煤层气资源现状及开发技术研究

2012-09-23文丨黄珍珍

中国传媒科技 2012年2期

关键词：盖层声场煤层气

文丨黄珍珍

引言

我国是一个煤炭资源丰富的大国，煤层分布十分广泛，全国的煤炭资源总量约为50479.26×108t，丰富的煤碳资源表明其中蕴藏着非常巨大的煤层气资源。因此，加强对煤层气的勘探和开采是伟大而艰巨的任务。

煤层气的赋存状态

煤层气（又称“煤层甲烷”、“瓦斯”）是一种储集在煤层中的自生自储的天然气。煤层甲烷在煤储集层中赋存的状态有游离、吸附和溶解等三种。在煤化过程中生成的天然气首先在煤炭中吸附，然后是溶解和解离析出。

游离状态（自由状态）的煤层甲烷存在于煤的孔隙、裂隙或空洞中，气体分子在媒体孔隙内可以自由流动，煤层内的自由空间决定煤层甲烷的数量。当然，外界的温度和压力也会影响煤层气的数量。

煤层气的含气量影响因素

煤层气的含量主要由以下因素决定：首先，煤层气的生成量和吸附量由煤的变质过程及煤质决定；其次，煤层的生成阶段及后期演化阶段煤层的储集条件是由构造运动所控制；煤层气的含量由盖层的封堵能力所影响。

1.煤的组成

煤的组成指的是煤的显微组分、灰分和水分。煤的组成不仅对煤的产油能力有影响，而且影响煤的孔隙特征、吸附能力和机械性能等。煤的物质组成控制着煤的吸附能力，若矿物质含量越高，其吸附能力反而会降低。在显微组分中，壳质组和惰质组的吸附能力偏低而镜质组的吸附能力最强，主要是镜质组中发育有大量的气孔，孔隙比表面积大所引起。

2.煤层的埋藏深度

煤层的埋藏深度是影响煤层甲烷的另一控制因素。煤层埋深对煤层甲烷的含量的影响实质是由于煤层埋深的不同，导致煤层甲烷所受的温度和压力的变化，压力增大会使煤的吸附能力增强，但是温度的升高却会使煤的吸附能力降低。

3.煤层中的水分

图1 煤阶与兰氏关系（据张意，2010）

如果煤层中水分增加，那么其吸附能力会降低，但当水分量大于某个临界值时，吸附能力将不会随着水分的增大而改变，这个值为临界水分值(Mc) 。Joubert 对烟煤的研究建立了以下经验公式：

式中: Vd、Vw分别为一定温度压力下甲烷和水的体积，cm3；m 为水分，%；C0 为系数。

当煤被水饱和时，即m≥mc时:

式中：X0为煤中氧含量，可见m≥mc时Vd与含氧量有关。

4.煤阶

煤阶代表了煤化作用中能达到的成熟度的级别，由于深埋影响温度的改变可以引起煤阶的改变，煤阶影响煤层饱和状态，可通过测量最大的镜质组反射率，挥发物质的百分比或煤中碳的百分比来确定的。

煤层气含气量随煤阶的增加呈现出急剧增高-缓慢增高-急剧增高-急剧下降的阶段性演化特征。众多研究表明，随煤阶增高煤的吸附能力会相应增强。在烟煤和无烟煤阶段( R0max ＜ 5%) ，当R0max增大时总孔隙度会增高。在小孔隙中，煤中孔隙的比表面积会随之增大。由于煤的分子排列是从无序到有序，由小分子到大分子，煤的表面物理性质发生了变化，煤分子与CH4分子间引力(范德华力和色散力)增大，煤对CH4的吸附能力随之增强（图1）。

5.盖层的封闭能力

盖层对煤层气的封存机理与常规油气的基本相同，即盖层的排替压力越大，其封闭性越强。能有效地阻止煤层气散失的盖层为有效盖层。盖层的封存能力并不是绝对的，当储层压力大于排替压力时，便可能成为无效盖层。孔喉半径是盖层封闭能力的主要因素。盖层的宏观封闭性还要与其岩性、厚度、分布范围和连续性、韧性等因素有关。

提高煤层气的采收技术

我国煤储层具有低压（压力系数低于0.8）、低渗（小于1×10-3um2）、低饱和度（小于70%）和非均质性强等特点, 煤层气的开采技术面临着难题，因此提高煤层气的采收技术显的特别重要。以下为提高煤层气采收率的几种技术。

1.注热技术

向煤层中注入水蒸汽来实现注热开采煤层气。热量作用下，煤体、扩散至裂隙的煤层气的性质会发生变化。如果温度升高，煤体会发生膨胀，孔裂隙受到挤压后会发生变形，影响CH4气体在其中流动。当CH4气体吸热，动能、活性、解吸能力都会增强，煤层内吸附平衡遭到破坏，解吸率升高，CH4气体会从煤层表面解吸扩散至裂隙，从而使煤层裂隙中的气体浓度升高，由于浓度梯度和压力梯度增大，CH4气体由裂缝系统流至井筒，从而煤层气产量增加。二者共同决定煤层气的产量。在开采过程中，可以先对煤层进行压裂，然后向煤层中注入热量，这样可增加煤层气的产量。