煤层气开发与利用
薛学良1
（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）
摘要：对煤层气性质、开发与利用的意义、煤层气重特大事故统计、资源分布情况、煤层气利用技术及可行性、利用应用点等进行分析和阐述。
关键词：煤层气；开发与利用
引言
煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产的最大威胁之一。我国国有煤矿高瓦斯和瓦斯突出矿井占总矿井数的46%，瓦斯事故频繁，每年因瓦斯灾害造成的死亡人数达2000人以上。仅根据最近15年的统计，因瓦斯事故而死亡的人数约占煤炭行业工伤事故死亡人数的30-40%，占重大事故的70-80%，直接经济损失超过500亿元。瓦斯事故造成的人员伤亡和巨大经济损失，在社会上形成很大负面影响。
另在市场热点显得难以为继的背景下，七大战略产业（节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车）无疑将成为新兴奋点。窥全豹之一斑，有效的开发利用煤层气尤显意义非凡。
1）可从根本上防止煤矿瓦斯事故的发生、改善煤矿安全生产，提高经济效益。
2）可变害为宝，把煤炭开采过程中产生的煤层气有效利用，在一定程度上改善我国的能源结构，增加洁净的气体能源，弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足。21世纪是煤层气大发展的时代，煤层气是我国常规天然气最现实、可靠的替代能源。具有重大战略意义。
3）可避免因采煤造成煤层气这种不可再生资源的浪费，还在减少温室气体排放、改善大气环境方面具有非常重要意义。
4）可带动运输、钢铁、水泥、化工、电力、生活服务等相关产业的发展，增加就业机会，促进当地经济的发展。
煤层气是一种新兴能源，在现如今低碳减排、节能减排的大潮中，煤层气必将成为一个新的热门研究方向，相对而言，煤层气这一新兴词汇还不被大众了解，我们的基本思路是：希望通过我们所了解的知识和资料，结合专业学科特色及教师项目选题写一篇关于煤层气的科技论文，让大众了解这一新兴产业。
弱水三千，我只取一瓢饮。专注，专一，只为更专业! 作为准化工人，我们愿竭尽全力参与致力于推广煤炭综合利用、高效转化与洁净生产等方面技术的研发与应用中，使煤炭工业走高效、安全、环保、现代化的新型发展道路。
1煤层气相关背景简介
1.1性质
煤层气：俗称“瓦斯”，赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。
煤层气或瓦斯的热值跟甲烷(CH4)含量有关，地面抽采的煤层气甲烷(CH4)含量一般大于96.5%，当甲烷含量97.8%时，在0℃, 101.325kPa下，
高热值：QH=38.9311MJ/Nm3(约9299 kcal/ Nm3)
低热值：QL=34.5964MJ/Nm3(约8263 kcal/ Nm3)
井下抽采的煤层气（瓦斯）目前一般将甲烷(CH4)含量调整到40.8%后利用，此时瓦斯的热值为：（在0℃, 101.325kPa下）
低热值：14.63MJ/m3(约3494 kcal/ Nm3)
高热值：16.24 MJ/m3(约3878 kcal/ Nm3)
1.2煤层气重特大事故统计
表-1 煤层气重特大事故统计
年份煤矿百万吨死亡率（人
/Mt）年份
煤矿百万吨死亡率（人
/Mt）
2001 5.07 2005 2.811
2002 4.942 2006 2.041
2003 3.711 2007 1.501
2004 3.081 2008 1.182
表-2 2001年以来煤矿百万吨死亡率
1.3资源分布情况
我国42个主要含气盆地埋深2000m以内浅煤层气地质资源量36.81万亿m3，埋深1500米以内潜煤层气可采资源量10.90万亿m3。煤层气资源主要分布在东部、中部、西部及南方四个大区，地质资源量分别占全国的31%、28%和13%；可采资源量分别占全国的40%、18%、26%、16%。在三江－穆棱河、淮南、淮北、沁水盆地、萍乐、鄂尔多斯盆地、川南－黔北、六盘水、准噶尔、吐哈和伊宁等1 1 个含煤盆地（地区）的2 0 0 0 m 内的煤层气资源量共计为20.56 万亿立方米，占全国资源总量的9 0 %。其中又以沁水盆地、鄂尔多斯盆地为全国煤层气资源量最大的地区，资源量分别为3.9 万亿立方米和9.8 万亿立方米，占全国资源总量的40 %，且均位于我国中东地区，这里人口密集，经济发达，能源供需矛盾突出，因而具有优越的下游市场条件。
