乌鲁木齐矿区煤层气中CO2赋存规律及利用工艺浅析

2018-01-25雍晓艰

中国煤层气 2017年6期

雍晓艰张军

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局,新疆 830091; 2.新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队,新疆 830009)

1 地质特征

1.1 地层特征

乌鲁木齐矿区地层为侏罗系(J)、白垩系(K)、第三系(R)和第四系(Q)。自下而上的地层层序是：下侏罗统八道湾组、三工河组，中侏罗统西山窑组、头屯河组，上侏罗统齐古组、喀拉扎组和白垩系下统吐谷鲁群、上统东沟组以及第四系。目前勘查开发的主力煤层系位于中侏罗统西山窑组。

1.2 构造特征

矿区褶皱包括七道湾背斜(M6)、八道湾向斜(W7)、南阜康向斜(W5)。主要断裂有区域的碱泉沟-魏家泉逆断层(F8)、五家泉逆断层(F9)、碗窑沟逆冲断层(F2)、白杨北沟逆冲断层(F3)，在工作区东部和南部外围有红山嘴北-白杨北沟逆冲断层(F4)和妖魔山(F5)断层。其总体构造线方向为北东东向，与北天山褶皱带展布方向基本一致(见图1)。

图1 矿区构造纲要图

1.3 煤层特征

矿区煤层主要赋存于侏罗系中统西山窑组(J2x)地层及侏罗系下统八道湾组(J1b)地层中。目前矿区勘查开发工作的目标煤层为西山窑组的42～43和45号煤层。

含煤地层总厚812.78～917.33m，平均厚度856.10m，煤层自上而下编为2～46号，可归纳为27～28个层(组)。煤层(组)总厚度为334.87～414.01m，平均厚度362.51m。煤层有益总厚度为117.28～147.43m，平均厚度133.43m，含煤系数15.6%。可采煤层18～20个层(组)，可采总厚度102.26～127.80m，平均厚度117.11m，占全区总有益厚度的87.8%。

2 矿区气成分特征

2.1 参数井解吸气成分

4口参数井采样进行气成分测试的煤层分别为：乌参1井41、42～43、45号煤层，乌参2井27、38、40、41、42～43、45号煤层，WS-1参6～9、20～22、24、25、26、28、31、32、38～39、41、42～43、45号煤层，WS-2参38～39、40、41、42～43、45号煤层(见表1)。

表1 乌鲁木齐矿区各煤层气成分一览表

续表

(1)CH4浓度

20～22、28号煤层CH4浓度为50%～60%，25、26、31、32号煤层甲烷浓度为70%～80%，6～9、 24、40号煤层甲烷浓度为80%～90%；

38～39号煤层WS-1参甲烷浓度为54.12%，WS-2参92.42%；

41号煤层乌参1井甲烷浓度39.81%，乌参2井72.21%，WS-1参53.36%，WS-2参74.42%；

42～43号煤层乌参1井甲烷浓度60.06%，乌参2井32.48%，WS-1参58.87%，WS-2参79%；

45号煤层乌参1井甲烷浓度72.4%，乌参2井14.58%，WS-1参73.33%，WS-2参76.62%。

从图2可以看出，除了乌参2井多数采样点CH4浓度在50%以下外，其余参数井的煤层CH4浓度基本上都在50%以上。其中，WS-1参钻遇煤层最深，从WS-1参CH4浓度分布可以看出，随着深度的增加CH4浓度先减小后增大，但CH4浓度最低点也大于50%。

图2 不同采样点CH4浓度与深度关系对比图

(2)CO2浓度

6～9、20～22、24、25、31号煤层CO2浓度小于10%；26、28、32、40号煤层CO2浓度在10%～30%之间；38～39号煤层WS-1参CO2浓度为31.55%，WS-2参为3.27%；

41号煤层乌参1井CO2浓度为56.62%，乌参2井为21.08%，WS-1参为38.83%，WS-2参为13.6%；

42～43号煤层乌参1井CO2浓度为38%，乌参2井为60.49%，WS-1参39.06%，WS-2参16.17%；

45号煤层乌参1井CO2浓度为22.68%，乌参2井52.01%，WS-1参23.28%，WS-2参21.42%。

从图3可以看出，除了乌参2井多数采样点CO2浓度在50%以上以外，其余参数井CO2浓度基本都在50%以下。其中，WS-1参钻遇煤层最深，从WS-1参CO2浓度分布可以看出，随着深度的增加CO2浓度先增大后减小，在1000m左右(42～43号煤层)达到最大，约为40%。

图3 不同采样点CO2浓度与深度关系对比图

2.2 排采井口气成分

自2013年12月～2014年4月先后在井口采集了5次气样，进行了气成分的测试工作(见表2)。

表2 生产试验井井口气成分测试成果表

从表2和图4可以看出，矿区CO2浓度较高，WS-1井在排采初见气时即达到18.14%，WS-2井排采初见气时达到14.54%。随着排采工作的进行，CH4浓度逐渐变低，CO2解吸量越来越多，CO2浓度也逐步升高，说明CO2的吸附性强于CH4。同时，从WS-1井曲线还可以看出，2014年8月～12月这段时间内CH4浓度的降低幅度和CO2浓度的升高幅度明显小于前期，说明排采稳定后该区CH4浓度最低值可能在60%左右，CO2浓度最高值可能在30%左右。

3 CO2处理利用

目前，用于天然气CO2分离的方法很多，大体上分为化学吸收法、物理吸收法、变压吸附法等。

化学吸收法中应用最为广泛的就是醇胺法，而醇胺法中最具代表性的溶剂就是甲基二乙醇胺(MDEA)，具有凝固点低、蒸汽压低、溶剂挥发损失少，处理能力大、操作灵活、酸气负荷高等特点；物理吸附法的原理是通过交替改变CO2和吸附剂(通常是有机溶剂)之间的操作压力和操作温度以实现CO2的吸附和解吸，从而达到分离CO2的目的，国内化工厂应用较多的有多乙二醇二甲醚工艺(简称Selexol法或NHD法)；变压吸附法脱CO2工作原理是利用吸附剂对不同吸附质的选择性吸附和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力的变化而有差异的这种特性达到脱除的目的。各工艺均具有各自的特点和应用场合，下面就针对化学吸收法中的MDEA脱碳、物理吸收法(NHD)和变压吸附法(PSA)三种典型脱碳工艺的优缺点及国内应用情况进行对比，具体对比见表3。