淺談煤層氣開采工藝技術(shù)

張瑯

摘 要：煤層氣目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會中很多生產(chǎn)領(lǐng)域，隨著需求的不斷增加，當(dāng)前需要不斷開采更多的煤層資源，因此下文首先論述我國煤層氣的分布特點，其次從開采準(zhǔn)備工作以及開采具體技術(shù)兩個方面進行論述，最后希望能夠幫助有關(guān)人員精進自身的開采工藝。

關(guān)鍵詞：煤層氣;開采工藝;工藝流程

我國煤層氣存儲資源豐富，生產(chǎn)開采中又將該氣體稱為瓦斯氣。隨著中國工業(yè)的不斷發(fā)展，原本自身儲藏的能源已經(jīng)無法滿足市場的發(fā)展需求，需要不斷進口煤層氣支持內(nèi)需，因此自從“十九大”之后政府積極引導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)以及部門極大對于煤層氣的開采工藝研究。

1 我國煤層氣的存儲結(jié)構(gòu)特點

煤層氣是自然界中分布比較廣泛的一種天然能源，但是和常規(guī)的天然氣相比還是存在一定的結(jié)構(gòu)差異，因為煤層氣不存在蓋層以及圈閉情況，能夠進行自我生長以及存儲，煤層在時間的積淀下逐漸形成，并且受到內(nèi)部基層不斷的收縮作用力將下面大量的巖層進行分隔，最終形成大量的空隙。某些地區(qū)的地下水比較豐富，會沿著這些裂縫進入到空隙下面，甲烷本身屬于溶解性很低的材料，大量的甲烷因為無法溶解到水中所以會停留在水面上面，孔隙中的甲烷會不斷出現(xiàn)擴散以及滲透的現(xiàn)象，最終底層的甲烷濃度能夠和縫隙中的濃度保持一致。

我國是一個資源比較豐富的國家，已有的煤層氣含氣飽和度較低，并且煤層氣內(nèi)部的裂縫的發(fā)育程度以及結(jié)構(gòu)之間的連接對于對后續(xù)的開采工藝造成影響，同時我國部分地區(qū)的煤層氣結(jié)構(gòu)分布不是很穩(wěn)定，容易受到外力的影響和干擾，因此需要采取合適的開采工藝保證煤層氣的開采質(zhì)量[1]。

2 煤層氣開采施工準(zhǔn)備工作

2.1 煤層氣的勘察以及探測

煤層氣的勘察工作具備實驗以及專業(yè)性兩種特點，需要專業(yè)的勘察人員在海量的實驗基礎(chǔ)上做出合理科學(xué)的判斷。和礦山的分布情況類似，一般煤層氣分布比較多的地方在結(jié)構(gòu)方面都具有很大的相似性，很多的工作人員從多年的工作經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)煤層氣含量較多的地區(qū)基本上都是水壓閉氣情況，大部分資源分布在向斜或者單斜的下面，其形成過程和汽油圈的形成原理基本相同，唯一的差別就是煤層氣都是分布在下層的空隙內(nèi)部。因此煤層中的空隙數(shù)量越多，裂縫的發(fā)育情況越良好，內(nèi)部能夠存儲的資源也就越豐富。而向斜或者單斜位置的裂縫發(fā)育情況是地形結(jié)構(gòu)中最完備的，因此這些位置的煤層氣儲備量也就最大，但是如果這些地區(qū)是經(jīng)過地質(zhì)運動形成的，煤層氣可能會定期出現(xiàn)擴散或者斷裂的情況，無法有效保存下來，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果一個區(qū)域本身能源儲備豐富，但是周圍存在周期性的火山運動可能會對煤層的儲備造成強烈影響，但是一些規(guī)模不大，強度適中的火山活動能夠加速煤層內(nèi)部有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度，提高煤層氣的質(zhì)量。因此煤層氣在進行勘察之前需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存儲形態(tài)以及位置特征做出簡單的了解，結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境選擇合適的開發(fā)位置。

2.2 鉆井工程技術(shù)的應(yīng)用

我國煤層氣鉆井設(shè)備大多是進口引用國外的石油鉆進，在鉆取的過程中應(yīng)用取心鉆頭以及壓輪鉆頭對于低滲或者欠壓的地區(qū)進行工作。鉆井法可以被分為定向鉆井技術(shù)以及欠平衡鉆井技術(shù)。后者在工作的過程中需要營造合適的施工條件，使得鉆井內(nèi)部的流體壓力低于正常狀態(tài)，在內(nèi)部形成一種負(fù)壓的工作狀態(tài)，這樣也就能夠增加煤層氣的生產(chǎn)量，防止對于存儲層造成結(jié)構(gòu)上的破壞，節(jié)約經(jīng)濟成本，其次定向鉆井技術(shù)能夠減少煤層氣在開采過程中的浪費，無論針對何種透氣性的煤層都具有良好的效果[2]。

鉆井液的使用方式一直以來都是鉆井工程中的核心技術(shù)問題，鉆井液的種類以及使用質(zhì)量會直接影響到煤層氣的開發(fā)質(zhì)量。所以在施工之前選擇的鉆井液需要能夠和實際的條件相匹配。比較常用的鉆井液有清水鉆井液，無固相鉆井液，這兩種類型的鉆井液能夠有效抑制煤層內(nèi)部的膨脹特性，并且維持內(nèi)部煤層結(jié)構(gòu)的壓力以及密度，在不影響正常開采工作的情況下，穩(wěn)定內(nèi)部的存儲結(jié)構(gòu)。

