氮氣驅替提高煤層氣采收率關鍵技術研究與應用 節選

第1章 緒論 煤層氣作為一種資源量巨大的非常規天然氣資源，已逐步走向大規模開發利用階段，煤層氣在能源中的地位日益提高。因此，高效開發煤層氣是世界上所有煤炭資源豐富的國家都要關注的重要問題。高效開采煤層氣不僅能夠保障我國能源安全，而且能夠減少煤炭開采過程中溫室氣體的排放，并對煤炭的安全開采具有保障作用。 1.1 開采煤層氣的意義 煤層氣俗稱“瓦斯”，是儲存在煤層中以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體［1］。在煤礦區，煤層氣既是威脅煤礦安全生產的災害性氣體和引起氣候變暖的重要溫室性氣體，又是一種可替代常規天然氣的高效、潔凈能源。我國地質構造條件復雜，高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井多，煤礦瓦斯爆炸事故常有發生，造成極為嚴重的損失。隨著礦井不斷向深部延伸、開采規模加大，瓦斯災害問題將更加突出。同時，每年我國煤礦向大氣中釋放的甲烷量約為200×108m3，不僅造成環境污染，也浪費了大量能源［2］。 1.1.1 礦井安全需求 我國為煤炭大國，煤礦安全事故頻發，而造成煤礦安全事故*主要的原因就是瓦斯（煤層氣）爆炸。我國高瓦斯礦井居多，國有重點煤礦70%以上是高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，隨著采煤深度的增加，煤礦瓦斯的威脅逐步加大，絕大多數國有重點煤礦由瓦斯礦井轉為高瓦斯礦井。目前，我國已成為世界上煤與瓦斯突出災害比較嚴重的國家［3］。 自2001年來，我國非常重視并投入大量資金用于煤礦瓦斯抽采，煤礦安全事故造成的人員傷亡雖呈現下降趨勢，但煤礦事故仍時有發生。據統計，近年來我國由瓦斯事故造成的人員傷亡約占煤炭行業安全事故人員傷亡人數的25%～40%，造成了巨大經濟損失。“十一五”期間，國家加快調整煤炭工業結構，淘汰煤礦落后產能，將煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用作為防治煤礦瓦斯事故的治本之策，煤礦瓦斯防治形勢持續穩步好轉，瓦斯事故和死亡人數大幅度下降［4］。 煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十二五”規劃中提出，要加快安全高效煤礦建設，不斷提高煤礦安全生產水平，加快煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用，強力推進煤礦瓦斯先抽后采、抽采達標，從根本上預防和避免煤礦瓦斯事故。“十三五”期間，更是明確提出要新增煤層氣探明地質儲量4200×108m3，建成2～3個煤層氣產業化基地；2020年，煤層氣（煤礦瓦斯）抽采量達到240×108m3，其中地面煤層氣產量100×108m3，利用率90%以上；煤礦瓦斯抽采140×108m3，利用率50%以上，煤礦瓦斯發電裝機容量280萬千瓦，民用超過168萬戶；煤礦瓦斯事故死亡人數比2015年下降15%以上［5］。 因此，綜合抽采瓦斯是解決礦井瓦斯事故*根本、*有效的途徑。近年來煤炭開采過程中瓦斯超限時有發生，嚴重制約了煤炭的正常、安全生產，瓦斯治理形勢比較嚴峻，井下瓦斯治理投入也逐年增加。通過地面與井下綜合抽采及利用，不僅可以降低井下瓦斯治理難度，提高煤炭生產效率，而且可以充分合理地利用煤層氣潔凈能源。 1.1.2 清潔能源需求 伴隨著經濟飛速發展，我國對能源的需求持續增長，油氣供需矛盾日益突出。自從1993年中國由原油出口國變為原油進口國起，原油進口量隨著國內發展的需求逐年增高。2016年我國進口原油3.8×108t，與2015年同期相比增長13.6%，進口金額達1164.69億美元，原油對外依存度高達65%。天然氣與原油一樣在近幾年出現供應缺口，自2007年開始，我國成為天然氣凈進口國，當年凈進口天然氣1.4×108m3，占天然氣消費量的1.99%。