 采 过 的 煤 层 中 ( 采 空 区 ) 。图 6. 英 国 陶 尔 煤 矿 穿 层 钻 孔 瓦 斯 抽 放将 钻 孔 与 管 道 网 相 连 接 , 利 用 地 面 或 井 下 的 抽 放 泵 的 负 压 将 瓦 斯 抽 到 排 放 点 或 甲 烷 利 用 厂 。 作 用 于 瓦 斯 抽 放 钻 孔 的 负压 在 增 加 气 流 量 的 同 时 , 也 通 过 煤 层 顶 板 的 裂 隙 抽 入 了 通 风 的 空 气 , 将 立 管 插 入 钻 孔 的 头 部 , 使 空 气 入 口 最 小 。 因 此 甲 烷总 是 因 空 气 混 入 而 稀 释 。 减 小 负 压 可 以 增 加 气 的 纯 度 , 但 气 流 量 也 会 降 低 。 根 据 不 同 的 地 质 技 术 、 地 质 、 采 矿 和 作 业 条件 , 一 般 从 长 壁 工 作 面 释 放 的 甲 烷 能 回 收 30% - 70% 。在 英 国 井 下 作 业 面 的 深 度 , 高 钻 井 成 本 以 及 地 面 环 境 和 进 入 煤 层 的 限 制 阻 碍 了 常 规 瓦 斯 抽 放 技 术 的 应 用 , 包 括 地 面 向 采 煤工 作 面 钻 孔 等 技 术 。一 项 成 功 的 矿 井 瓦 斯 利 用 方 案 的 主 要 特 征 是 :● 有 一 个 管 理 良 好 的 瓦 斯 抽 放 系 统● 煤 炭 生 产 和 瓦 斯 回 收 有 可 持 续 性● 煤 炭 生 产 区 和 封 闭 区 内 有 足 够 的 瓦 斯● 有 配 套 的 基 础 设 施 , 方 便 瓦 斯 的 就 地 利 用 或 发 电● 矿 井 瓦 斯 的 抽 放 和 利 用 有 管 理 上 的 保 证英 国 用 水 平 钻 井 技 术 在 采 空 区 工 作 面 上 方 布 置 瓦 斯 集 气 孔 来 改 进 回 收 方 法 的 尝 试 已 证 明 不 成 功 。 自 从 定 向 钻 井 技 术 的研 究 完 成 以 来 , 该 技 术 已 得 到 了 推 进 。 看 来 有 必 要 考 虑 对 这 项 技 术 进 行 包 括 专 业 承 包 商 在 内 的 进 一 步 的 试 验 。报废矿井瓦斯的生产 报 废 矿 井 瓦 斯 计 划 回 收 的 是 被 长 壁 采 煤 扰 动 的 但 未 开 采 的 煤 中 留 下 的 瓦 斯 。 与 其 它 煤 层 气 项 目 相 比 , 报 废 矿 井 瓦 斯 计划 的 实 施 可 迅 速 回 收 资 金 并 获 得 高 回 报 。最 好 选 择 那 些 矿 井 水 量 少 的 地 区 , 或 正 在 排 水 的 场 所 , 因 为 被 水 浸 泡 的 采 区 是 抽 不 出 达 到 利 用 量 的 瓦 斯 的 。在 大 多 数 情 况 下 , 瓦 斯 抽 放 率 的 限 度 是 由 矿 井 采 区 通 路 ( 未 充 填 的 立 井 、 充 填 的 立 井 、 平 硐 或 钻 孔 ) 的 阻 力 决 定 的 。而 瓦 斯 的 质 量 主 要 取 决 于 对 空 气 进 入 通 路 的 密 封 情 况 。一 项 成 功 的 报 废 矿 井 瓦 斯 方 案 的 主 要 特 征 是 :● 大 面 积 相 互 连 接 的 报 废 矿 井 采 区● 由 于 上 下 层 的 开 采 导 致 未 采 层 卸 压● 在 未 采 煤 层 中 存 有 大 量 的 残 余 甲 烷 气 ( 不 见 得 瓦 斯 含 量 一 定 很 高 )● 进 入 采 区 的 水 极 少 , 主 巷 道 中 几 乎 没 有 积 水● 有 一 个 未 被 充 填 的 立 井 或 平 硐 , 可 以 从 中 将 瓦 斯 抽 出● 与 浅 部 露 头 工 作 面 无 接 口 , 这 样 就 不 会 有 空 气 漏 入● 瓦 斯 在 当 地 有 销 售 市 场提高报废矿井瓦斯的回收采 取 以 下 措 施 可 以 改 进 目 前 的 技 术 , 并 提 高 从 报 废 矿 井 瓦 斯 储 层 瓦 斯 回 收 :● 对 采 空 区 上 方 未 开 采 的 煤 层 进 行 水 力 压 裂● 注 入 适 用 于 煤 层 气 增 产 )● 通 过 排 水 进 入 以 前 被 淹 没 、 深 层 的 高 瓦 斯 采 区钻井技术可以用于● 与 采 区 连 通 , 使 矿 井 水 能 从 主 生 产 区 顺 利 排 出● 连 通 邻 近 矿 井 , 工 作
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