煤层气开采技术应用现状及改进策略

霍 轩，石 璐，刘 超，杨小平

（1.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西忻州 036600；2.渤海石油装备公司采油装备公司，天津 300280；3.中石油煤层气有限责任公司韩城分公司，陕西渭南 715400）

0 引言

煤层气又称为煤气层甲烷，是一种常规的天然气体，用途广泛且热值较高，是不会释放有害气体的天然燃料。煤气层的成分以甲烷为主，还包含一些游离在煤孔内或溶于水蒸气的烷烃混合气体，在化学生产中可以用来合成氨。随着新能源与化工原料的开发，高效利用煤层气，可以获得更高的经济收益，同时还能起到保护环境、净化空气的作用。在煤层气的开采过程中要避免气体的直接泄漏，因为气体一旦遇到明火就会发生爆炸，给施工作业人员带来生命危险。

煤层气的开采有利于优化我国能源结构，起到保护环境、促进煤矿安全生产的作用。当前我国的能源供应紧张，正处于由煤层气资源大国朝着煤层气生产大国转型的关键阶段，尽管勘探开采工作获得了一定进步，但是要实现高效率开采还要解决更多的问题。煤层气的采收率是计算煤层气可采资源量的重要依据，有利于实现煤层气的增产，减少温室气体排放，并节约煤层气开采的成本，实现煤层气的产业化发展，为煤层气开采获得更高的经济效益创造条件。

1 煤层气及煤层气的优点

煤层气的主要成分是甲烷，是煤的伴生资源，煤层气的燃值相对较高，是煤的2～5 倍。煤层气与天然气有着相同的燃值，因此也被称为非常规天然气。煤层气也被称为瓦斯，如果在开采的过程中不加以控制，容易造成瓦斯爆炸，导致煤矿开采事故的发生，危害作业人员的安全。但是煤层气也属于清洁型的能源，开采和利用的价值非常大。煤层气在使用时通常与天然气混合使用，基本上不会产生废气，可以缓解我国能源供应紧张的局面。煤层气在商业化应用以后可以获得更高的经济效益，对促进我国国民经济的健康发展有积极作用。

我国煤炭的储存量巨大，但是由于人口基数大，因此人均煤炭占有量相对较低。煤存储在地层比较深的位置，在多年地壳运动的环境下，煤层气也面临着存储压力泄漏、存储位置不连续等问题，加大了煤层气的开采难度。从天然气资源分布方面来看，我国拥有着广泛的天然气资源，分布集中且广泛。受地壳运动等影响，我国天然气的采集限制性因素较多，难以提升采集的效率。从煤层气资源分布方面来看，煤层气与煤炭的分布位置相近，煤层气主要存储在靠近地表的区域，采集起来更加容易。

煤层气开采可以充分利用其热值高的特点，降低煤炭开采事故发生的概率，实现煤层气资源利用的最大化。科学合理的开发和利用煤层气，有利于缓解资源供应紧张的局面。

2 常用的煤层气开采技术

与发达国家相比，我国的煤层气开采技术还存在不系统、不完整的问题，加强对煤层气开采技术应用现状、开采现状、改善现状的技术创新研究，有利于提升煤层气开采利用的效率。

2.1 降压开采技术

煤层气的降压开采技术主要是通过降低压力而引起煤层气层稳定状态失衡，继而从中抽取煤层气。在进行煤层气开采时要先对下伏游离的煤层气进行开采，在游离气体减少的环境下，煤层孔隙吸附的煤层气与煤层之间的平衡会不断丧失，继而使煤层气开始朝着游离煤层的方向转移，有利于将煤层中的煤层气释放出来。降压开采煤层气的方法无法控制热量的损耗量，因此可行性较高，利用起来简单、高效、经济实惠，然而如果采用单一的降压法来开采煤层气，会花费较长的时间。