1.4中国煤层气排放
在井下煤矿中，为了确保采矿安全，随矿井通风排出的煤层气浓度极低，受目前技术的限制尚不能利用，只能排放到大气中，在污染环境的同时也浪费了煤层气资源，煤层气抽采分为井下抽采和地面抽采，抽采的煤层气浓度较高，可用于民用燃气和发电。但目前利用率较低，大多直接排放，从下图中可以看出，排放量从2000年的88亿m3到2007年的180m3，中国煤层气的排放量平均以每年13亿m3的速度增加，造成资源的巨大浪费。
1.5中国煤层气抽采
抽采煤层气为煤矿瓦斯治理的重要措施。即通过钻孔方式，利用负压抽取煤层中的瓦斯，通过管道输送到地面并集中储存、利用。
从下图中可以看出，2000年抽采煤层气量为8.67亿m3，2007年抽采量达到47亿m3,接近2000年的6倍。之所以取得这样的发展，主要是政府重视煤矿安全工作，政府和煤炭企业投入大量资金用于煤层气抽采系统、煤矿通风系统等安全改造项目，极大促进了煤层气抽采量的增加。目前中国的煤层气采量仅次于美国，居世界第2位。
2煤层气利用技术及可行性
两种煤层气开采方法的比较
我国煤层气地质研究始于20世纪80年代，经过近20年的地质研究和勘探实践，在煤层气成因、储
层特性、成藏、区域展布规律、控气地质因素等方面均取得显著进展，初步形成了一套煤层气富集地质理论和选区评价技术，90年代初开始研究煤层气地面勘探开发技术，经历了十几年来对国外技术设备的引进、消化、吸收和发展，也取得了实质性的进展。
2.1煤储层评价技术
应用以乘积原则、加权平均原则、“木桶效应”原则、类比原则和综合评价原则为基本原则的煤储层评价技术，分析煤体几何特征、煤岩组成和煤质特征、煤层气解吸特征等。
煤层气储层几何模型
2.2储层模拟技术
引进国外先进的煤层气储层模拟技术，对完井方法和开采方式进行生产拟合和储层参数敏感性分析，预测各项开采指标；引进国外COALGAS储层产量历史模拟软件，对开采中气、水产量进行预测，确定合理井距、井网几何形态和最佳开采方案。
2.3钻井技术
引进煤层气空气（泡沫）钻井和定向羽状水平井技术，并进行了试验测试。
羽状分支水平井是指在一个主水平井眼两侧钻出多个分支井眼作为泄气通道，分支井筒能够穿越更多的煤层割理裂缝系统，最大限度地沟通裂缝通道，增加泄气面积和气流的渗透率，使更多的甲烷气进入主流道，提高单井产气量。
1煤层气羽状水平井完井方法
对于煤层气定向羽状分支水平井的完井方式，工艺较简单，主要采用裸眼完成，直接投产。
2井身结构
煤层气需要通过排水降压解吸附才能产出，因此，定向羽状水平井井身结构必须考虑排水采气。参考美国已成功完成的定向羽状水平井钻井方案，结合我国煤层特点提出如下两井身结构方案。
方案一，需要另钻直井抽排水。Φ215.9mm井眼在目的煤层顶部下入Φ177.8mm技术套管并注水泥固井；用Φ152.4mm钻头小曲率半径造斜进入煤层，并在煤层中钻500～1000m长的主水平井眼两侧不同位置交替侧钻出4～6个水平分支井眼。单个水平分支井眼长300～600m，与主水平井眼成45°夹角，全部采用裸眼完井。最后，在距水平井井口约100m且与主水平井眼在一剖面上设计1口垂直井，并与主水平井眼在煤层内贯通（可采用造洞穴或压裂沟通），下人筛管，保持井眼打开，用于排水降压采气（见图1）。方案二，主水平井内下人电潜泵直接抽排水采气。为保证电潜泵的顺利下人，Φ215.9mm井眼采用中曲率半径进入煤层，Φ177.8mm技术套管下到煤层部位，分支井眼同方案一。
3水平分支井眼剖面设计
井眼轨迹设计坚持以最光滑、最短为原则。首先考虑分支井筒所处的煤层特性，根据煤层性质、地应力分布状态和最大主应力方向、煤藏单元的几何形状和甲烷的流动控制要求等因素来确定井眼轨迹的设计，使主水平井眼沿最小应力方向钻进，钻井复杂情况最少并且钻进速度快，可获得较大的水平位移。
