今天是: 2012年1月20日 星期五
 站内搜索
 
  技术交流
煤层气利用
发布日期:[2008-7-4]    共阅[430]次
    

煤炭形成过程中,在高压和厌氧的条件下生产大量气体,其成分主要是甲烷(85%以上),吸附在煤体上,成为煤层气,通常称为瓦斯。在煤炭开采过程中,由于煤体卸压,煤层气在煤体上的吸附平衡条件受到破坏,大量的煤层气就会释放出来。因为瓦斯爆炸和瓦斯突出事故是煤矿安全的最大威胁,所以瓦斯被认为是对煤矿开采最危险的有害气体。甲烷还是一种会产生强烈温室效应的温室气体,煤层气大量排入大气将导致气候变暖,影响全球环境。但是,煤层气又是洁净的高热值非常规天然气,是一种能源资源,如能综合利用,将会收到增加洁净能源供应,改善煤矿安全,保护全球环境等多重效益。

    下边,本刊将有关煤层气的情况和利用状况摘编如下,以供讨论。

    煤层气资源与开发利用现状

    中国煤层气资源丰富。按已探明的煤炭储量980Gt计算,以平均lt煤瓦斯含量5m3考虑,加上围岩瓦斯含量系数为20%,则全国探明煤田的煤层气储量约为5.88TCM。估计陆上煤田赋存深度在2000m以内的煤层的煤层气储量约为30-35TCM。中国煤炭总产量的95%以上为井工矿所生产,国有生产矿井的煤层地质条件比较复杂,多数煤层都含有大量的瓦斯。生产lt煤涌出10m3以上的高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井约占国有重点煤矿和地方国有煤矿的一半左右,它们的煤层气储量估计达300G m3以上。煤层气资源量较大且分布相对集中的地区有鄂尔多斯盆地、华北区、吐、哈盆地、准噶尔盆地、川南黔北含煤区、六盘水含煤区、伊宁盆地、四川盆地、三江、穆棱河盆地、萍乐区和湘中南地区等,这些地区集中了全国煤层所资源总量95%左右。

    20世纪80年代以前,中国对煤层气的抽取主要是考虑煤矿安全生产问题,在这方面已积累了近40a的经验。随着全球环境保护工作的需要及抽取方法和技术的不断完善与发展,现已形成适应不同复杂地质条件和开采条件的井下开采层、邻近层和采空区的煤层气抽取工艺技术,并在部分矿区采取地面钻孔、水力压裂技术预抽煤层气的试验。目前,中国已在11 8个高瓦斯矿井开展了煤层气抽取工作。近年来煤层气抽取利用量增加情况见表536。主要的抽放煤层气的煤矿有:辽宁抚顺、铁法,山西阳泉,四川松藻、天府、南桐、中梁山、芙蓉、贵州六枝、河南焦作、黑龙江鹤岗、鸡西等矿区。它们今后仍为中国煤层气排放工作发展重点。

    1992年的煤层气抽取量为534Mm3,只利用了400 Mm3左右,占80%。利用方式主要是供居民生活用燃料,其甲烷浓度在35%以上。其次,作为工业锅炉燃料和化工产品(碳黑、甲醛等)原料。此外,还建立了燃气轮机试验电站,进行煤层气发电试验。

    536中国煤层气抽取量的增长

年份

抽取矿井数/个

抽取量/Mm3

 1977

    58

    232

 1980

    102

    300

  1990

    llO

    430

 1992

    118

    534

 

    来源:高玉衡,中国煤层沼气的开发利用情况介绍,1996

煤层气抽放方法及其选择

  1、煤层气抽放方法

  (1)本层煤层气抽放

  中国煤矿中普遍采用的煤层气抽放方法是利用钻孔抽放本层煤层气。对于单一煤层,可在工作面顺槽布置钻场,向煤层打平行孔或扇形孔。此法钻孔速度快,费用低,但煤层气抽出率较低,一般仅为20%左右,如采用大直径平行长孔可提高抽出率。

    对于低透气性煤层,可采用下列强化抽出措施:高效率钻机,密集钻孔,强力抽放,以及人为卸压措施:水力割缝、孔卸压和松动爆破等。对透气较好的煤层,可采用地面钻孔,水力压裂等措施提高抽出率。

  (2)邻近层煤层气抽放

  在开采煤层后,其上部或下部的煤层与岩层会发生变形或断裂,其中的煤层气会通过这些裂隙泄出,涌人开采煤层的工作面。为了防止这种现象,需要随着工作面回采抽放邻近层的煤层气。通常利用工作面的回风副巷布置钻场,在工作面回来所形成的裂隙带内钻孑L,达到邻近煤层。在工作面推过钻孔一定距离后(10-30 m),开始抽煤层气,当工作面推到离钻孔较远时(100-200 m),抽出量下降,则停止抽放。如沿工作面推进方向打水平长钻孔(500 m左右)抽放上邻近层煤层气,既可解决目前邻近层抽放的钻场问题,又能减少大量的抽放工程量,显著增加抽放量。

