浅析我国煤层气的应用与发展

随着世界原油不断减少，世界常　

规能源供给形势日益严峻，国际上逐　渐把发展非常规能源作为新世纪能源　发展的主要议题。煤层气的开发具有　

热值高、污染少、安全性高的特点，　

完全可以成为石油和天然气等常规能　源的重要补充。世界上很多国家逐渐　

开始重视煤层气的勘探和开发试验，　并积极开展发达国家的地面钻井开采　

技术，在煤层气资源的勘探、钻井、　采气和地面集气处理等技术领域均　

取得了重要进展。我国埋深在２０００米　以内的煤层中含煤层气资源量达３０万　

亿～３５万亿立方米，是世界上第三大　煤层气储量国，煤层气开发前景非常　

可观。然而，由于种种原因，我国煤　

层气的开发和利用规模普遍偏小，所　以合理加强煤层气的综合利用，对我　

国的资源建设有积极的作用。　

煤层气的成因和分类　

煤层气是在煤的变质作用过程　中不断生成的。煤在变质作用中产生　

的甲烷分子被吸附在煤体的表面。吸　附甲烷量的多少决定于压力、温度和　

煤质，即在一定的温度、压力条件　下，甲烷分子主要以单分子层状态吸　

附干煤体的细微孔隙表面，并和微孔　

隙中的游离甲烷分子处于不断交换的　动平衡状态。由此可知，游离甲烷的　多少，取决于煤的孔隙度、温度和压　

资源导刊２０１　０／１　２　力。当遇到外界条件发生变化（地壳　运动、岩浆活动）时，这种平衡就会　

被打破，若继续沉降使煤热演化继续　进行，煤层含气量增加；或地壳抬　升，使煤的热演化终止，甲烷不再产　

出；当煤层抬升接近地表遭受风化　时，所有气体将散失干净。　

纵观国外已有煤层气开发的生　产实践和我国开发试验的经验教训，　

可以认为不同成因的煤层气田的开　发，会存在一定的差别。分类划分得　

当对指导煤层气地面开发选区和开发　方式、方法的运用均有一定的指导作　

用。现参考煤田地质学理论中煤变质　类型的分类，结合煤层气的生成、赋　

存等条件，将煤层气田初步划分为深　层成因的煤层气田、岩浆热成因的煤　

层气田、挤压成因的煤层气田三类。　

国内煤层气开发利用现状　

当前，国际能源局势趋紧，我国　煤矿安全生产形势严峻，能源消费结　构很不合理，ｌ９９９年煤炭约占６８％，　

石油占２３％，天然气仅占２．６％，天　然气在能源结构中的比例远远低于世　

界平均水平（２４％）。为了实现能源与　

环境的可持续发展，我国急需实施以　优质能源为主的能源发展战略，合理　调整能源结构，增加天然气在一次能　

源消费中的比重。煤层气有望成为接　替煤炭、石油和天然气等常规能源的　新能源资源。目前全国瓦斯发电的总　装机容量为９万千瓦，而规划或正在　

实施的瓦斯发电项目装机容量接近１５　万千瓦。其中，山西晋城煤业集团在　

建的煤层气电厂计划装机ｌ２万千瓦，　

是世界上目前最大的煤层气发电厂。　

开采煤层气的技术方法　

生产布局　煤层气开发的生产布局与常规　

油气有较大差异。当煤层气开发选区　

确定以后，在钻井之前，就应进行地　面设施的系统设计与布局。在确定井　径、地面设施与井筒的位置关系时，　

应综合考虑地质条件、储层特征、地　

形及环境条件等因素。一个煤层气采　区包括生产井、气体集输管路、气水　

分离器、气体压缩器、气体脱水器、　

流体监测系统、水处理设施、公路、　办公及生活设施等。只有各部分密切　

配合，才能使煤层气生产顺利进行。　井筒结构　煤层气开发的成功与否井底起　

着重要作用，一般井筒应钻至最低产　层之下，以产生一个口袋，使得产生　气体在排出地面之前，在此口袋内汇　集。煤层气生产井的结构是将油管置　

于套管之内，这种构型是由常规油气　生产井演化而来的。这种设计还可使　

气、水在井简中初步分离，从而减少　

地面气、水分离器的数量，并可降低　井筒内流体的上返压力；一般情况　下，产出水通过内径为１０ｒａｍ或２０ｒａｍ　的油管泵送至地面，气体则自油管与　

套管的环形间隙产出。除排水产气　外，井筒的设计还应尽量降低固体物　

质（如煤屑、细砂等）的排出量。井底　口袋可用上收集固体碎屑，使其进入　

水泵，使地面设备的数量降至最低。　在泵的入ＦＩ处，可安装滤网，减少进　

入生产系统中的碎屑物质。另外，在　操作过程中，缓慢改变井口压力，也　

有利于套管与油管环形间隙的清洁，　降低碎屑物质的迁移。　气水地面集输与处理　地面气水分离。在煤层气生产　井中，将油管置于套管之内的设计可　实现气、水的初步分离，但在泵送至　

