煤層氣開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及改進(jìn)策略

霍 軒，石 璐，劉 超，楊小平

（1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，山西忻州 036600；2.渤海石油裝備公司采油裝備公司，天津 300280；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司，陜西渭南 715400）

0 引言

煤層氣又稱為煤氣層甲烷，是一種常規(guī)的天然氣體，用途廣泛且熱值較高，是不會(huì)釋放有害氣體的天然燃料。煤氣層的成分以甲烷為主，還包含一些游離在煤孔內(nèi)或溶于水蒸氣的烷烴混合氣體，在化學(xué)生產(chǎn)中可以用來合成氨。隨著新能源與化工原料的開發(fā)，高效利用煤層氣，可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)還能起到保護(hù)環(huán)境、凈化空氣的作用。在煤層氣的開采過程中要避免氣體的直接泄漏，因?yàn)闅怏w一旦遇到明火就會(huì)發(fā)生爆炸，給施工作業(yè)人員帶來生命危險(xiǎn)。

煤層氣的開采有利于優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，起到保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)的作用。當(dāng)前我國的能源供應(yīng)緊張，正處于由煤層氣資源大國朝著煤層氣生產(chǎn)大國轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，盡管勘探開采工作獲得了一定進(jìn)步，但是要實(shí)現(xiàn)高效率開采還要解決更多的問題。煤層氣的采收率是計(jì)算煤層氣可采資源量的重要依據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)，減少溫室氣體排放，并節(jié)約煤層氣開采的成本，實(shí)現(xiàn)煤層氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為煤層氣開采獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造條件。

1 煤層氣及煤層氣的優(yōu)點(diǎn)

煤層氣的主要成分是甲烷，是煤的伴生資源，煤層氣的燃值相對(duì)較高，是煤的2～5 倍。煤層氣與天然氣有著相同的燃值，因此也被稱為非常規(guī)天然氣。煤層氣也被稱為瓦斯，如果在開采的過程中不加以控制，容易造成瓦斯爆炸，導(dǎo)致煤礦開采事故的發(fā)生，危害作業(yè)人員的安全。但是煤層氣也屬于清潔型的能源，開采和利用的價(jià)值非常大。煤層氣在使用時(shí)通常與天然氣混合使用，基本上不會(huì)產(chǎn)生廢氣，可以緩解我國能源供應(yīng)緊張的局面。煤層氣在商業(yè)化應(yīng)用以后可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展有積極作用。

我國煤炭的儲(chǔ)存量巨大，但是由于人口基數(shù)大，因此人均煤炭占有量相對(duì)較低。煤存儲(chǔ)在地層比較深的位置，在多年地殼運(yùn)動(dòng)的環(huán)境下，煤層氣也面臨著存儲(chǔ)壓力泄漏、存儲(chǔ)位置不連續(xù)等問題，加大了煤層氣的開采難度。從天然氣資源分布方面來看，我國擁有著廣泛的天然氣資源，分布集中且廣泛。受地殼運(yùn)動(dòng)等影響，我國天然氣的采集限制性因素較多，難以提升采集的效率。從煤層氣資源分布方面來看，煤層氣與煤炭的分布位置相近，煤層氣主要存儲(chǔ)在靠近地表的區(qū)域，采集起來更加容易。

煤層氣開采可以充分利用其熱值高的特點(diǎn)，降低煤炭開采事故發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)煤層氣資源利用的最大化?？茖W(xué)合理的開發(fā)和利用煤層氣，有利于緩解資源供應(yīng)緊張的局面。

2 常用的煤層氣開采技術(shù)

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的煤層氣開采技術(shù)還存在不系統(tǒng)、不完整的問題，加強(qiáng)對(duì)煤層氣開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、開采現(xiàn)狀、改善現(xiàn)狀的技術(shù)創(chuàng)新研究，有利于提升煤層氣開采利用的效率。

2.1 降壓開采技術(shù)