2016年底，我國天然氣消費量為2058×108m3，產量為1368×108m3，供需缺口近700×108m3，對外依存度為34%，且該趨勢還在不斷增大［6］。 煤層氣是一種潔凈、高熱值氣體能源，我國埋深2000m以下的淺層煤層氣地質資源量約為36.81×1012m3，居世界第三位，可采資源量為13.90×1012m3［7］。煤層氣的資源量和我國常規天然氣資源量相當，可采前景好。因此，煤層氣作為我國非常規能源的接替已成為必然選擇，其大量開發和利用對我國工業長期快速發展具有重要的現實意義。 目前，我國在煤層氣開采利用方面已經取得一些突破，“十二五”期間，煤層氣地面開發利用步伐加快，規劃期末煤層氣產量、利用量是“十一五”末的三倍。沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣產業化基地初步形成，潘莊、樊莊、潘河、保德、韓城等重點開發項目建成投產，四川、新疆、貴州等省（區）煤層氣勘探開發取得突破性進展。“十三五”期間，國家進一步實施能源供給側結構性改革，著力建立多元供應體系，提高非化石能源和天然氣的生產消費比重，促進能源生產和供應方式向安全、綠色、清潔、高效方向發展，能源結構進一步優化。大力推進煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用，有利于增加清潔能源供應，優化能源結構，提高能源利用效率。天然氣管網管理體制改革，將為煤層氣提供公平、高效的市場環境，提升產業競爭力［8］。 1.1.3 環境問題需求 甲烷(CH4)是一種僅次于氟利昂的重要溫室氣體，對大氣的臭氧層具有極大的破壞作用。研究表明，甲烷導致的溫室效應異常嚴重，接近于二氧化碳的20～30倍，每年我國采煤造成大量的甲烷氣體直接排放進大氣中，這些甲烷氣體可使地球表面余熱通過大氣層向宇宙空間散發的熱阻增大，從而增強地球表面的溫室效應，導致全球變暖［9］。 1997年12月，世界上149個國家和地區的代表在日本東京召開《聯合國氣候變化框架公約》締約方第三次會議，通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》。《京都議定書》規定：2010年所有發達國家排放的二氧化碳等6種溫室氣體的量比1990年減少5.2%。《京都議定書》雖未規定發展中國家的減排義務，但隨著近年來環境惡劣的日益嚴重，發展中國家應承擔減排任務的呼聲日益高漲。此外，由于甲烷的溫室效應遠超二氧化碳，減少甲烷的排放量，更是刻不容緩［10］。 2009年12月18日，國務院總理溫家寶在丹麥哥本哈根氣候變化會議領導人會議上，發表了題為《凝聚共識加強合作推進應對氣候變化歷史進程》的重要講話，承諾“到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%—50%”。2030年左右我國二氧化碳排放將達到峰值，對控制溫室氣體排放提出了更高要求，再加上突出的“霧霾”問題，使燃煤問題已處于風口浪尖之上，對煤層氣的開采變得刻不容緩。 我國煤層氣資源豐富，開發利用這一優質潔凈的新型能源，對于優化我國的能源結構、減少溫室氣體排放、減輕大氣污染、從根本上解決煤礦安全問題以及實現我國國民經濟的可持續發展均具有重大意義。 1.2 煤層氣的生成 一般認為，成煤過程分為兩個階段，分別是泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物化學過程，后者是物理化學過程。在成煤物質發生物理化學變化的煤化過程中，不僅形成了煤，還生成了以甲烷為主的混合氣體等副產品，主要表現為揮發分含量和含水量都相對減少，發熱量和固定碳含量都相對增加。在泥炭向無煙煤演變的過程中，每噸煤伴隨有大約141.6m3的甲烷，所以，根據煤層氣的成因類型，可以將其概括地劃分為生物成因氣和熱成因氣，進一步可以劃分為原生（早期）生物成因氣、熱成因氣和煤化作用期后產生的次生生物氣三類，見圖1-1［11］。 圖1-1 煤化作用階段及氣體生成 1.2.1 原生（早期）生物成因氣 原生生物成因氣發生在煤化作用階段的早期，是泥炭沼澤環境中的低變質煤由微生物分解有機質而生成的甲烷氣體。