地表后，还需经地面分离器进一步分　离，分离的气和水分别进入集气管线　和水处理系统，同时还应除去流体中　固体颗粒物（煤粉、细沙等）。一般采　

用低压、高压两种分离方式。（１）　低压分离。常用的分离器有常规两相　

分离器，脱水器和在线水分离器。两　相分离器为一个内部装有挡板的大容　

器，从井中排出的流体从两侧进入分　离器，分离出的气体自顶部排出，当　

容器中水位升至一定高度时，通过一　

个自动阀门Ｉ：１底部流出。该分离器的　缺点是分离出的气体仍含有较多水　

分，需进一步纯化。另外，在不增加　上返压力的情况下，井下泵不能将排　

出的水全部送至各处系统。脱水器可　有效地去除套管气流中的水分，但不　

能收集水流中的气体。在线水分离器　是颇为有效的二次分离器，可置于管　

线中两相分离器之后。该装置采用离　心分离，使水分流至洼坑，气体继续　

沿管线流动。使用该分离器可有效去　

除气体中的水分，但不能处理大量水　流和去除进入气体中的固体颗粒物。　

（２）高压分离。部分生产井需要两　次分离，第一步，高压容器从流体中　

分离出气体；第二步，低压分离，从　石油中分离出水。虽然一般采用重力　分离设备，但煤屑过多会对设备产生　

严重影响。需要针对不同情况采取相　

加措施。例如，常规的水雾分离器可　被细微灰尘堵塞，可使用脉型或其他　

水雾分离器代替。为避免大块煤堵塞　底部阀门或其他接口，可使？６ｒａｍ阀　门代替５０ｒａｍ阀门。中等煤屑通常处　

于气饱和状态，漂浮于分离器的气、　水界面上。分离器中分离的气体通过　

一个药盒型过滤装置，以免在后来脱　水、压缩或进入气表时产生问题。气　

体还需经滤网过滤．以免破坏水处理　没备。　集输系统。集输系统的作用有　二：一是利用最经济的方式将气体从　

井门输送至中央压缩站；二是从环保　与经济效益的角度，妥善处理排出　

水。在铺设管线时应充分考虑地形和　地面设施，输气管道不宜铺设在低洼　处，而输水管尽量不要架设在高处。　

但如果无法避免这种情况，应安装气　

压缓解阀，以免水回流至井口。　气体处理与压缩　

进入销售管线的煤层气，一方面　应符合管道气的成分标准，另一方面　应有足够的压力。因此，从气水分离　

器分离出来的气体，需经进一步处理　

和压缩。　

开采煤层气需要注意哪些问题　

煤层气开采中水的处理　

水是煤层气生产的副产品，其　净化和处理费用在日常操作中占相当　

大的比重。合理设计水处理系统，是　决定煤层气开发成功与否的主要因素　

之一。水的处理方法和费用取决于排　水量和水质特征，在设计水处理系统　时，应首先根据临近生产井的排水情　况或煤层渗透中水文资料估算煤层的　

产水量，还应考虑到生产过程中不同　

阶段排水量的变化。　产出水杂质分类。煤层产出水　

是一种含有溶解盐、溶解气体、非水　液体和固体颗粒等杂质的多相体系。　其中杂质可分为五类：固体颗粒、胶　

体、分散油和浮油、浮化油、溶解物　

质。　水处理方式。在美国煤层气生产　中，最常用的产出水处理方式是排入　

地表水系和注入深井，其他方法包括　土地灌溉、蒸发、水力压裂时重新利　

用等，反渗透方法正处于试验阶段。　煤层气开采中设备减少故障的方法　

减少泵的故障。可通过以下途　径减少泵的故障：增加井下气水分离　量，排采量相匹配，减少排水管线的　上返压力，减少泵的扭矩。　

在操作过程中，注意了解每天　

的运行状况，实行动态管理，根据生　产过程中出现的变化，采取相应的措　

施。掌握上次维修时间、泵速、产生　故障的原因，对提高工作效率，延长　使用寿命等大有意义。　

降低抽油杆的故障。通过调节泵　速和冲程长度，减少应力集中，可减　

少抽油杆的脱离次数。另外，合理选　择抽油杆的尺寸，安装时注意力矩适　

中以及钻井时尽量减少偏离等，都可　降低抽油杆的故障。　

减少固体物质引起的故障。在　

完井和操作过程中，采取一些措施，　可降低因固体颗粒物引起的故障。例　如，钻进３０～６０ｍ深的凹坑，使生产　

过程中产生的固体物质沉于其内，而　

不随产出水一起泵送。不在煤层中实　施完井，从煤层顶板或底板开始压　

裂，进而向煤层渗透，仍然从煤层中　排气，可大大降低维修费用。例如，　

在岩溪煤层气开发项目中，５号生产　

井采用此方法压裂，一直持续稳产　２．５年，与其他生产井每年维修３～４　

次形成了鲜明对比。操作过程也会影　响固体物产率，井投产前期做好准　

备，减少压力波动，以免引起激流，　将会减少自裂流入井筒的碎屑量。　总之，我国煤储层的发育状况、　煤层的含气特征、煤层的渗透性等，　

在地域上的分布是很不均衡的。煤层　气分布的不均衡性，加上区域经济　

因素，就造成了当前我国煤层气勘　

探开发工作在地域上的不平衡发展。　因此，研究和总结我国煤层气在区域　分布方面的规律性，合理进行煤层气　

资源分布区划，对于从宏观上阐明资　源分布特征，分析煤层气勘探开发态　

势，指导未来煤层气勘探开发工作都　将具有重要意义。圉（作者单位：辽　宁工程技术大学采矿工程系）　

ＺＩＹＵＡＮＤＡＯＫＡＮ＿