2.2 水力压裂技术

煤层气存储的孔隙度和渗透的效率相对较低，因此容易出现地层压力不足的问题，如果单纯地采用抽汲开采煤层气的方法难以获得最佳的效果，煤层气的产量相对较低。为了降低水平井技术应用的难度，可以采用压裂技术来提升煤层气的产量。水平井技术尤其是应用在分段水平井上所消耗的经济成本巨大，不过压裂技术可以克服这一问题，因而成为煤层气开采的重要技术。

2.3 定向羽状水平井技术

定向羽状水平井技术指的是在水平井眼两侧钻出多个分支井眼，将其作为重要的泄气通道。羽状分支水平井是在主水平井眼两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道，分支井可以穿越更多的煤层隔离裂缝系统，从而最大限度地沟通裂缝的通道，提高泄气面积与气流的渗透率，使煤层气进入到主流管道内，从而增加单井煤层气的产量。

2.4 多元气体驱替技术

多元气体驱替代技术指的是以注气的方式来提升煤层的地层能量，有效改变压力传导的特性并进一步提升气体的扩散速率，从而实现增加单产量和采收率的煤气采收目标。

3 煤层气开采技术的应用现状以及问题

煤层气开采的作用在于可以提升煤层自身的稳定性，避免开采过程中出现污染、强烈干扰等问题，还有利于改善煤储层的渗透性，增加煤层气的导流能力。煤层气开采技术的应用可以加大煤层气解吸的效率，提升煤层气的采收率。经过多年的发展，我国的煤层气开采技术不断发展和进步，在开采过程中获得了良好的采收成效。但是我国的煤层气开采条件相对较差，现有的技术难以有效满足煤层气开采的需求，为了提升煤层气开采的效率，未来还要进一步开发能够降低煤层气成本，增加煤层气开采的新技术。下面对当前煤层气开采过程中出现的问题进行详细的分析和阐述。

3.1 钻井成本偏高

煤层气开采的成本构成中，钻井所消耗的费用几乎占用了煤层气开采成本的1/2。虽然欠平衡钻井技术的优点诸多，但是选择怎样的钻井液还需要进一步的研究和分析。通常空气、泡沫等钻井液适合应用在浅部的煤层。深部煤层在开采时适合应用泥浆钻井技术。然而如果钻井技术操控不当容易对煤层构成不必要的污染，继而对煤层的渗透性构成不利的影响。为了有效降低钻井消耗的成本，要保证钻井的效果，提升钻井的质量[1]。

3.2 垂直井技术的局限性

我国的自然地理条件复杂，在进行煤层气的开采时也面临着垂直钻井技术不满足实际需求的状况采用裸眼洞穴完井技术的优势在于应用效果好、成本低，但是该技术更适合西方国家，与我国的煤层气分布与开采现状不适应。裸眼洞穴完井技术适合应用在煤层渗透率高、地应力小、煤层顶底板稳定、煤储层强度大等区域，否则容易导致洞穴出现塌陷，导致煤层气的运移通道受到堵塞，继而导致煤层气运输的风险加大，不利于对煤层气后期的运营进行管理和维护[2]。

3.3 水力压裂技术存在一定的局限性

在煤层气开采的过程中，水力压裂技术增产是常见的技术，因为煤自身的质感偏软，因此将支撑剂嵌入到煤中，可以减少孔隙闭合的概率。但是如果是遇水膨胀的煤层，则容易使煤层在水力压裂以后出现渗透率下降等问题。选择其他的压裂液也面临着性能高、污染低、成本低等问题。在我国的多数地区，煤层的特性是含水量比较少，压裂液的排放率较低，则容易污染煤层。在排采过程中，如果无法对煤层排采过程进行控制，则会造成煤层存储的压力增大，不利于提升产气的速度。在煤层开采过程中，还容易产生大量的污水，如果污水处理不当则会对区域的自然生态环境构成影响。目前应用水力压裂技术的机械设备大多需要从国外进口，因此成本较为高昂。