煤層氣的降壓開采技術(shù)主要是通過降低壓力而引起煤層氣層穩(wěn)定狀態(tài)失衡，繼而從中抽取煤層氣。在進(jìn)行煤層氣開采時(shí)要先對(duì)下伏游離的煤層氣進(jìn)行開采，在游離氣體減少的環(huán)境下，煤層孔隙吸附的煤層氣與煤層之間的平衡會(huì)不斷喪失，繼而使煤層氣開始朝著游離煤層的方向轉(zhuǎn)移，有利于將煤層中的煤層氣釋放出來。降壓開采煤層氣的方法無法控制熱量的損耗量，因此可行性較高，利用起來簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，然而如果采用單一的降壓法來開采煤層氣，會(huì)花費(fèi)較長的時(shí)間。

2.2 水力壓裂技術(shù)

煤層氣存儲(chǔ)的孔隙度和滲透的效率相對(duì)較低，因此容易出現(xiàn)地層壓力不足的問題，如果單純地采用抽汲開采煤層氣的方法難以獲得最佳的效果，煤層氣的產(chǎn)量相對(duì)較低。為了降低水平井技術(shù)應(yīng)用的難度，可以采用壓裂技術(shù)來提升煤層氣的產(chǎn)量。水平井技術(shù)尤其是應(yīng)用在分段水平井上所消耗的經(jīng)濟(jì)成本巨大，不過壓裂技術(shù)可以克服這一問題，因而成為煤層氣開采的重要技術(shù)。

2.3 定向羽狀水平井技術(shù)

定向羽狀水平井技術(shù)指的是在水平井眼兩側(cè)鉆出多個(gè)分支井眼，將其作為重要的泄氣通道。羽狀分支水平井是在主水平井眼兩側(cè)再鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道，分支井可以穿越更多的煤層隔離裂縫系統(tǒng)，從而最大限度地溝通裂縫的通道，提高泄氣面積與氣流的滲透率，使煤層氣進(jìn)入到主流管道內(nèi)，從而增加單井煤層氣的產(chǎn)量。

2.4 多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)

多元?dú)怏w驅(qū)替代技術(shù)指的是以注氣的方式來提升煤層的地層能量，有效改變壓力傳導(dǎo)的特性并進(jìn)一步提升氣體的擴(kuò)散速率，從而實(shí)現(xiàn)增加單產(chǎn)量和采收率的煤氣采收目標(biāo)。

3 煤層氣開采技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及問題

煤層氣開采的作用在于可以提升煤層自身的穩(wěn)定性，避免開采過程中出現(xiàn)污染、強(qiáng)烈干擾等問題，還有利于改善煤儲(chǔ)層的滲透性，增加煤層氣的導(dǎo)流能力。煤層氣開采技術(shù)的應(yīng)用可以加大煤層氣解吸的效率，提升煤層氣的采收率。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的煤層氣開采技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，在開采過程中獲得了良好的采收成效。但是我國的煤層氣開采條件相對(duì)較差，現(xiàn)有的技術(shù)難以有效滿足煤層氣開采的需求，為了提升煤層氣開采的效率，未來還要進(jìn)一步開發(fā)能夠降低煤層氣成本，增加煤層氣開采的新技術(shù)。下面對(duì)當(dāng)前煤層氣開采過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析和闡述。

3.1 鉆井成本偏高

煤層氣開采的成本構(gòu)成中，鉆井所消耗的費(fèi)用幾乎占用了煤層氣開采成本的1/2。雖然欠平衡鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)諸多，但是選擇怎樣的鉆井液還需要進(jìn)一步的研究和分析。通?？諝?、泡沫等鉆井液適合應(yīng)用在淺部的煤層。深部煤層在開采時(shí)適合應(yīng)用泥漿鉆井技術(shù)。然而如果鉆井技術(shù)操控不當(dāng)容易對(duì)煤層構(gòu)成不必要的污染，繼而對(duì)煤層的滲透性構(gòu)成不利的影響。為了有效降低鉆井消耗的成本，要保證鉆井的效果，提升鉆井的質(zhì)量[1]。

