一种煤层气开采的新方法

一种煤层气开采的新方法

摘要：煤层气开采的过程开始于排水，排水导致储层压力减小，激活气体从微孔隙向大孔隙扩散，排水降压为气体的扩散提供了必要的动力。本次介绍煤炭地下燃烧气化作为一种提高煤层气回收率的方法。煤层甲烷从煤基质中解吸出来是一个吸热过程，加热会扰乱煤层热平衡，使得较高温度下甲烷的解吸量增加。地下煤炭气化是一个已知的技术，建议在煤层气开采过程中作为热源，并以井为中心布置一系列热源。结果表明，这种热处理会带来更高的解吸率和采收率。

关键词：煤层气温度解吸采收率煤炭气化

初期煤层气主要开采方法是通过排水降压和压裂扩大孔隙，这种方式的煤层气采收率在50%左右。

传统的煤层气排水降压技术是煤层吸附气解吸的过程，当油藏的压力达到临界解吸压力、气体分子从煤层的微孔隙中解吸出来，通过狭窄孔隙运移到井筒。前人研究发现，在高挥发分烟煤中超过60%的煤孔隙直径小于12埃（1埃= 10-10米）（Bird Stewart and Lightfoot，1960）。甲烷有效的分子直径为4.1埃（Rightmire，1984）。因此煤层微孔径只是比甲烷分子大一点，导致气体在微孔内流动极其缓慢。

一、温度对煤层气解吸的影响

1.高温加速煤层气扩散

目前国内外出现了一种较复杂的非平衡吸附方法，这种方法运用了一套耦合偏微分方程来定义气体在煤层中的运动方式。该方法更加真实，结合运用了不同学者的研究成果。Gilman和Beckie（2000）运用双重孔隙度概念模拟气体在微孔隙通道内的流动。2010年魏晋三重孔隙系统，开发了二氧化碳封存在模拟煤矿床中的运用。在这些模型系统中，都是默认在等温的地层条件下完成的[1]。

然而煤层气从煤介质中解吸过程以及在孔隙中流动，温度却扮演着重要的角色。Bae和Bhatia（2009）研究表明，那些导致煤层气在煤层孔隙中流动困难的阻碍因素，都可以通过热处来理解决掉。因为这些阻碍因素在较高的温度时易挥发（Bae和Bhatia，2009）。而且热处理同时可以促进气体从煤基质中解吸并扩散出来，因为气体从煤层表面解吸是一个吸热过程，在高温条件下从煤基质中解吸出来的甲烷气体，会形成一个新的平衡[2]。这一属性是一种新的提高煤层气采收率的方法，同时可以作为一种开采煤层气新方法的基本思想。

2.温度与解吸量的关系

根据同一样品分别在15、20、25、30、35、40℃温度吸附试验获得的Langmuir 常数和Langmuir公式获得等压条件下解吸量与温度的线性关系。图1可见：温

度相同时，随着压力的增加，含气量逐渐增大，增加的速率却从大到小，最后趋于平衡。相应的，当相同温度线，压力逐渐变小，解吸的气量的速率也随之增大。当压力相同时，煤层含气量随温度的降低而增加。如：在3Mpa压力条件下，随着温度的升高，煤层的相应解吸的气量会越来越大，从15度到20度解吸的速率最快，其次就是30度到35度之间的解吸速率。因此，煤层温度若到达20度左右，煤层气解吸速率会达到一个高峰值，解吸气量也会迅速增加。

二、煤炭地下气化技术

1. 煤炭气化技术发展

煤炭气化是指在一定温度、压力条件下，用气化剂将煤中的有机物转变为煤气的过程。地下煤炭气化的设想，最早由俄国著名化学家门捷列夫于1888年提出[5]。他认为，“采煤的目的应当是提取煤中含能成分，而不是采煤本身”，并指出了实现煤炭气化工业化的基本途径。自上世纪30年代以来，美国、德国、原苏联等主要产煤国均大力投入这一领域的技术研究，取得了大量的科研成果，储备了煤炭地下气化的一些关键性技术。我国自1958年以来开始进行自然条件下煤炭地下气化试验，1980年以后，先后在徐州、唐山、山东新汶等十余个矿区进行了试验，初步实现了地下气化从试验到应用的突破。

