煤矿区煤层气地面井开发工程实践及利用前景

煤矿区煤层气地面井开发工程实践及利用前景

尔夏提·阿力木

新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队新疆乌鲁木齐市83009

摘要：伴随着城市的发展，人们对煤炭的需求量越来越高，煤矿企业的重要性日益凸显。目前，包括美国、澳大利亚、中国、印度、加拿大等国在内的煤层气商业提取，已经取得了很好的成绩。煤层气储层与常规天然气储层有很大的不同，由于岩石性质的不同，钻井开采要考虑的因素也不尽相同，毕竟煤层气曾经是煤炭开采过程中十分危险的隐患之一，如何用最经济有效的方法开采出这些煤层气资源是各个国家都希望解决的问题。

关键词：煤矿区；煤层气；地面井；开发工程；实践；利用前景

引言

煤矿区煤层气是煤层气资源开发中的重要组成部分，而且该类煤层气资源的开发对于降低煤矿井下瓦斯超限压力、保障煤矿井下的安全生产具有重要的意义。但是目前国内大型矿井高产、高效的机械化水平大幅提高，千万吨级大矿井逐年增多，加之我国煤层松软、低透气性的特点，导致仅依靠传统的井下钻孔抽采瓦斯技术难以有效解决矿井瓦斯治理问题，对于煤矿区煤层气的抽采效果也远不足；受煤矿生产接替等的动态影响，煤矿区煤层气抽采浓度变化范围大、波动频繁，这给抽采煤层气（瓦斯）的利用造成了较大的技术难题。煤矿区煤层气地面井抽采技术是近年来迅速发展的一项有效的煤层气开发技术，可以在地面施工、连续抽采煤矿采动区煤层气，有效利用了煤层的卸压增流效应，已经成为煤矿区煤层气开发的重要组成部分。笔者以煤矿区煤层气的综合开发利用工程实践及产业化建设为主线，对涉及的关键技术、工艺过程、应用效果及产业前景等进行了系统分析，以促进煤矿区煤层气综合开发利用产业链设计的进一步完善。

1煤层气由危险变成资源

由于煤炭几乎是纯碳，其储层性质与传统气体产生根本不同。煤的有机成分在确定孔隙度和渗透率特性以及最大气体保持能力方面是至关重要的。煤层气以甲烷为主，100多年来一直是影响地下煤矿安全生产的主要危险因素。煤层气的排放导致了爆炸，如明火、吸烟或不当使用黑火药和机械操作都是使煤层气爆炸的主要因素。过去，对煤层气突出和爆炸的调查旨在预测和预防煤炭矿井灾害。20世纪七十年代的“能源危机”导致了商业用煤气生产的可行性研究开展。在勘探计划中描述煤层气储层是一个挑战，但确定的两个最重要的措施是渗透率和气体饱和度。渗透性在很大程度上决定了天然气流量，决定了煤炭区的潜在商业价值。资源和储量的认证对煤矿区煤层气地面井开发工程的发展是十分重要的影响因素。过去几年里，石油－天然气工业已经进入一个新的发展阶段，投资力度转向天然气生产和供应，清洁燃烧并资源丰富的天然气资源形成了巨大的市场需求，且由于税收方面的优惠，煤层气成为一种越来越受欢迎的天然气来源。

2煤层气开发及利用现状

鉴于煤层气开发利用的重要性，近年来我国一直在大力推动煤层气产业的发展。煤层气开发包括井下抽采和地面钻井抽采两部分。煤层气井下抽采的立足点是保障煤矿安全生产，抽采的煤层气浓度（CH4体积分数）在1%～30%，利用技术复杂、难度极大，经济性较差；煤层气地面钻井抽采的立足点是煤层气资源开发，较井下抽采技术难度大、成本高，但抽采的煤层气浓度高（可达90%以上），便于直接利用，经济效益显著。