537  煤层气抽放技术选择

  技术方案

    采空区抽放

    采前抽放

 

  抽放技术

    井下钻孔

    地面钻井

    井下钻孔

    地面钻井

 

    设备

 

    井下钻机

  普通地面钻机

    压缩机、泵

    和其它设备

    井下钻机

  先进地面钻机

    压缩机、泵

    和其它设备

 

煤层气质量

    中等质量

  甲烷浓度30%~80

  26707120kcalm

    高质量

  甲烷浓度90%以上

80008900kcalm

 

    用途

 

    井口电站

  进入天然气管道

    工业应用

    化工原料电站

  进入天然气管道

    工业应用

 

  技术状况

    现有技术

    一般技术

    现有技术

    先进技术

  所需投资

    较少

    较多

  抽出率

    50

    70

 

  应用范围

 

    广泛

  取决于技术、

  资金和矿区条件

来源:孙茂远等.中国煤气开发前景(联合报告)1995

    *lcal=41868J

  (3)采空区煤层气抽放

  中国多数矿井开采煤层群的采空区煤层气储量丰富,据部分矿的实际调查,约有一半的矿井采区的煤层气涌出量占矿井总涌出量的20-30%,少数矿井更高。采空区内煤层气一般聚集在冒落空洞的上方,最好从回风巷向冒落拱上方打钻孑L,抽出煤层气浓度较高。现已有许多矿井进行采空区抽放以减少空区煤层气涌入矿井通风巷道和利用能源,但目前抽放效果较差,主要原因是不能自动调节抽放负压,以至抽放煤层气浓度较低,或是由于监测手段不完善所致,因此需解决采空区煤层气抽放监控问题。

  (4)地面钻井抽放

  由地面钻井来开采煤层气与开采常规天然气不同,因为煤层储层透气性差,煤层气既不能富集,又不能自喷,因此需要在钻井中对煤层压裂或造穴激励,以提高产气量。出于地面抽放技术是大规模开发煤层气的基础,中国目前正在进行地面钻井开采技术的开发示范工作。

  2、抽放方法选择   

  选择煤层气抽放方法应考虑煤层赋存条件、采区煤层气涌出特点和采煤方法等,选择的基本原则有:

    (1)当采区甲烷涌出来源于开采层时,可用钻孔方法预抽开采层甲烷;

    (2)当甲烷来源于上下邻近层时,可用穿层钻孔抽放邻近层甲烷;

    (3)如果采空区聚集大量煤层气,则用水平长孔或地面垂直钻孔抽放采空区煤层气;

    (4)如果煤层透气性较差,不易抽放时,则需要进行卸压和压裂处理,再进行抽放;

    (5)如果煤层赋存较浅(100m),而地面又较平坦,可用地面垂直钻孔进行采前抽放。

煤层气的利用

中国到1993年底已建成投产煤层利用工程50余处,年利用量约400Mm3本世纪未,可能达到800Mm3或更多。已建设贮气罐总容量达650 Km3,输配主干线约620 Km,供气22余万户。同时还开发了瓦斯发电、生产化工原料、烧炉窑、锅炉等一系列工业生产项目。目前中国的煤层气利用主要是在矿区,通过短距离管道供应附近用户。作为民用主要是供居民炊事、采暖及公用事业用气;工业应用主要是矿区井通风流预热、热水锅炉、煤的干燥及通风空气预热,并有少量煤层气用于生产炭黑、甲醛等化工产品。

    为了扩大煤层气的利用范围,并代替常规天然气,需要提高煤层气的质量和保证气体的质量波动最小。主要的改善煤层气质量的方法是:加强监测和控制、增加采前抽放和进行气体富集。采用上述第一方法来减少生产过程中煤层气流的空气夹带是最经济的手段之一。如果要将煤层气压缩后进入天然气管道长距离输送,甲烷浓度要达到95%以上。高质量煤层气更适用于工业原料、汽车燃料和燃气轮机发电等用途。

煤层气抽放的成本估计

    煤层气的勘探开发技术的选择取决于煤田、煤层和煤矿的具体情况,因此各个煤矿的煤层气抽放利用成本会有较大的差异,而且,中国的煤层气开发利用还处于试验和示范阶段,缺乏经验,成本分析中会有较多的不确定因素,此处仅援引一些专家的估计数字。