2. 煤炭地下气化技术方法和劣势

煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程，集建井、采煤、气化工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术，其实质是只提取煤中含能组分，变物理采煤为化学采煤，因而具有安全性好、投资少、效率高、污染少等优点，被誉为第二代采煤方法[6]。

煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且还可以用于开采井难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、高压煤和高硫、高灰以及高瓦斯煤层。地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电，还可以用于提取纯氢或作为合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料气。因此，煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益，大大提高了煤炭资源的利用率和利用水平，是我国洁净煤技术的重要研究和发展方向。

目前该技术存在的劣势：①很难控制气化过程中在地下产生的种种反应，合成气成分波动过大；②受煤层和地质影响大，容易造成井井之间相互漏水、通气等情况。③气化后出来的气体成分不稳定，有待改善气化剂种类与含量。④地下燃烧、气化情况不好控制，应加大地下气化过程的监控力度。⑤在该技术方面，大部分研究只注重化学工艺，很少关注行业发展动态[7]。

三、利用地下煤炭气化方法开采煤层气

1.主要原理

煤炭地下气化是一种煤层中生产合成气技术，难以像传统的采矿技术那样使用。原地燃烧的煤产生（CO、H2、CH4）可以作为地面电力能源或转化为液体燃料。一般情况下，有一个注入井和生产井钻于煤层中，组合生产。两者一般通过水力压裂沟通或定向钻井来联通。通过注入井控制流向煤层气化室内的供燃气体量（空气或者氧气），就能控制燃烧的程度，从而得到理想的气体成分，再通过生产井提取出来。图2为该技术的一个基本简化流程图。地下煤炭燃烧产生大量的热，更有利于煤层气从煤基质中解吸出来，迅速通过孔隙等通道流向生产井。

2. 多点热源

提出的这种新的方法，煤层甲烷回收率是通过煤矿井下煤炭气化温度增加而增加。并不是一个全面的煤炭气化过程，而是在煤层中只会使用多点热源的方法，产生热量后通过传导和对流，将热供应到煤层的每个部位。由图3可见热源的分布方法，以及它们如何能提高煤层局部温度，促进煤层气的解吸。

多热源的有利因素主要有两个：第一，增加温度降低了煤储层的吸附能力，使得煤基质中以及煤表面的甲烷气体解吸率增大；其次，热处理加速煤层气从煤基质中扩散出来并加速气体在孔隙中的运动速度。

该技术也应用了传统的煤层气开采方法（压力损耗），来提高最终煤层气的采收率。使得煤层达到废弃压力后的无法开采的剩于气体可以通过热处理提取出来。温度因素成为了煤层气解吸的驱动力之一，从而对煤层气生产需要的压力要求就变小了，因此更多的甲烷气体可以从煤层中解吸出来。温度提高也增加了气体饱和度，尤其在生产周期中由于过快排水产气导致的低产水期。

3.综合开发的展望

这种方法更可以解决目前煤矿开采和煤层气开采的矛盾问题，我国的煤矿开采要形成规模化，安全问题是至关重要的，煤层气提前开采某种程度上也是为了提高煤矿开采的安全系数。而这个方法恰恰解决了这两个问题，可以综合两种开采为一体，将地下煤矿和煤层气资源都以气体形式开发出来。虽然煤炭有条件燃烧会有一部分能量的散失，但是这部分热能也会被综合利用，用于促进煤层气开采的。

如果可以解决煤炭地下气化技术的技术上的难题，如：很难控制气化过程中在地下气体产生的种类；气化后气体成分不稳定；有待改善气化剂种类与含量等等技术上的难题。只要技术难题可以攻克，笔者认为这种综合开发煤炭资源的方式具有较大的发展空间。

四、结论

1.随着温度的升高，煤层相应解吸的气量会越来越大。煤层温度若到达20度左右，煤层气解吸速率会达到一个高峰值，解吸气量也会迅速增加。