美国是世界上煤层气商业化开发最早、最为成功、产量最高的国家，开发方式基本为地面钻井抽采，2006年产气量达到498亿m3。美国煤层气商业性开发的成功，带动了加、澳、德、英、波、印、俄等20余个重要产煤国家煤层气的研究与开发。澳大利亚通过充分吸收美国煤层气资源评价、勘探及测试方面的成功经验，针对其自身煤层地质特点，成功开发出相应的开采技术，使煤层气勘探开发取得了重大突破，煤层气产量从1998年的0．56亿m3增长到了2009年的40亿m3。加拿大煤层气开发起步较晚但发展较为迅速，其2008年煤层气产量已达73．4亿m3。分析研究发现，这些国家煤层气商业开发的成功与国家政策引导、科研资源投入及财政补贴制度密切相关。

我国煤层气开发目前以井下抽采为主，2015年全国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量合计180亿m3、利用量86亿m3，其中地面煤层气产量44亿m3、利用量38亿m3。在《煤层气“十三五”规划》中提出，2020年煤层气（煤矿瓦斯）抽采量达到240亿m3，其中地面煤层气产量100亿m3、利用率90%以上，截至2015年底，地面煤层气产量缺口达56亿m3。根据国家发改委煤炭去产能要求，“十三五”期间需减少煤炭过剩产能8亿t左右，煤炭产能控制在40亿t以下，而井下煤层气抽采量与煤炭产量直接相关，在煤炭去产能的背景下，井下煤层气抽采量不可能继续增长，因此“十三五”期间煤层气开发的重点在地面煤层气的开发方面。

3煤矿区煤层气综合开发利用前景

1）煤层气综合开发利用产业链优化。我国煤层松软、低渗透的特点造成煤层气抽采困难，煤矿采掘动态变化的生产特点造成煤矿区煤层气浓度变化范围大、波动频繁，因此煤矿区煤层气综合开发利用应重点考虑开发和利用方式的多样性和组合性。为了克服煤层抽采困难的难题，在煤层气开发方式上应采用地面井卸压抽采+井下长钻孔抽采的组合方式；为了克服煤层气浓度变化范围大的难题，应采用体积分数高于30%煤层气含氧深冷液化+体积分数低于30%体积分数瓦斯掺混发电的综合利用方式，产能匹配应根据抽采量和利用量进行优化分析。

2）前景分析。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》已经将“复杂地质油气资源勘探开发利用”列为优先支持主题。目前，煤层气地面开发装备和产业已经成为矿区煤层气开发和井下瓦斯治理的重点发展方向。

低浓度煤层气掺混发电产业目前在国内已开始启动，随着近些年大气环境污染的加剧，国家对环境保护的日益重视，煤矿乏风瓦斯的排放是一个重大的排放源，国家计划在2016年在每个企业开始按碳指标进行环境管理，高能耗、高排放的企业将很难生存下去，碳交易将很快实施。同时，煤矿生产产生电力消耗，煤矿企业渴望能自发自用电，减少从电网购电，走在国内前列的山西省政府重点推广乏风（低浓度煤层气）发电技术，山西省人民政府办公厅在2014年1月17日的文件中专门就乏风氧化发电产业提出具体要求，计划到2015年，在矿井乏风超过40万m3/h的高瓦斯煤矿乏风发电推广比例达到40%。在矿井乏风量和瓦斯泵站抽采的低浓度瓦斯量规模较大情况下，几年就可收回投资，具有可观的经济收益率，该产业的项目受到广大煤矿企业的欢迎。

结语

我国的煤层气资源开采产业正处在初级发展阶段，在这个阶段需要不断地进行技术革新，稳定的资金投入，国家鼓励政策的有效支持，加速煤层气地面井工程的开展，并在短时间内实现市场化、规模化、专业化，积极吸收国外发达国家煤层气地面井工程的先进技术，并积极开展自主技术研发以及生产经验积累。现在，我国的煤层气资源开采仍然存在煤层气资源品质较差，投资大但回报周期长等核心问题有待解决，但是后期国家政策的扶持以及资金的大力投入，会使煤层气地面井开发工程进入一个快速发展的新阶段。

参考文献：

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［2］崔兆华．2001－2008年我国煤矿瓦斯事故统计及原因分析［J］．科技情报开发与经济，2009，（21）．

［3］罗海珠．中国煤矿瓦斯事故趋势及对策［A］．中国职业安全健康协会首届年会［C］．2004．