煤层气变压吸附技术的应用及研究

煤层气变压吸附技术

变压吸附技术在煤层气开发中的应用探讨

唐晓东〔1〕孟英峰

摘要本文简单介绍了变压吸附(PSA)技术的原理、特点、用途和国内外开发现状。针

对我国煤层气开发的特殊性，提出了将PSA技术用于煤层气水平钻井，提高压力封闭低渗透煤层中煤层气采收率，以及煤层气净化、轻烃回收和贮运的技术思路。进一步分析表明，在煤层气开发中应用PSA技术具有技术先进和经济优势。最后得出了PSA技术在我国煤层气开发中推广应用的几点建议

〔1〕西南石油学院化工系，讲师，637001四川省南充市1 引言我国有着极为丰富的煤层气资源，据估算，埋深2000m以浅的煤层气资源量达30～35万亿m3，以可采系数50%折算，其可采资源量为15～175万亿m3，

相当于1319～1539亿t原油，按现有原油开采速度，可供我国开采100年以上

。因此，我国煤层气开发前景巨大。目前，制约我国煤层气开发的主要问题是技术问题，例如煤层渗透率低、单井产量低和不能形成工业生产规模等，这使得我国不能照搬美国开发煤层气的成功经验，必须研究适合我国煤层气工业发展的技术。本文正是针对我国煤层气开发的特殊性，提出将PSA技术用于煤层气水平钻井，提高煤层气采收率，煤层气净化、轻烃回收和贮运，以促进我国煤层气工业的技术进步。

2 PSA技术简介

PSA技术是60年代发展起来的一种气体分离技术，它是以固定床吸附，在连

续改变体系平衡的热力学参数(压力)下，使吸附和解吸再生循环进行，既具有固定床吸附的优点，又是一种循环过程。它广泛用于石油、天然气、化工的气体分离工业，例如H2、O2、N2、H e和A r等气体，以及CH4、C 2H4、C

2H2、nC nH2n+2、H2O、CO2和CO等组分的分离、回收和精制。

到1986年国内外已有500余套大型PSA装置在运转，最大处理能力已达到10

万m 3

/h。PSA分离过程的优点为：

(1)产品纯度高，例如可获得纯度为99999%的纯氢；

(2)在室温和低压(005～300MPa)下操作，不需外加热源，设备简单；

(3)可单级操作，原料气中的几种组分可在单组中脱除，原料气中的水分和C

O2等不需要预处理；

(4)吸附剂寿命长，对原料气质量要求不高，装置操作容易，操作弹性大；

(5)自动化程度高，操作费用低，节能降耗显著。

我国PSA技术的研究始于70年代初，由西南化工研究院率先开发PSA技术，至

今已在内外开发350余套PSA装置，涉及九个方面的应用。表1列出了该院开发的

可用于煤层气开发的部分PSA技术。

3 PSA技术在煤层气开发中的应用

3 1 PSA技术在煤层气钻井中的应用

针对我国煤层气储层属于低渗透、压力封闭型。亦有人提出在大规模开发煤层气时采用水平井技术。水平井的主要优点是垂直于煤体的最大渗透方向，可增加煤层气的产量。但是，在钻水平井时必须考虑钻井液对煤层的污染问题，否则将得不偿失，在油气行业已经出现过钻井液严重污染油气层而导