    根据中国目前煤层气的钻井成本为1000元/m.煤层压裂成本为每层20-50万元,估算每口生产气井的投资约为1 20万元上下。文献对某煤矿的采煤后备区选取10Km2。的评价区块,进行较全面的经济评价,结果得出在15a服务期内煤层气抽放的平均成本约为461元/Km3。,如果开发区块扩大,成本可以降低。

    如果采用先进的技术和设备,达到较高的抽放率,抽放成本会大大增加。以辽宁铁法矿区大隆煤矿为例,采用先进钻机设备,增加钻孑L数目,改进钻孔质量,并采用膜分离技术在井下对采区抽出的低浓度煤层气进行浓缩。这样增加了抽放量,预计抽放率可达到50-60%。此项目投资估计为9130万元,年运行费估计为171万元,服务年限定为15a,社会贴现率取12%可推算出此项目的年费用为151 1万元/a。如果年抽放量为85-102Mm3a.甲烷的抽放成本为1480-1780 Km3。这一工程项目的煤层气抽放成本很高,其原因是要引进先进设备及仪器,如果美国生产的回转式水平长钻孔钻孔,孔底动力马达钻机,井下防爆型可移动膜分离CH4机以及定向水平钻孔墨守成规续测斜仪等,需要很高的投资。但由于实施了先进的抽放方式,保证了较大的抽放量和较高的抽放率。

    抽放煤层气作为燃料或原料,替代了煤炭,从而节省了开采煤炭的成本。如果煤层气中甲烷浓度为90%,相应的热值为8000kealm3(1cal41868J).或为114kgcem3,则煤层气的热值为147cekin3。原煤的开采成本设为100元/t,折合标煤为143元,t这样可以估计出减少煤层气甲烷排放的净成本及以煤层气替代煤炭作燃料时减少二氧化碳排放的净成本:

减少lkm3甲烷排放的净成本CE(CH4)

CE(CH4)=   1  [c(Gas)114c(coal)]

         COM

    式中,COM为煤层气中的甲烷浓度(体积比),此处取09C(Gas)l km3煤层气抽放成本,估计为430-750元/km3c(Coal)为每吨标煤的煤炭开采成本,估计143元/t。采用以上数据计算得到CE(CH4)大约为300-650元/t

  减少每吨二氧化碳排放的净成本CE(C02)

CE(CO2)=

 式中,EM(C02)是煤炭燃烧的C02排放系数: 0725t()tceEM(CH4)是甲烷燃烧的C02排放 系数0409t()tce。计算得到CE(C02)740-1630 元/t

    煤层气开发利用的障碍探讨

    中国政府主管部门已将煤层气开发利用列为 煤炭工业发展的战略性起步工程之一。早在1982 年,国家计委已将瓦斯利用工程列入国家节能工  程基建投资计划,1989年国务院将煤层气开发列为当前的产业发展序列目录中的重点支持基本建设的产业和产品,由国家安排投资贷款,并给予贴息。1994年煤炭工业部明确提出,把煤层气作为第二煤炭资源来开发,在《1994—2000年煤炭工业综合利用、多种经营、第三产业规划纲要》中作为发展重点。19965月,煤炭工业部、地矿部与石油天然气总公司组建了中联煤层气有限责任公司,统筹规划、集中力量进行煤层开发。然而,中国目前在煤层气的开发利用方面还存在着许多障碍,主要是:缺乏资金投入;缺乏先进技术和装备;还没有制定必要的、明确的、可实施的法规与政策与鼓励和保证煤层气的开发利用工作。

    我国煤田地质构造复杂,有些含煤区煤储层渗透性差,煤矿开采以井工开采为主,主要方法是长壁采煤,而且许多无烟煤煤田也有丰富的煤层气资源,为此必须根据我国情况探索建立煤层气勘探开发的技术体系。我国虽有40余的煤层气抽放经验,但过去只是为了保障安全生产,为了大规模综合开发利用,还需建立一整套开发利用的工业体系。这些建设工作都需要大量资金和先进的技术。为了加快煤层气的开发利用,解决资金来源和技术发展与引进,应尽快制定有关的政策法规,包括:国家将煤层气开发列为能源发展战略目标,确定开发战略重点;制定税收、价格、引进外资等方面的优惠政策,吸引多渠道投资;加强行业管理;加强国家对科研的支持,等等。煤层气开发利用作为减少温室气体甲烷排放的手段,在开发利用煤矿开采排放的瓦斯,因此上述措施与政策需与煤炭的建设相协调和共同推进。

 
打印此页】 【返回】【顶部
 
 
设为首页   陕西省城市燃气热力管理中心主办
    电话:029-87293456 87294590
加入收藏   陕西省建设信息中心技术支持