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怎样开采煤层气

发布时间:2017年11月23日
来源:中国矿业报社 作者:迟焕鹏

煤层气,俗称“瓦斯”、“煤层甲烷”,是主要存在于煤层中、以甲烷为主要成分的烃类气体。煤层气以游离态、吸附态和溶解态三种状态存在于煤层中。

煤是由煤基质、割理和孔隙构成,里面有气体和水。煤基质就是煤的主体,一般呈块状,里面有许多肉眼无法看清的孔隙,有的互相联通,有的是闭合的“死胡同”。割理是较大的煤层裂缝,由于呈交错纹理状,所以称为割理(见图1)。


 

1 煤层表面结构


    游离状态的煤层气以自由气体状态赋存在煤层的割理、裂缝、孔隙中,在压力差的作用下可以自由运动,游离气占煤层气的10%~20%。溶解在煤层水中的气体称为溶解气,数量很少,在5%以内。大量的煤层气是以吸附状态吸附在煤的内表面上,这种吸附是物理吸附,这部分煤层气占70%~95%。
    除了吸附、游离的煤层气外,煤层割理、微小裂缝、孔隙中被水充填,正因如此,需要先把水排出,然后天然气才能开采出来。既然煤层气存在于煤层之中,我们要想开发利用煤层气,需要从产煤的地区筛选出煤层气量大、容易开采的地方。地质学家通过分析关于煤层各种性质之后优选更加有利的地区,这是中国地质调查局的工作之一,后期企业再对煤层气进行开采。


 

2 钻井过程


    开采的方式主要是通过从地面向地下钻井,也就是在地下挖掘出一个通道或井眼,方便天然气流到井中,然后再从井中抽采到地面,这个形成油气流动通道的过程就叫做钻井。

    2表示的是钻井过程,依靠钻机提供的驱动力带动钻杆和钻头转动,钻头逐次向下破碎岩石,形成一个井眼。钻头在破碎岩石的同时,通过空心的钻杆向井底注入一种掺杂好多化学材料的液体(即钻井液),将钻头破碎的岩石碎屑从钻杆和井眼的空间中携带至地面。因此钻井的过程就是钻头破碎岩石,钻井液通过循环流动不断携带出岩石碎屑,形成井眼的过程。在钻头钻达目的地之后需要向井眼中下入一种无缝钢管(套管);并在套管与井眼的环状空间内注入水泥将套管固定在井壁上;最后一道工序是在煤层的位置,将套管、套管外的水泥和地层用炮弹或者别的方式打开,人为地形成连通地层和井眼,便于煤层气流进井里面的通道(见图3)。


 

3 煤层气流入井筒过程


    要想让煤层气从煤里面流到井里,需要经过三个过程:排水降压解吸、气体扩散、流入井筒(见图4)。

 

4 煤层气解吸扩散的过程


    一步是排水降压解吸。由于煤层气吸附在煤的表面上,而煤的孔隙、裂缝中充填的是水,煤层气无法脱离煤的表面,因此,需要先将煤里充填的水排出,气体分子没有了水的“压制”,就可以从煤的表面上脱离,这就叫做“解吸”,脱离后煤层气进入到煤的孔隙中。

    第二步是扩散,由于从煤表面脱离下来的煤层气越来越多,好多小的孔、缝里煤层气的浓度越来越高,就会从浓度高的地方扩散到浓度低的地方,最后裂缝、孔隙中都充满了煤层气。

    第三步是煤层气从煤的裂缝中流入到井筒。由于上一步的扩散作用,煤层气最终汇入大的裂缝中,最后就从大的裂缝流入到与其相连的井筒中。

    水力压裂是煤层气增产的主要方法,即通过水的力量和压力将煤层及其上下的泥岩砂岩压开,使其产生裂缝,沟通离井眼更远地方的煤层气储气层。因为通过钻井,井眼和煤层连通,井筒附近的煤层气易于流入井眼并抽出地面,但毕竟储气量有限,而远处由于裂缝、孔道细小狭窄,煤层气解吸运移较为困难,导致产量有限。因此,需要利用水力压裂来增大原有的裂缝、沟通狭窄的孔道,形成复杂的裂缝网络,沟通远处的储气层,使煤层气都能跑到宽大的裂缝中,最后流入井眼“条条大路通罗马”。总之,道路越通畅,储气量越大,气流量就越大,水力压裂的作用就是如此(如图5)。


 
5 压裂裂缝网络示意图


[责任编辑:dc]

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