主水平井眼采用中、小曲率半径和“直—增—增—稳（水平段）”的连增复合型剖面，井眼轨迹圆滑、摩阻和扭矩小，造斜点选在煤层顶部砂岩上。分支井眼采用中曲率半径和“增—稳”剖面，与主水平井眼呈45°夹角。
煤层气定向羽状水平井示意图
2.4完井技术
引进了裸眼洞穴完井技术，以提高煤层气产量，减小风险，但有待进一步深入研究。
2.4.1 储层选择
该技术使用的前提条件煤级在高挥发分烟煤A以上，埋深为600-1000米，储层压力较高，煤储层本身具备发育完好的自然裂隙系统，渗透性好等。
2.4.2 钻孔结构
裸眼洞穴完井常用的钻井结构有以下4种，见下图
①造穴后不下套管，适用于稳定性好的煤储层；
②造穴后下入套管，适用于稳定性较差的煤储层；
③侧孔造穴，在已有的钻孔中造斜，形成一个侧孔，在钻孔中完井，这不仅可以降低成本，
还可以减少办理各种证件的手续和税收；
④造穴失败，改用水力压裂强化工艺。
2.4.3完井程序
目前常用的裸眼洞穴完井程序有三种：①注入空气或空气与水的混合物-卸压-循环排出破碎的颗粒；②欠平衡循环-自然塌落；③自然升压-降压。以上三种操作均可使煤储层得到强化。
裸眼洞穴完井钻孔结构
2.5钻井取心技术
研制出煤层半合式取心和大通径绳索式全封闭快速取心技术，准确求取煤层含气量、提高煤层取心收获率。
2.6试井技术
引进国外先进的注入/压降试井技术（高压低排量注入泵），建立了适用于不同试验区的测试工艺技术，已形成较为成熟的试井技术规范。
2.7压裂技术
主要采用清水加砂压裂和瓜胶压裂。
水力压裂改造技术通过水力压裂使煤层内部出现众多且延伸很远的裂隙，在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放。
2.8评价技术
研制出煤层气测井评价技术，对含气量、封盖层、工业分析、岩石力学等参数进行定量解释。
2.9监测技术
2.9.1大地电位法煤层压裂裂缝监测技术，对煤层压裂裂缝延伸方位和长度进行现场直接动态监测和定量解释；其基本原理是通过导线向被测试的层位供以高压电流，这样就在储层中形成了一个人工电场，在供电极以外的任一点观测电场的电位，由于场源的几何形态不同，所产生的电位也不同，地质介质的电阻率远远高于压裂液，因此可将压裂液视为良好导体。向储层供电时可将压裂液视为一个场源。在地面煤层气井周围环形布置一系列测量电极，记录压裂施工前后电位的变化，获得压裂前后电位梯度差值，通过一定数据处理可达到确定裂缝方向和长度的目的。
2.9.2采用井间地震声波层析成像技术，描述声波穿过剖面内煤层物性的变化特点，检测和评价压裂后的井间连通情况。
2.10增产技术
通常采用射孔压裂增产技术，又引进了注气增产法，提高煤层气产量，目前正在试验阶段。
2.11储运与集输技术
“西气东输”工程的实施，解决了煤层气的集气与储气的管网建设问题。
2.12煤层气净化技术
井下抽采的煤层气，甲烷含量通常被稀释到10%-40%,这种低含量煤层气一般不能用于民用或工业原料，只有通过分离提纯才能实现安全、经济、方便的远距离运输。目前，有几种商业上可获得的用来除去煤层气主要污染物（N2、O2、CO2和水蒸气）的技术，一些技术还处于试验阶段。煤层气精华技术主要有脱氮技术及氧、二氧化碳和水蒸气脱除技术。氮是技术上最困难且费用最高的污染物，目前脱氮装置技术主要有深冷技术、变压吸附技术、溶剂吸收技术、分子门技术、膜分离技术
和变温吸附技术六种；脱氧是脱氮之外最有挑战性和费用最大的过程，主要的脱氧技术有催化法和非催化法（焦炭燃烧法）等；脱二氧化碳技术包括胺装置、膜技术和选择性吸附等几种可获得的工业化技术，其中胺装置仅能承受原料气中少量的氧，因此胺装置必须位于脱氧装置的下游，脱水是整个煤层气浓缩系统设计中最简单的部分，分子刷脱水时一种高效可靠且操作费用低的技术。
3煤层气利用应用点
3.1民用
由于瓦斯的燃烧热值高，而且瓦斯不含煤炭干馏物质，不需净化装置进行处理，不腐蚀、不堵塞输气设备和管道，因此是极好的民用燃气。
可供井筒采暖、供楼房采暖制冷、供职工洗澡水、向大棚供热与碳源、经压缩后可由天然气管道系统输送，用于居民日常生活。
3.2发电及热电联产
