氮气驱替提高煤层气采收率关键技术研究与应用

第1章 绪论 煤层气作为一种资源量巨大的非常规天然气资源，已逐步走向大规模开发利用阶段，煤层气在能源中的地位日益提高。因此，高效开发煤层气是世界上所有煤炭资源丰富的国家都要关注的重要问题。高效开采煤层气不仅能够保障我国能源安全，而且能够减少煤炭开采过程中温室气体的排放，并对煤炭的安全开采具有保障作用。 1.1 开采煤层气的意义 煤层气俗称“瓦斯”，是储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［1］。在煤矿区，煤层气既是威胁煤矿安全生产的灾害性气体和引起气候变暖的重要温室性气体，又是一种可替代常规天然气的高效、洁净能源。我国地质构造条件复杂，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井多，煤矿瓦斯爆炸事故常有发生，造成极为严重的损失。随着矿井不断向深部延伸、开采规模加大，瓦斯灾害问题将更加突出。同时，每年我国煤矿向大气中释放的甲烷量约为200×108m3，不仅造成环境污染，也浪费了大量能源［2］。 1.1.1 矿井安全需求 我国为煤炭大国，煤矿安全事故频发，而造成煤矿安全事故*主要的原因就是瓦斯（煤层气）爆炸。我国高瓦斯矿井居多，国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，随着采煤深度的增加，煤矿瓦斯的威胁逐步加大，绝大多数国有重点煤矿由瓦斯矿井转为高瓦斯矿井。目前，我国已成为世界上煤与瓦斯突出灾害比较严重的国家［3］。 自2001年来，我国非常重视并投入大量资金用于煤矿瓦斯抽采，煤矿安全事故造成的人员伤亡虽呈现下降趋势，但煤矿事故仍时有发生。据统计，近年来我国由瓦斯事故造成的人员伤亡约占煤炭行业安全事故人员伤亡人数的25%～40%，造成了巨大经济损失。“十一五”期间，国家加快调整煤炭工业结构，淘汰煤矿落后产能，将煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用作为防治煤矿瓦斯事故的治本之策，煤矿瓦斯防治形势持续稳步好转，瓦斯事故和死亡人数大幅度下降［4］。 煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划中提出，要加快安全高效煤矿建设，不断提高煤矿安全生产水平，加快煤层气（煤矿瓦斯）开发利用，强力推进煤矿瓦斯先抽后采、抽采达标，从根本上预防和避免煤矿瓦斯事故。“十三五”期间，更是明确提出要新增煤层气探明地质储量4200×108m3，建成2～3个煤层气产业化基地；2020年，煤层气（煤矿瓦斯）抽采量达到240×108m3，其中地面煤层气产量100×108m3，利用率90%以上；煤矿瓦斯抽采140×108m3，利用率50%以上，煤矿瓦斯发电装机容量280万千瓦，民用超过168万户；煤矿瓦斯事故死亡人数比2015年下降15%以上［5］。 因此，综合抽采瓦斯是解决矿井瓦斯事故*根本、*有效的途径。近年来煤炭开采过程中瓦斯超限时有发生，严重制约了煤炭的正常、安全生产，瓦斯治理形势比较严峻，井下瓦斯治理投入也逐年增加。通过地面与井下综合抽采及利用，不仅可以降低井下瓦斯治理难度，提高煤炭生产效率，而且可以充分合理地利用煤层气洁净能源。 1.1.2 清洁能源需求 伴随着经济飞速发展，我国对能源的需求持续增长，油气供需矛盾日益突出。自从1993年中国由原油出口国变为原油进口国起，原油进口量随着国内发展的需求逐年增高。2016年我国进口原油3.8×108t，与2015年同期相比增长13.6%，进口金额达1164.69亿美元，原油对外依存度高达65%。天然气与原油一样在近几年出现供应缺口，自2007年开始，我国成为天然气净进口国，当年净进口天然气1.4×108m3，占天然气消费量的1.99%。2016年底，我国天然气消费量为2058×108m3，产量为1368×108m3，供需缺口近700×108m3，对外依存度为34%，且该趋势还在不断增大［6］。 