3.2 垂直井技術(shù)的局限性

我國的自然地理?xiàng)l件復(fù)雜，在進(jìn)行煤層氣的開采時(shí)也面臨著垂直鉆井技術(shù)不滿足實(shí)際需求的狀況采用裸眼洞穴完井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用效果好、成本低，但是該技術(shù)更適合西方國家，與我國的煤層氣分布與開采現(xiàn)狀不適應(yīng)。裸眼洞穴完井技術(shù)適合應(yīng)用在煤層滲透率高、地應(yīng)力小、煤層頂?shù)装宸€(wěn)定、煤儲(chǔ)層強(qiáng)度大等區(qū)域，否則容易導(dǎo)致洞穴出現(xiàn)塌陷，導(dǎo)致煤層氣的運(yùn)移通道受到堵塞，繼而導(dǎo)致煤層氣運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)加大，不利于對(duì)煤層氣后期的運(yùn)營進(jìn)行管理和維護(hù)[2]。

3.3 水力壓裂技術(shù)存在一定的局限性

在煤層氣開采的過程中，水力壓裂技術(shù)增產(chǎn)是常見的技術(shù)，因?yàn)槊鹤陨淼馁|(zhì)感偏軟，因此將支撐劑嵌入到煤中，可以減少孔隙閉合的概率。但是如果是遇水膨脹的煤層，則容易使煤層在水力壓裂以后出現(xiàn)滲透率下降等問題。選擇其他的壓裂液也面臨著性能高、污染低、成本低等問題。在我國的多數(shù)地區(qū)，煤層的特性是含水量比較少，壓裂液的排放率較低，則容易污染煤層。在排采過程中，如果無法對(duì)煤層排采過程進(jìn)行控制，則會(huì)造成煤層存儲(chǔ)的壓力增大，不利于提升產(chǎn)氣的速度。在煤層開采過程中，還容易產(chǎn)生大量的污水，如果污水處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境構(gòu)成影響。目前應(yīng)用水力壓裂技術(shù)的機(jī)械設(shè)備大多需要從國外進(jìn)口，因此成本較為高昂。

3.4 缺乏合理的煤層氣開采方案

煤層氣的成藏原理比較復(fù)雜，在不同開采區(qū)域，煤層氣的存儲(chǔ)狀態(tài)是不同的。通常采用固定的煤層氣開采方案，選擇同等的布井方式，無法對(duì)不同地質(zhì)條件的煤層進(jìn)行煤層氣的開采。通過定性和定量分析煤儲(chǔ)層的氣體分布、含水狀態(tài)、壓力狀態(tài)等，可以制定出與煤層氣布井匹配度更高的開發(fā)方案。

4 煤層氣開采技術(shù)改進(jìn)的方法分析

4.1 強(qiáng)化煤層氣勘探開采理論研究

煤層氣與常規(guī)的油氣、固體煤等不同，煤層氣是以氣源和儲(chǔ)層同層的煤層吸附氣體為主。煤礦勘探的重點(diǎn)在于尋找盆地邊緣淺煤層、低瓦斯突出區(qū)和無水區(qū)，開采的深度超過600 m。這種方法找到的煤層氣含量較低，主要以游離氣為主，瞬時(shí)的產(chǎn)量比較高。常規(guī)的油氣勘探重點(diǎn)是找到構(gòu)造比較高的點(diǎn)以及無水區(qū)域，該種方法找到的煤氣層存在含水量低的問題，煤氣層開采效率較低。從我國煤層氣井的現(xiàn)狀來看，超過一半的煤層氣井屬于亂打井占地盤，因此勘探開采的效果不理想。為增強(qiáng)煤層氣勘探和開采的效率，要選準(zhǔn)煤層氣勘探與開采的目標(biāo)。