建设使用煤层气为原料的燃气轮机电厂，燃气轮机维护更经济，而且有更多的废热供热电联产。热电联产装置可以利用来自内燃机发电机或燃气轮机发电机的废热产生热空气供热，亦可生产蒸汽或热水供加热或者工业使用，或者去驱动吸收式制冷机。
3.3工业燃料
3.3.1 利用高浓度瓦斯气代替汽油作为汽车燃料，储气量较大，100km消耗量约30.82m3,其费用
大大低于汽油费用。
3.3.2 一般锅炉消耗纯甲醇量为35～250L/s。锅炉的热水和蒸汽可供建筑物取暖、冬季加热井口风流、浴室及生活用。用矿井瓦斯作为燃料的锅炉，便于管理，易于自动化，降低劳动强度，减少空气污染，对城区环境的改善最为明显。
3.3.3 煤层气合成油(GTL)由合成气、费—托合成合产品精制三部分。通过费—托法工艺将煤层气合成转化成含硫量小于、芳香烃小于1%（体积分数）、十六烷值大于70的柴油燃料。
3.4化工原料
煤层气中的甲烷浓度很高，可与天然气混输，用于制造化工产品，如生产合成氨、甲醛、甲胺、尿素和碳黑、甲醇、甲基叔丁醚DME等。
3.4.1甲烷在高温下燃烧分解后可生产粉状碳颗粒，这就是炭黑。它是橡胶、涂料等工业不可缺少的填加剂。甲烷浓度在40%～90%时均可烧制炭黑。一般每立方米纯甲醇可生产炭黑120～150g。
3.4.2甲烷经过氧化后，可制取甲醛，其反应式如下：
CH4+O2→CH2O+H2O+282.6KJ
甲醛是甲烷氧化过程的中间产物，极不稳定，生产甲醛所需要的甲烷浓度不高，一般约28%～35%的瓦斯4800 m3即可生产甲醛1t。甲醛是有机合成制品的基本原料，广泛应用于树脂、纤维、医药等工业。
甲醇用途广泛，不仅是重要的化工原料，又是廉价的汽车燃料，“中国一号”甲醇汽车被誉为“绿色汽车工程”，是我国汽车工业的一次革命。另外，甲醇可制成甲醇电池，应用于其他基础行业。3.4.3 DME是一种用途广泛的合成燃料，比如作为抗爆剂，气雾剂等。
3.5驱动燃料电池
类似普通电池但又有区别不会失效或需要重新充电。只要有燃料它即可产生电力。由于燃料在燃料电池中并不燃烧，所以不产生像化石燃料燃烧通常排放的污染物。燃料电池安静，高效而且没有污染。此外，用煤层气燃料电池驱动的电力装置可避免使用氢气所需要的额外的设施。
3.6 煤层气液化
煤层气液化是指将其中的甲烷等可燃性气体从瓦斯中分离出来，并生产出液化煤层气。提纯的煤层气液化后，体积将缩小600倍，甲烷浓度将从35%-50%提高到99.8%。体积的减小大大降低了运输成本，使用LNG（液化天然气）运输车运送，可以随气源和用户的改变而改变运输路线，甚至可以作为现有天然气管道调峰资源来使用。经初步经济估算，年产量为2万t液化煤层气时，年消耗约2650万m3纯瓦斯，投资为9000万元。按专家推算，实现产业化后，液化天然气产品的出厂成本为1.5元/m3，而目前中国各大城市民用天然气价格大多在2元/ m3以上，效益比较客观。
3.7煤层气氧化技术
装置从原理上分为2种；逆流式煤层气热氧化装置和逆流式煤层气催化氧化装置。
3.7.1热氧化装置以麦克泰克(MEGTEC)公司的VOCSIDIZER技术最为典型，属于比较成熟的技术，在矿井通风煤层气中已经有过几个应用的先例，其工作原理为：先用点将陶瓷床中心部分加热到1000℃，然后通风通过陶瓷床。当矿井通风煤层气通过陶瓷床中部的高温区时候煤层气迅速氧化，通过热交换，氧化能量被传递到陶瓷床材料的周围。热交换的笑容很高，在一个平衡系统中，入口处和出口处气体的温差只有40℃,。为了维持床中央的高温区域，气流的方向必须在自上而下和自下而上之间来回调换。
VOCSIDIZER构成与工作原理
1-蒸汽筒；2-去气机；3-汽轮机；4-发电机；5-气冷；
6-VOCSIDIZER TM；7-FW罐；8-冷凝器
9-FW处理装置；10-工厂FW处理装置
1- 3.7.2催化氧化装置中，加拿大矿物与能源技术中心在1995年开发出专门处理VAM的催化逆流反应器（CH4MIN）技术。催化逆流的基本原理是在催化剂的作用下，将甲烷的自燃温度降低到几百摄氏度以下（低于350℃）。在这种过程中放热化学反应产生的热量将被反应器中间部分的吸热系统吸收。
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