煤層氣資源現狀及開發技術研究

文丨黃珍珍

引言

我國是一個煤炭資源豐富的大國，煤層分布十分廣泛，全國的煤炭資源總量約為50479.26×108t，豐富的煤碳資源表明其中蘊藏著非常巨大的煤層氣資源。因此，加強對煤層氣的勘探和開采是偉大而艱巨的任務。

煤層氣的賦存狀態

煤層氣（又稱“煤層甲烷”、“瓦斯”）是一種儲集在煤層中的自生自儲的天然氣。煤層甲烷在煤儲集層中賦存的狀態有游離、吸附和溶解等三種。在煤化過程中生成的天然氣首先在煤炭中吸附，然后是溶解和解離析出。

游離狀態（自由狀態）的煤層甲烷存在于煤的孔隙、裂隙或空洞中，氣體分子在媒體孔隙內可以自由流動，煤層內的自由空間決定煤層甲烷的數量。當然，外界的溫度和壓力也會影響煤層氣的數量。

煤層氣的含氣量影響因素

煤層氣的含量主要由以下因素決定：首先，煤層氣的生成量和吸附量由煤的變質過程及煤質決定；其次，煤層的生成階段及后期演化階段煤層的儲集條件是由構造運動所控制；煤層氣的含量由蓋層的封堵能力所影響。

1.煤的組成

煤的組成指的是煤的顯微組分、灰分和水分。煤的組成不僅對煤的產油能力有影響，而且影響煤的孔隙特征、吸附能力和機械性能等。煤的物質組成控制著煤的吸附能力，若礦物質含量越高，其吸附能力反而會降低。在顯微組分中，殼質組和惰質組的吸附能力偏低而鏡質組的吸附能力最強，主要是鏡質組中發育有大量的氣孔，孔隙比表面積大所引起。

2.煤層的埋藏深度

煤層的埋藏深度是影響煤層甲烷的另一控制因素。煤層埋深對煤層甲烷的含量的影響實質是由于煤層埋深的不同，導致煤層甲烷所受的溫度和壓力的變化，壓力增大會使煤的吸附能力增強，但是溫度的升高卻會使煤的吸附能力降低。

3.煤層中的水分

圖1 煤階與蘭氏關系（據張意，2010）

如果煤層中水分增加，那么其吸附能力會降低，但當水分量大于某個臨界值時，吸附能力將不會隨著水分的增大而改變，這個值為臨界水分值(Mc) 。Joubert 對煙煤的研究建立了以下經驗公式：

式中: Vd、Vw分別為一定溫度壓力下甲烷和水的體積，cm3；m 為水分，%；C0 為系數。

當煤被水飽和時，即m≥mc時:

式中：X0為煤中氧含量，可見m≥mc時Vd與含氧量有關。

4.煤階

煤階代表了煤化作用中能達到的成熟度的級別，由于深埋影響溫度的改變可以引起煤階的改變，煤階影響煤層飽和狀態，可通過測量最大的鏡質組反射率，揮發物質的百分比或煤中碳的百分比來確定的。

煤層氣含氣量隨煤階的增加呈現出急劇增高-緩慢增高-急劇增高-急劇下降的階段性演化特征。眾多研究表明，隨煤階增高煤的吸附能力會相應增強。在煙煤和無煙煤階段( R0max ＜ 5%) ，當R0max增大時總孔隙度會增高。在小孔隙中，煤中孔隙的比表面積會隨之增大。由于煤的分子排列是從無序到有序，由小分子到大分子，煤的表面物理性質發生了變化，煤分子與CH4分子間引力(范德華力和色散力)增大，煤對CH4的吸附能力隨之增強（圖1）。

5.蓋層的封閉能力

蓋層對煤層氣的封存機理與常規油氣的基本相同，即蓋層的排替壓力越大，其封閉性越強。能有效地阻止煤層氣散失的蓋層為有效蓋層。蓋層的封存能力并不是絕對的，當儲層壓力大于排替壓力時，便可能成為無效蓋層。孔喉半徑是蓋層封閉能力的主要因素。蓋層的宏觀封閉性還要與其巖性、厚度、分布范圍和連續性、韌性等因素有關。

提高煤層氣的采收技術

我國煤儲層具有低壓（壓力系數低于0.8）、低滲（小于1×10-3um2）、低飽和度（小于70%）和非均質性強等特點, 煤層氣的開采技術面臨著難題，因此提高煤層氣的采收技術顯的特別重要。以下為提高煤層氣采收率的幾種技術。

1.注熱技術

向煤層中注入水蒸汽來實現注熱開采煤層氣。熱量作用下，煤體、擴散至裂隙的煤層氣的性質會發生變化。如果溫度升高，煤體會發生膨脹，孔裂隙受到擠壓后會發生變形，影響CH4氣體在其中流動。當CH4氣體吸熱，動能、活性、解吸能力都會增強，煤層內吸附平衡遭到破壞，解吸率升高，CH4氣體會從煤層表面解吸擴散至裂隙，從而使煤層裂隙中的氣體濃度升高，由于濃度梯度和壓力梯度增大，CH4氣體由裂縫系統流至井筒，從而煤層氣產量增加。二者共同決定煤層氣的產量。在開采過程中，可以先對煤層進行壓裂，然后向煤層中注入熱量，這樣可增加煤層氣的產量。

2.煤層壓裂技術

煤層壓裂技術目前可以有效的提高煤層氣的開采效率。由于人工壓裂形成誘導裂縫降低、消除了煤層的近井眼傷害，煤層中的天然裂隙系統增強，有效“井眼半徑”和煤層氣解吸滲流面積擴大，井眼穩定性得到加強，井眼周圍形成了有效的煤層氣滲流通道，從而提高煤層氣的采收效率。

煤層氣井與常規油氣井在水力壓裂技術方法和壓裂結果上的相似及差異性。由于煤的力學性質導致其形成短而寬的裂縫。所以在進行壓裂設計時需綜合原地應力、壓裂液、支撐劑、鉆井、測井、完井等方面的因素，設計出合理的方案來有效的提高煤層氣的采收效率。

3.氣體驅替技術

CO2、N2或CO2與N2的混合氣可以用來驅替煤層氣，由于氣相的存在，既可以利用低吸附能力的N2降低甲烷的壓力，也可以利用CO2的置換作用來提高甲烷的采收率。

氣體驅替煤層氣技術：①注入CO2提高煤層氣采收率，稱之為二氧化碳-氣體驅替技術；②注入N2降低CH4壓力。

4.聲震法

聲震法提高煤層氣采收率技術：①聲場促進煤層氣在煤層微孔中解吸—擴散；②聲場促進煤層氣在空裂隙系統中滲流。

聲場促進煤層氣的滲流主要表現為：聲場可以提高煤層的溫度，改變煤層溫度分布，促進煤層氣的解吸和擴散；聲場在煤層中存在明顯的衰減，在其衰減范圍內，聲場對煤層存在機械振動、機械損傷和熱效應，可以大幅度提高煤層的滲透率，降低煤層的應力，促進煤層氣在孔裂隙中的滲流。

結束語

我國的煤層氣資源十分豐富，我們需要根據煤層氣的性質和與常規油氣的差異性，采用有針對性而且完善的技術來開采煤層氣，利用新型資源來滿足我國的工業發展的要求，來促進我國經濟的發展。