表1 可用于煤层气开发的PSA技术

装置 PSA-N 2 PSA-CO2/R PSA-C+2/R PSA-CH 4

原料气空气各种含CO2混合气天然气煤矿瓦斯

处理量(m3/h) 30～6000 1500～50000 200～10000 500～20000

净化气纯度(%V) N2≥99 CO2＜0 2 C+2＜100ppm C1：50～95 操作温度常温常温常温常温

操作压力(MPa) 0 3 07~20 03~08 04~08

在煤层气开发中的应用煤层气钻井，提高煤层气采收率提高煤层气采收率，煤层气净化煤层气净化，轻烃回收煤层气净化

致油气井报废的教训。因此，为防止煤层污染，可采用空气钻井技术。

空气钻井是用空气作循环介质的一种低压钻井技术，与钻井液钻井比较，它具有成本低，机械钻速提高3～4倍，钻头寿命长，能有效开发低压低渗透储集层

和很好地保护储层等优点。但空气钻井存在着难以克服的危险性，钻遇煤层时可能发生井底着火。煤层气和压缩空气的混合物引起井底着火能熔化钻头、钻铤、钻杆和其它井底工具，造成事故。因此，为防止空气钻井的危害，可采用空气雾化钻井和天然气钻井。空气雾化钻井减少了井底着火的可能性，但又增加了发泡剂、防腐剂和水等的费用，缩短了钻头寿命，降低了钻进速度。用天然气钻煤层气井可避免井底着火，但不经济，且存在气源和安全问题。

目前，美国、加拿大已将一种空心纤维聚合物薄膜装在专为油田设计的橇装氮气生产设备(NPU)上，生产的氮气用于水平钻井、垂直井和负压钻井，比用空气雾化钻井和天然气钻井的成本低得多，完全克服了钻井液钻井、空气雾化钻井和天然气钻井的缺点。当采用移动式PS－N2装置制氮用于煤层气水平井钻井时

，其成本仅为天然气的1/8和空气深冷法制氮的1/2。

此外，PSA－N2装置用于煤层气水平井钻井时，还副产了含氧量≥40%的富

氧空气，将其供给钻井用柴油机，可使柴油在气缸内进行富氧燃烧，以提高柴油机功率、降低油耗和CO、HC与碳烟等有害物质的排放，从而改善钻井所用柴油机

的性能，提高机械钻速，降低钻井成本。例如，四冲程非增压柴油机和四冲程涡轮增压柴油机使用35%的富氧空气，二者指示功率增加51%，机械效益分别提高6

～144%、37～85%，油耗下降56～126%、36～78%。

3 2 PSA技术在提高煤层气采收率中的应用

我国的煤层气储层属于压力封闭型，煤层渗透率低，这使得煤层气在煤孔隙中解吸和流动的阻力远大于水力封闭型的煤层气储层。为了提高我国煤层气的采收率，可采用注入增产法(ECBM)，这是Amoco公司开发的一项提高煤层气采收率新技术。ECBM将N2、CO2和烟道气注入煤层，降低甲烷在煤孔隙中的分压

，有利于CH4从煤基质中解吸；对煤具有比CH4更大亲合力的注入气体(如CO

2)，会导致CH4的置换解吸作用(即竞争吸附作用)；注入气体还增加了煤层

气向气井流动的推动力(压力能)，有利于压力封闭型煤层气克服在低渗透煤层中的流动阻力。Amoco公司在室内进行的注N2试验，已获得100%的CH4采收率；

在圣胡安盆地西北部采用5点井网进行的注N2试验，亦可使煤层气产量提高3倍

。这表明ECBM提高了产层能量，加速了煤层气的解吸和运移，从而提高了煤层气

采收率。

使用ECBM开采煤层气，必须拥有充足的N2、CO2或烟道气。N2可从空

气中获取，可作为CO2资源的气源较多(见表2)，但部分CO2气源需经浓缩和

净化才能用于ECBM。回收CO2的常用方法是溶剂吸收法，如Catacarb法、Benfi

eld法、G－V法、MEA法、ADIP法、Fluor法等，它们存在的问题是：工艺流程长

，设备复杂，能耗高和许多吸收溶剂对设备有腐蚀。当采用PSA技术从各种富含C

O2的气源中回收CO2时，其节能降耗显著，可完全克服溶剂法的缺点。例如

，PSA法替代Benfield法、MEA法、低温甲醇法、常温甲醇法、Fluor法和Selexol 法脱碳，其综合能耗仅各为原来的42%、47%、72%、2%、47%和40 1%。

表2 各种CO2气源及其含量

CO2气源 CO2%

石油溶解气微量～90

天然气 5～80