3.4 缺乏合理的煤层气开采方案

煤层气的成藏原理比较复杂，在不同开采区域，煤层气的存储状态是不同的。通常采用固定的煤层气开采方案，选择同等的布井方式，无法对不同地质条件的煤层进行煤层气的开采。通过定性和定量分析煤储层的气体分布、含水状态、压力状态等，可以制定出与煤层气布井匹配度更高的开发方案。

4 煤层气开采技术改进的方法分析

4.1 强化煤层气勘探开采理论研究

煤层气与常规的油气、固体煤等不同，煤层气是以气源和储层同层的煤层吸附气体为主。煤矿勘探的重点在于寻找盆地边缘浅煤层、低瓦斯突出区和无水区，开采的深度超过600 m。这种方法找到的煤层气含量较低，主要以游离气为主，瞬时的产量比较高。常规的油气勘探重点是找到构造比较高的点以及无水区域，该种方法找到的煤气层存在含水量低的问题，煤气层开采效率较低。从我国煤层气井的现状来看，超过一半的煤层气井属于乱打井占地盘，因此勘探开采的效果不理想。为增强煤层气勘探和开采的效率，要选准煤层气勘探与开采的目标。

4.2 深化煤层选区的评价研究

在进行煤层气的勘探时要确定好勘探的思路与方案，国外煤层气勘探在大区评价上主要是对勘探区域的地形、地质条件以及资源量等因素进行调查。在目标评价方面，主要是对煤层埋探、渗透率、构造条件等进行分析。结合我国煤层气分布的特点可知，在对全国进行大区的评价以后发现，我国煤层气勘探的重点区域位于华南、华北等区域，且华北地区的煤层气勘探面积较大。为提高煤层气的开采效果，要深化煤层选区的评价机制，重点勘探开采有利的区域。

4.3 创新升级已有技术或者开发全新技术

我国的煤层气开采技术水平还需要进一步提升，通过对当前已有开采技术进行改良，可以获取适合我国煤层气开采的有效技术。为此我国要加强煤层气开采技术的创新，结合我国煤层气分布与开采的现状，探究提升煤层气开采效率的有效方法。在新技术的引进上要结合煤层气开采的特点与实际情况，同时国内还应加强新技术的研发力度，结合地理情况来开采煤层气，继而提升煤层气的开采成本和开采效率。

4.4 积极探索增产的新技术

在开采煤层气时还可以引进固氮酶增产技术，该技术主要是结合生物科学的方法来制备固氮酶，酶可以被送到地下天然或者人工产出的裂缝中，固氮酶的转化率高、存活时间长，对煤层的污染较小，可以提升煤层气的开采量。多级强脉冲加载压力技术是开采石油和天然气时常用的压裂技术和方法。多级强脉冲加载压裂技术的工作原理是在预先射孔的技术经常应用燃烧释放的高压脉冲波，使其沿着射孔实现煤层气的有序传递，并由此而产生良好的压裂效果，在煤层内形成多条裂缝，从而形成裂缝体系，增加煤储层的渗透率。与水压裂技术相比，多级强脉冲加载压裂技术的可靠、成本消耗低、操作简单、适用性更强。煤本身的质地较弱，在缺乏支撑剂的环境下会对煤层产生一定的压裂，容易导致裂缝出现重新闭合的现象。另外，“虚拟产层”技术指的是将煤层的顶板或者底板当作虚拟的产层，通过同时压裂煤层与围栏，继而获得良好的煤层气开采量。煤层围岩与煤气本身存在较强的可压裂性，增加压裂效果。围岩在压力以后所产生的缝隙会延伸到煤层中，降低围岩压裂以后产生缝隙的概率，从而提升煤层裂缝的稳定性。

5 结束语

我国的煤储层的低渗透率、低储层压力等导致煤层气开采的效率较低，传统的开采技术存在煤储层渗透性低的问题，难以提升渗透率，导致煤储层的煤气开采成本高、风险系数大，因此需要开采部门严格控制煤层气的开采过程。在我国当前的地质状况下，采用新型的煤层气开采技术克服煤层气开采中存在的困难，有利于提升煤层气开采的效率。