烏魯木齊礦區(qū)煤層氣中CO2賦存規(guī)律及利用工藝淺析

雍曉艱 張 軍

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局,新疆 830091; 2.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊,新疆 830009)

1 地質(zhì)特征

1.1 地層特征

烏魯木齊礦區(qū)地層為侏羅系(J)、白堊系(K)、第三系(R)和第四系(Q)。自下而上的地層層序是：下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組，上侏羅統(tǒng)齊古組、喀拉扎組和白堊系下統(tǒng)吐谷魯群、上統(tǒng)東溝組以及第四系。目前勘查開發(fā)的主力煤層系位于中侏羅統(tǒng)西山窯組。

1.2 構(gòu)造特征

礦區(qū)褶皺包括七道灣背斜(M6)、八道灣向斜(W7)、南阜康向斜(W5)。主要斷裂有區(qū)域的堿泉溝-魏家泉逆斷層(F8)、五家泉逆斷層(F9)、碗窯溝逆沖斷層(F2)、白楊北溝逆沖斷層(F3)，在工作區(qū)東部和南部外圍有紅山嘴北-白楊北溝逆沖斷層(F4)和妖魔山(F5)斷層。其總體構(gòu)造線方向為北東東向，與北天山褶皺帶展布方向基本一致(見圖1)。

圖1 礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

1.3 煤層特征

礦區(qū)煤層主要賦存于侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)地層及侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)地層中。目前礦區(qū)勘查開發(fā)工作的目標煤層為西山窯組的42～43和45號煤層。

含煤地層總厚812.78～917.33m，平均厚度856.10m，煤層自上而下編為2～46號，可歸納為27～28個層(組)。煤層(組)總厚度為334.87～414.01m，平均厚度362.51m。煤層有益總厚度為117.28～147.43m，平均厚度133.43m，含煤系數(shù)15.6%。可采煤層18～20個層(組)，可采總厚度102.26～127.80m，平均厚度117.11m，占全區(qū)總有益厚度的87.8%。

2 礦區(qū)氣成分特征

2.1 參數(shù)井解吸氣成分

4口參數(shù)井采樣進行氣成分測試的煤層分別為：烏參1井41、42～43、45號煤層，烏參2井27、38、40、41、42～43、45號煤層，WS-1參6～9、20～22、24、25、26、28、31、32、38～39、41、42～43、45號煤層，WS-2參38～39、40、41、42～43、45號煤層(見表1)。

表1 烏魯木齊礦區(qū)各煤層氣成分一覽表

續(xù)表

(1)CH4濃度

20～22、28號煤層CH4濃度為50%～60%，25、26、31、32號煤層甲烷濃度為70%～80%，6～9、 24、40號煤層甲烷濃度為80%～90%；

38～39號煤層WS-1參甲烷濃度為54.12%，WS-2參92.42%；

41號煤層烏參1井甲烷濃度39.81%，烏參2井72.21%，WS-1參53.36%，WS-2參74.42%；

42～43號煤層烏參1井甲烷濃度60.06%，烏參2井32.48%，WS-1參58.87%，WS-2參79%；

45號煤層烏參1井甲烷濃度72.4%，烏參2井14.58%，WS-1參73.33%，WS-2參76.62%。

從圖2可以看出，除了烏參2井多數(shù)采樣點CH4濃度在50%以下外，其余參數(shù)井的煤層CH4濃度基本上都在50%以上。其中，WS-1參鉆遇煤層最深，從WS-1參CH4濃度分布可以看出，隨著深度的增加CH4濃度先減小后增大，但CH4濃度最低點也大于50%。

圖2 不同采樣點CH4濃度與深度關(guān)系對比圖

(2)CO2濃度

6～9、20～22、24、25、31號煤層CO2濃度小于10%；26、28、32、40號煤層CO2濃度在10%～30%之間；38～39號煤層WS-1參CO2濃度為31.55%，WS-2參為3.27%；

41號煤層烏參1井CO2濃度為56.62%，烏參2井為21.08%，WS-1參為38.83%，WS-2參為13.6%；

42～43號煤層烏參1井CO2濃度為38%，烏參2井為60.49%，WS-1參39.06%，WS-2參16.17%；

45號煤層烏參1井CO2濃度為22.68%，烏參2井52.01%，WS-1參23.28%，WS-2參21.42%。

從圖3可以看出，除了烏參2井多數(shù)采樣點CO2濃度在50%以上以外，其余參數(shù)井CO2濃度基本都在50%以下。其中，WS-1參鉆遇煤層最深，從WS-1參CO2濃度分布可以看出，隨著深度的增加CO2濃度先增大后減小，在1000m左右(42～43號煤層)達到最大，約為40%。