煤层气是一种洁净、高热值气体能源，我国埋深2000m以下的浅层煤层气地质资源量约为36.81×1012m3，居世界第三位，可采资源量为13.90×1012m3［7］。煤层气的资源量和我国常规天然气资源量相当，可采前景好。因此，煤层气作为我国非常规能源的接替已成为必然选择，其大量开发和利用对我国工业长期快速发展具有重要的现实意义。 目前，我国在煤层气开采利用方面已经取得一些突破，“十二五”期间，煤层气地面开发利用步伐加快，规划期末煤层气产量、利用量是“十一五”末的三倍。沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘产业化基地初步形成，潘庄、樊庄、潘河、保德、韩城等重点开发项目建成投产，四川、新疆、贵州等省（区）煤层气勘探开发取得突破性进展。“十三五”期间，国家进一步实施能源供给侧结构性改革，着力建立多元供应体系，提高非化石能源和天然气的生产消费比重，促进能源生产和供应方式向安全、绿色、清洁、高效方向发展，能源结构进一步优化。大力推进煤层气（煤矿瓦斯）开发利用，有利于增加清洁能源供应，优化能源结构，提高能源利用效率。天然气管网管理体制改革，将为煤层气提供公平、高效的市场环境，提升产业竞争力［8］。 1.1.3 环境问题需求 甲烷(CH4)是一种仅次于氟利昂的重要温室气体，对大气的臭氧层具有极大的破坏作用。研究表明，甲烷导致的温室效应异常严重，接近于二氧化碳的20～30倍，每年我国采煤造成大量的甲烷气体直接排放进大气中，这些甲烷气体可使地球表面余热通过大气层向宇宙空间散发的热阻增大，从而增强地球表面的温室效应，导致全球变暖［9］。 1997年12月，世界上149个国家和地区的代表在日本东京召开《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议，通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。《京都议定书》规定：2010年所有发达国家排放的二氧化碳等6种温室气体的量比1990年减少5.2%。《京都议定书》虽未规定发展中国家的减排义务，但随着近年来环境恶劣的日益严重，发展中国家应承担减排任务的呼声日益高涨。此外，由于甲烷的温室效应远超二氧化碳，减少甲烷的排放量，更是刻不容缓［10］。 2009年12月18日，国务院总理温家宝在丹麦哥本哈根气候变化会议领导人会议上，发表了题为《凝聚共识加强合作推进应对气候变化历史进程》的重要讲话，承诺“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—50%”。2030年左右我国二氧化碳排放将达到峰值，对控制温室气体排放提出了更高要求，再加上突出的“雾霾”问题，使燃煤问题已处于风口浪尖之上，对煤层气的开采变得刻不容缓。 我国煤层气资源丰富，开发利用这一优质洁净的新型能源，对于优化我国的能源结构、减少温室气体排放、减轻大气污染、从根本上解决煤矿安全问题以及实现我国国民经济的可持续发展均具有重大意义。 1.2 煤层气的生成 一般认为，成煤过程分为两个阶段，分别是泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程，后者是物理化学过程。在成煤物质发生物理化学变化的煤化过程中，不仅形成了煤，还生成了以甲烷为主的混合气体等副产品，主要表现为挥发分含量和含水量都相对减少，发热量和固定碳含量都相对增加。在泥炭向无烟煤演变的过程中，每吨煤伴随有大约141.6m3的甲烷，所以，根据煤层气的成因类型，可以将其概括地划分为生物成因气和热成因气，进一步可以划分为原生（早期）生物成因气、热成因气和煤化作用期后产生的次生生物气三类，见图1-1［11］。 图1-1 煤化作用阶段及气体生成 1.2.1 原生（早期）生物成因气 原生生物成因气发生在煤化作用阶段的早期，是泥炭沼泽环境中的低变质煤由微生物分解有机质而生成的甲烷气体。