4.2 深化煤層選區(qū)的評(píng)價(jià)研究

在進(jìn)行煤層氣的勘探時(shí)要確定好勘探的思路與方案，國外煤層氣勘探在大區(qū)評(píng)價(jià)上主要是對(duì)勘探區(qū)域的地形、地質(zhì)條件以及資源量等因素進(jìn)行調(diào)查。在目標(biāo)評(píng)價(jià)方面，主要是對(duì)煤層埋探、滲透率、構(gòu)造條件等進(jìn)行分析。結(jié)合我國煤層氣分布的特點(diǎn)可知，在對(duì)全國進(jìn)行大區(qū)的評(píng)價(jià)以后發(fā)現(xiàn)，我國煤層氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域位于華南、華北等區(qū)域，且華北地區(qū)的煤層氣勘探面積較大。為提高煤層氣的開采效果，要深化煤層選區(qū)的評(píng)價(jià)機(jī)制，重點(diǎn)勘探開采有利的區(qū)域。

4.3 創(chuàng)新升級(jí)已有技術(shù)或者開發(fā)全新技術(shù)

我國的煤層氣開采技術(shù)水平還需要進(jìn)一步提升，通過對(duì)當(dāng)前已有開采技術(shù)進(jìn)行改良，可以獲取適合我國煤層氣開采的有效技術(shù)。為此我國要加強(qiáng)煤層氣開采技術(shù)的創(chuàng)新，結(jié)合我國煤層氣分布與開采的現(xiàn)狀，探究提升煤層氣開采效率的有效方法。在新技術(shù)的引進(jìn)上要結(jié)合煤層氣開采的特點(diǎn)與實(shí)際情況，同時(shí)國內(nèi)還應(yīng)加強(qiáng)新技術(shù)的研發(fā)力度，結(jié)合地理情況來開采煤層氣，繼而提升煤層氣的開采成本和開采效率。

4.4 積極探索增產(chǎn)的新技術(shù)

在開采煤層氣時(shí)還可以引進(jìn)固氮酶增產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)主要是結(jié)合生物科學(xué)的方法來制備固氮酶，酶可以被送到地下天然或者人工產(chǎn)出的裂縫中，固氮酶的轉(zhuǎn)化率高、存活時(shí)間長，對(duì)煤層的污染較小，可以提升煤層氣的開采量。多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓力技術(shù)是開采石油和天然氣時(shí)常用的壓裂技術(shù)和方法。多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)的工作原理是在預(yù)先射孔的技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用燃燒釋放的高壓脈沖波，使其沿著射孔實(shí)現(xiàn)煤層氣的有序傳遞，并由此而產(chǎn)生良好的壓裂效果，在煤層內(nèi)形成多條裂縫，從而形成裂縫體系，增加煤儲(chǔ)層的滲透率。與水壓裂技術(shù)相比，多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)的可靠、成本消耗低、操作簡(jiǎn)單、適用性更強(qiáng)。煤本身的質(zhì)地較弱，在缺乏支撐劑的環(huán)境下會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生一定的壓裂，容易導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)重新閉合的現(xiàn)象。另外，“虛擬產(chǎn)層”技術(shù)指的是將煤層的頂板或者底板當(dāng)作虛擬的產(chǎn)層，通過同時(shí)壓裂煤層與圍欄，繼而獲得良好的煤層氣開采量。煤層圍巖與煤氣本身存在較強(qiáng)的可壓裂性，增加壓裂效果。圍巖在壓力以后所產(chǎn)生的縫隙會(huì)延伸到煤層中，降低圍巖壓裂以后產(chǎn)生縫隙的概率，從而提升煤層裂縫的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

我國的煤儲(chǔ)層的低滲透率、低儲(chǔ)層壓力等導(dǎo)致煤層氣開采的效率較低，傳統(tǒng)的開采技術(shù)存在煤儲(chǔ)層滲透性低的問題，難以提升滲透率，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層的煤氣開采成本高、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，因此需要開采部門嚴(yán)格控制煤層氣的開采過程。在我國當(dāng)前的地質(zhì)狀況下，采用新型的煤層氣開采技術(shù)克服煤層氣開采中存在的困難，有利于提升煤層氣開采的效率。