圖3 不同采樣點CO2濃度與深度關(guān)系對比圖

2.2 排采井口氣成分

自2013年12月～2014年4月先后在井口采集了5次氣樣，進行了氣成分的測試工作(見表2)。

表2 生產(chǎn)試驗井井口氣成分測試成果表

從表2和圖4可以看出，礦區(qū)CO2濃度較高，WS-1井在排采初見氣時即達到18.14%，WS-2井排采初見氣時達到14.54%。隨著排采工作的進行，CH4濃度逐漸變低，CO2解吸量越來越多，CO2濃度也逐步升高，說明CO2的吸附性強于CH4。同時，從WS-1井曲線還可以看出，2014年8月～12月這段時間內(nèi)CH4濃度的降低幅度和CO2濃度的升高幅度明顯小于前期，說明排采穩(wěn)定后該區(qū)CH4濃度最低值可能在60%左右，CO2濃度最高值可能在30%左右。

3 CO2處理利用

目前，用于天然氣CO2分離的方法很多，大體上分為化學吸收法、物理吸收法、變壓吸附法等。

化學吸收法中應(yīng)用最為廣泛的就是醇胺法，而醇胺法中最具代表性的溶劑就是甲基二乙醇胺(MDEA)，具有凝固點低、蒸汽壓低、溶劑揮發(fā)損失少，處理能力大、操作靈活、酸氣負荷高等特點；物理吸附法的原理是通過交替改變CO2和吸附劑(通常是有機溶劑)之間的操作壓力和操作溫度以實現(xiàn)CO2的吸附和解吸，從而達到分離CO2的目的，國內(nèi)化工廠應(yīng)用較多的有多乙二醇二甲醚工藝(簡稱Selexol法或NHD法)；變壓吸附法脫CO2工作原理是利用吸附劑對不同吸附質(zhì)的選擇性吸附和吸附劑對吸附質(zhì)的吸附容量隨壓力的變化而有差異的這種特性達到脫除的目的。各工藝均具有各自的特點和應(yīng)用場合，下面就針對化學吸收法中的MDEA脫碳、物理吸收法(NHD)和變壓吸附法(PSA)三種典型脫碳工藝的優(yōu)缺點及國內(nèi)應(yīng)用情況進行對比，具體對比見表3。

圖4 WS-1、WS-2井排采井口氣成分對比圖

表3 脫碳工藝方案對比表

根據(jù)上表對比分析， MDEA溶劑吸收法工藝在大型天然氣脫碳裝置中應(yīng)用廣泛，PSA變壓吸附法在小規(guī)模裝置應(yīng)用廣泛，而物理吸附法(NHD)尚未在國內(nèi)油氣田有應(yīng)用先例，鑒于以上因素，推薦具有實際工程應(yīng)用經(jīng)驗的、技術(shù)成熟的及適用于本礦區(qū)的PSA變壓吸附法脫碳工藝。

[1] 楊曙光、王德利，等. 新疆準南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣資源預(yù)探報告[R]. 新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心,2014年.

[2] 虞海澎,李翡,張偉,等.新疆準南煤田阜康市白楊河西礦區(qū)Ⅰ井田勘探報告[R].烏魯木齊:新疆煤田地質(zhì)局一五六隊,2006: 51-69.

[3] 虞海澎,李翡,張偉,等.新疆準南煤田阜康市白楊河西礦區(qū)Ⅱ井田勘探報告[R].烏魯木齊:新疆煤田地質(zhì)局一五六隊,2006:51-69.

[4] 曾憲軍,佟黎明,樊利強,等.新疆準南煤田阜康市砂溝井田勘探報告[R].烏魯木齊: 新疆地礦局第九地質(zhì)大隊,2007:28-53.

[5] 謝相軍,張偉,周梓欣,等.新疆阜康市白楊河礦區(qū)煤層氣地質(zhì)勘探報告[R].烏魯木齊:新疆煤田地質(zhì)局一五六隊,2015：146-156.