在泥炭褐煤和亚烟煤阶段，埋藏深度一般小于400m、温度通常低于50℃、pH相对较高、丰富的有机质、适当的空间以及缺氧环境和低硫浓度，数万年的埋藏时间，都是形成煤层气的充分必要条件［12］。 原生生物成因气的形成过程被认为符合厌氧发酵理论，即厌氧发酵的“四阶段”理论。**个阶段，在水解发酵菌的作用下，复杂有机质（泥炭和煤）分解成低聚物和单分子；第二个阶段，在酸化细菌的作用下，低聚物和单分子分解成三种物质，即大部分的长链脂肪酸，少部分的甲酸或H2+CO2、乙酸；第三个阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，长链脂肪酸进一步分解成两种物质，即甲酸或H2+CO2、乙酸；第四个阶段，在产甲烷菌的作用下，甲酸或H2+CO2，和乙酸通过相互作用形成CH4和CO2。 甲烷是还原环境中所形成的气体，但是在一定程度上，氧化环境也为其提供了物质基础，比如纤维素、蛋白质等有机物只有在酶的作用下才能形成单糖，其形成的单糖是甲烷形成所必需的物质基础。同时，在辅酶作用下，甲烷菌可活化二氧化碳和氢气，使之还原为甲烷。 早期（原生）生物成因煤层甲烷气气量是煤层总生气量的十分之一左右，很难保存下来，所以早期生物成因气并不是研究煤层甲烷气体的主要对象。 1.2.2 热成因气 煤层深度的加深、温度的增大、压力的增加、煤化作用的增强，使煤变成了富碳和富氢的挥发性物质，其生成气体的类型和量由煤阶决定。 鉴于热成因煤层甲烷的形成机理与腐殖型干酪根生成“煤成气”的机理类似，前人对不同母质类型干酪根进行了热演化模拟实验。根据实验数据，可以得出混合型和腐泥型干酪根在演化过程中都具有三个明显阶段，即未成熟阶段只有少量烃出现，成熟阶段是以液态烃为主，过成熟阶段是以气态烃为主，而腐殖型干酪根当温度增加到一定量时才开始产气。所以，根据煤的变质程度，成气作用可以进一步划分为三个阶段。 **个阶段，褐煤到长焰煤阶段，即低变质阶段。埋藏深度是1.5～2km，温度是75～90℃，生成的气体中，72%～92%都是二氧化碳，烃类气体总量小于20%，其中甲烷为主要烃类气体。该阶段气体大都无法良好地储存下来。第二个阶段，长焰煤到焦煤阶段，即中等变质阶段。埋藏深度*深是6km，温度是90～190℃，该阶段生成的气体中，烃类气体含量可占到70%～80%，而甲烷位于烃类气体之首。第三个阶段，瘦煤到无烟煤阶段，即高变质阶段。与中等变质阶段以湿气为主不同的是，该阶段以干气为主［13］。 1.2.3 次生生物气 次生生物气形成于原生生物气、热成因气之后，是煤层形成之后，由于煤层抬升埋藏深度变浅，在微生物的作用下形成的以甲烷为主的气体。煤层埋藏深度变浅，同时与大气相通，使得生成的甲烷气体能够保存下来，所以次生生物气是煤层气研究中不可或缺的一部分资源。这类气体不受煤阶的限制，只需要地下水的活动创造一个适合于细菌活动的环境即可。 在山西李雅庄、安徽淮南和云南恩洪等地区发现了次生生物成因煤层气，其基本特征为：组分以甲烷为主，属于干气。目前，国际学术界对于次生生物气的研究主要限于较单一的气体地球化学示踪研究［14］。 1.3 煤层气的赋存与运移 煤层与常规油气层不同。煤层既是生气层，同时又是储集层，所以煤层具有一定的空间可以用来储存煤层气以及允许气体流动。由于煤层的这种特殊性，若要将煤层中的煤层气尽可能多地排采出来，需要对煤层气的储存、运移机理有个全面的了解。 1.3.1 煤层气的赋存机理 煤层自身形成的煤层气并不是都保存在煤层中，都会有不同程度上的散失。煤层对煤层气的保存能力主要取决于煤层盖层的封存能力：①超致密层作为上覆岩层，其排替压力大于煤层中流体剩余压力，且具有良好的毛细封闭能力，属于一种良好的盖层。此时气体主要以扩散的方式运移，运移速度相对较为缓慢。②上覆盖层的排替压力小于煤层中的剩余压力时，气体主要以渗流的方式运移，属于游离气体逸散。③渗透层作为上覆岩层时，其排替压力较小，扩散运移快，气体会逐渐向砂岩中运移，外加水动力的影响，煤层中的吸附气体也会被解吸出来运移到渗透层中。④生气能力强的烃源岩作为上覆岩层时，不仅会阻止煤层气的向上逸散，而且会向煤层中输入天然气。 因此，质量越好的盖层具有越强