准东地区煤层气开采与利用方法研究

2017-11-11王钰森初泰青冯兆兴

科技视界 2017年16期

王钰森　初泰青　冯兆兴

【摘要】准东煤田被勘探确认为地下储藏着约3900亿吨煤煤炭资源，准东煤田东西长达220公里，以现有我国煤炭年使用量计算，仅准东煤田就够全国使用一百年。丰富的煤炭资源里蕴藏着大量的煤层气资源，怎样在开采煤炭资源的同时尽可能多的开采煤层气资源便是我国煤层气资源的发展新方向。

【关键词】准东煤；煤层气；开采；吸附解吸；

【Abstract】Xinjiang Zhundong coalfield was identified as the storage of about 390 billion tons coal resources，the 220 kilometers border between East and West for Zhundong coalfield.For existing China's coal consumption， ZhunDong coalfield was used for one hundred.A large amount of coalbed methane resources were stored in the coal seam， clean and effective exploitation of Zhundong coal， meanwhile as much as possible of exploiting coalbed methane resources is the new directions in China.

【Key words】Zhundong coalfoeld；Coal methane；Exploition；Absorption desorption

0 引言

準东煤矿是指准噶尔盆地东部从阜康市到木垒哈萨克自治县的一条狭长矿区，准东煤田成煤面积1.4万平方公里，已探明煤炭资源储量2136亿吨[1]。如此巨大的煤田也蕴藏着丰富的煤层气资源，煤层气，是指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气水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属于非常规天然气[2]。我国煤层气的资源储量是38万亿立方米，然而由于开采技术及对煤层气资源开采的不重视，每年将近废弃掉200亿方煤层气资源。因此针对准东煤矿的煤层气资源的合理开发需要进行全方位的研究，才能得到更加经济的开采方法。本文从准东煤矿地质特性及煤层气综合开采技术现状，分析哪种开采技术更适用于准东煤矿煤层气开采。

1 准东煤矿煤层特性

为了更能将高效的煤层气开采技术准确的应用在准东煤矿，应首先对准东煤矿的煤层特性进行详细了解，我国学者苏国庆曾对新疆准东煤矿煤质特性进行了相关的实验研究，研究得出准东煤种属于中高水分、低灰分、特低硫分、中高挥发分以及中等热值的烟煤。根据我国学者鲜学福对不同种类煤种富含煤层气的含量估算，烟煤的煤层气含量可高达35～40m3/t，无烟煤的煤层气含量则可高达40～45m3/t，假设准东煤矿都为烟煤，其吨含煤层气气体为35～40m3，总煤层气储量预计约为1.36～1.56万亿m3。我国学者对准东煤储层进行了相关研究，确定煤储层一般具有孔隙压力低、渗透性差、裂隙发育等特点，钻井液侵入易导致煤层污染，影响煤层气的产量。储量巨大，开发难度大的准东煤层气资源需要进行

2 煤层气开采技术及适用于准东煤矿

2.1 二氧化碳驱气开采技术

目前最经济、高效开采煤层气的方式是利用二氧化碳或烟道气驱替煤层甲烷气体技术，这种开采模式不但强化了甲烷气的回收，同时还将大量二氧化碳封存于地下[3]。

图1为常规二氧化碳气体驱替煤层气示意图，这种方式的局限是需要将CO2气源集中收集及储运较难。准东煤矿狭长，而单纯利用二氧化碳气体驱替很难实现全面开采，需结合相应的气体排放产业园进行集中收集开采。CO2注气开采，效果明显，但气源和经济性使其应用范围十分有限

2.2 水力压裂开采技术

图2为水力压裂技术原理图，水力压裂技术利用地面高压泵，将大量化学物质掺杂水、沙子、石子制成压裂液，再灌进岩石深处并压裂岩石，最终将煤储层压力得到释放，煤层气通过孔隙、裂隙后而被抽取到地面上的储存罐内。

当前，水力压裂技术对煤层气增产效果更为明显。但针对于新疆准东煤矿来说，水资源短缺，应用水力压裂技术进行开采不但大幅度提高生产成本同时对地层伤害比较严重。

2.3 爆破致裂开采技术

采用爆破致裂开采煤层气[4]，主要是使用炸药在爆炸瞬间，产生的爆轰气体引起的膨胀压力造成岩体质点形成极大的应力场，岩体在应力场的作用下产生较大的径向位移，破坏原有的煤岩层结构，致使煤岩体产生大量的孔隙、裂隙。利用爆炸产生的应力波和爆生气体，在煤岩中产生大量裂隙，可有效提高煤矿煤层气抽采率以及消除煤层气突出的危险。

由于准东煤矿的多数煤种属于褐煤，煤质硬度介于2～2.5，松软煤岩在爆裂过程中虽然能形成大量的孔隙、裂隙，但是正由于过度松软，爆破过程产生的微小颗粒易造成煤层气运输通道阻塞，降低开采效率。

2.4 注热开采技术

煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在，通过向煤层注入高温水蒸汽体[5]，煤层温度随之增加，注热开采过程中，煤层气分子吸收热量，分子内能增加，热运动活性增强，促使煤层气分子从煤基质表面脱附解吸出来，随着注热温度的增加，煤岩体在集中热应力及已解吸的煤层气分子膨胀应力作用下产生更大的孔隙、裂隙，提高煤岩体的渗透率。

针对于新疆准东煤矿，在利用注热开采煤层气不仅需要较多热量的投入，同时还需要大量的水资源，同时在注入汽体后容易形成汽封现象，影响生产效率。

2.5 声震法开采煤层气技术

声震法是通过向煤储层内施加超声波[6]，超声波的机械振动作用使煤层气分子在摆脱煤岩体对其的束缚，同时超声波使煤体吸收的声能转化为热能，煤体质点温度升高，使甲烷气与煤表面分子间的吸附作用减弱，从而促进煤体中甲烷气的解吸并扩散。

在超声波的作用下，煤岩体质点发生位移，促使煤岩体产生新的孔隙-裂隙网，增大煤层气传输通道，煤岩骨架和其中的流体也产生振动，使流体-固体界面产生相对运动，减弱气体和煤岩的附着力，增加煤层气产量。

单纯的一种开采技术并不能完全适用于准东煤矿煤层气的开采，可通过开采技术的组合，将适用准东煤矿不同煤层的煤层气的抽采。

3 结束语

通过对准东煤层物理特性的分析并对不同煤层气开发方式的介绍，可综合选用不同开采技术进行配合使用来高效开采准东煤层的煤层气资源。准东煤层气的高效开发，对于缓解我国西部清洁能源的紧张局势、减轻大气污染，实现我国经济可持续发展具有重大意义。

【参考文献】

[1]苏国庆，姚伟，何红光.新疆准东煤矿煤质特性试验研究[J].煤质技术，2015，7：3，9-44.

[2]白向飞，王越，丁华.准东煤种钠的赋存状态[J].煤炭学报，2015，40（12）：2909-2915.

[3]王毅刚，岳宗洪.贵州煤层气开采技术和综合利用的研究[J].中国矿业，2010，19（7）：114-116.

[4]张金波，吴财芳.煤层气开采技术应用现状及其改进[J].煤炭科学技术.2012，40（8）：88-96.