2.3 煤層氣開采過程中布井方式

煤層氣開采工作的布井方式主要分為三種情況，分別為垂直，水平以及采空區(qū)。

應(yīng)用情況比較廣闊的方式為垂直鉆井，該方法的工作原理為從地面進行打井，然后穿越下面的煤層，這種工作方式能夠?qū)①Y源的效用發(fā)揮到最大化，但是對于當(dāng)?shù)氐匦蔚慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高，并且工程規(guī)模較大，其他的兩種工作方式都是沿著井內(nèi)巷道進行工作，需要比較高的安全技術(shù)支承條件，因此建設(shè)成本也就比較大。最后采空區(qū)的鉆井從地面部分開始施工，從煤層的上方直接穿越煤層的采空區(qū)，在施工的時候應(yīng)該注意能夠控制周圍的瓦斯?jié)舛龋驗橄锏纼?nèi)部通常會聚集大量的瓦斯，如果遇到明火可能會出現(xiàn)爆炸的情況。

2.4 煤層氣的開采技術(shù)凈化以及增產(chǎn)方法

提高單位煤層氣產(chǎn)值的方法主要有如下幾種：首先可以采用半徑超短的水平井，該技術(shù)在垂直井內(nèi)部對煤層進行打孔，并且沿著井眼進行施工。其次還可以應(yīng)用降壓的開采工藝，該工藝通過改變煤層內(nèi)部受力平衡狀態(tài)來不斷穩(wěn)定抽取內(nèi)部的氣體。開采的工序應(yīng)該為首先開采下面含量豐富的煤層，隨著游離氣體的不斷減少，原本吸附在空隙內(nèi)部的煤層氣體能夠向游離煤層氣的方向轉(zhuǎn)移，通過降低周圍壓力的辦法將氣體解吸出來。該技術(shù)在實施的過程中不會產(chǎn)生任何的能量以及熱量，并且經(jīng)濟成本比較低[3]。

3 煤層氣開采的工藝流程

3.1 開采原理

煤層氣的開采方法和一般煤礦開采方式不同，煤層中天然氣分布狀態(tài)主要有三種，分別為游離狀態(tài)，吸附狀態(tài)以及溶解狀態(tài)。在真實的煤層中實際上存在極少部分的游離氣體，因為內(nèi)部據(jù)大部分的裂縫被水充滿，即使存在游離氣體也只能夠存在于煤礦的表面上方。當(dāng)煤層內(nèi)部的壓力降低到煤層氣解吸壓力的最小值時。原本被吸附的甲烷氣體和裂縫表面逐漸進行解吸，隨著壓力的不斷下降，解吸的程度越來越小，最終這些發(fā)生解吸的習(xí)題通過巖層以及空隙逐漸擴散到內(nèi)部的其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，最終進入井筒。

煤層氣的開采主要分為三個階段，首先第一階段對于內(nèi)部進行人工降壓和脫水，該階段一般需要持續(xù)一周到一個月的時間不等，然后進入到穩(wěn)定生產(chǎn)的階段，該部分生產(chǎn)量已經(jīng)趨于穩(wěn)定，屬于高峰生產(chǎn)時期，最后產(chǎn)氣量逐漸下降并且隨著壓力的不斷減少，井內(nèi)會出現(xiàn)少量的水。三個部分的施工屬于連續(xù)性的，并且隨著時間的推進，井眼將會沿著徑向不斷向周圍的煤層推進，即內(nèi)部井面積越大，需要脫水的時間越久，受到這種影響的面積也就越大。煤層中氣態(tài)的開發(fā)曲線屬于正太分布，在剛開始的3到5年會逐漸遞增，在持續(xù)一段時間之后，逐漸衰減，部分內(nèi)部能源豐富的地區(qū)能夠?qū)⒃撈胶馇闆r維持在30年左右。

3.2 開采施工技術(shù)流程

在完井之前，壓裂之后需要實施洗井工藝，該流程的目的在于將周圍存在的物質(zhì)清理干凈，例如煤粉，頁巖，混凝土等，將這些物質(zhì)全部清理干凈避免對下層結(jié)構(gòu)造成損壞。通常使用清水以及高速氣流進行洗凈。完畢之后開始進行煤層氣開采的排水采氣工作。

除了需要準(zhǔn)備一套完整的地下掘進設(shè)備，同時也應(yīng)該具備良好的地面開發(fā)裝置。因為煤層氣的開發(fā)一般都是在地下氣壓比較低的情況下進行開發(fā)，人工完成降壓以及排水施工之后需要借助地面的設(shè)備進行控制，例如從井內(nèi)部開采出來的氣體氣壓較低，不會超過1.5個大氣壓，需要地面上的設(shè)備進行采集，降壓處理之后才能夠輸送給周圍的用戶正常使用[4]。

4 結(jié)束語

因為煤層氣與其他煤礦的分布結(jié)構(gòu)不同，也就決定了其開采工藝的特殊性，從上文的論述中可以看出大部分煤層氣的開采工作都需要進行壓裂，脫水，降壓處理。從當(dāng)前的市場需求來看，在未來的很長一段時間，煤層氣將是新能源發(fā)展的主要目標(biāo)，因此研究人員需要積極開發(fā)新的開采工藝，提高煤層氣的開采質(zhì)量。

參考文獻：

[1]馬凱.煤層氣直井負(fù)壓排采技術(shù)的影響因素淺析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018，266（21）：52-53+59.

[2]楊立成，金鑫，許文龍等.淺談煤層氣水平井水力噴射分段壓裂工具的優(yōu)化與應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（24）：256-257.

[3]繆明，杜學(xué)輝.淺談中國煤層氣資源的有效開發(fā)與利用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（28）：167.

[4]馮立杰，王延鋒，岳俊舉，等.IDE技術(shù)創(chuàng)新方法在煤層氣開采中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟，2015（11）：139-146.