在泥炭褐煤和亞煙煤階段，埋藏深度一般小于400m、溫度通常低于50℃、pH相對較高、豐富的有機質、適當的空間以及缺氧環境和低硫濃度，數萬年的埋藏時間，都是形成煤層氣的充分必要條件［12］。 原生生物成因氣的形成過程被認為符合厭氧發酵理論，即厭氧發酵的“四階段”理論。**個階段，在水解發酵菌的作用下，復雜有機質（泥炭和煤）分解成低聚物和單分子；第二個階段，在酸化細菌的作用下，低聚物和單分子分解成三種物質，即大部分的長鏈脂肪酸，少部分的甲酸或H2+CO2、乙酸；第三個階段，在產氫產乙酸菌的作用下，長鏈脂肪酸進一步分解成兩種物質，即甲酸或H2+CO2、乙酸；第四個階段，在產甲烷菌的作用下，甲酸或H2+CO2，和乙酸通過相互作用形成CH4和CO2。 甲烷是還原環境中所形成的氣體，但是在一定程度上，氧化環境也為其提供了物質基礎，比如纖維素、蛋白質等有機物只有在酶的作用下才能形成單糖，其形成的單糖是甲烷形成所必需的物質基礎。同時，在輔酶作用下，甲烷菌可活化二氧化碳和氫氣，使之還原為甲烷。 早期（原生）生物成因煤層甲烷氣氣量是煤層總生氣量的十分之一左右，很難保存下來，所以早期生物成因氣并不是研究煤層甲烷氣體的主要對象。 1.2.2 熱成因氣 煤層深度的加深、溫度的增大、壓力的增加、煤化作用的增強，使煤變成了富碳和富氫的揮發性物質，其生成氣體的類型和量由煤階決定。 鑒于熱成因煤層甲烷的形成機理與腐殖型干酪根生成“煤成氣”的機理類似，前人對不同母質類型干酪根進行了熱演化模擬實驗。根據實驗數據，可以得出混合型和腐泥型干酪根在演化過程中都具有三個明顯階段，即未成熟階段只有少量烴出現，成熟階段是以液態烴為主，過成熟階段是以氣態烴為主，而腐殖型干酪根當溫度增加到一定量時才開始產氣。所以，根據煤的變質程度，成氣作用可以進一步劃分為三個階段。 **個階段，褐煤到長焰煤階段，即低變質階段。埋藏深度是1.5～2km，溫度是75～90℃，生成的氣體中，72%～92%都是二氧化碳，烴類氣體總量小于20%，其中甲烷為主要烴類氣體。該階段氣體大都無法良好地儲存下來。第二個階段，長焰煤到焦煤階段，即中等變質階段。埋藏深度*深是6km，溫度是90～190℃，該階段生成的氣體中，烴類氣體含量可占到70%～80%，而甲烷位于烴類氣體之首。第三個階段，瘦煤到無煙煤階段，即高變質階段。與中等變質階段以濕氣為主不同的是，該階段以干氣為主［13］。 1.2.3 次生生物氣 次生生物氣形成于原生生物氣、熱成因氣之后，是煤層形成之后，由于煤層抬升埋藏深度變淺，在微生物的作用下形成的以甲烷為主的氣體。煤層埋藏深度變淺，同時與大氣相通，使得生成的甲烷氣體能夠保存下來，所以次生生物氣是煤層氣研究中不可或缺的一部分資源。這類氣體不受煤階的限制，只需要地下水的活動創造一個適合于細菌活動的環境即可。 在山西李雅莊、安徽淮南和云南恩洪等地區發現了次生生物成因煤層氣，其基本特征為：組分以甲烷為主，屬于干氣。目前，國際學術界對于次生生物氣的研究主要限于較單一的氣體地球化學示蹤研究［14］。 1.3 煤層氣的賦存與運移 煤層與常規油氣層不同。煤層既是生氣層，同時又是儲集層，所以煤層具有一定的空間可以用來儲存煤層氣以及允許氣體流動。由于煤層的這種特殊性，若要將煤層中的煤層氣盡可能多地排采出來，需要對煤層氣的儲存、運移機理有個全面的了解。 1.3.1 煤層氣的賦存機理 煤層自身形成的煤層氣并不是都保存在煤層中，都會有不同程度上的散失。煤層對煤層氣的保存能力主要取決于煤層蓋層的封存能力：①超致密層作為上覆巖層，其排替壓力大于煤層中流體剩余壓力，且具有良好的毛細封閉能力，屬于一種良好的蓋層。此時氣體主要以擴散的方式運移，運移速度相對較為緩慢。②上覆蓋層的排替壓力小于煤層中的剩余壓力時，氣體主要以滲流的方式運移，屬于游離氣體逸散。③滲透層作為上覆巖層時，其排替壓力較小，擴散運移快，氣體會逐漸向砂巖中運移，外加水動力的影響，煤層中的吸附氣體也會被解吸出來運移到滲透層中。④生氣能力強的烴源巖作為上覆巖層時，不僅會阻止煤層氣的向上逸散，而且會向煤層中輸入天然氣。 因此，質量越好的蓋層具有越強