世界上煤层气的应用现状和研究进展

世界上煤层气的应用现状和研究进展

煤层是煤层中的主要成分，主要是吸附在煤基质颗粒表面的碳氢化合物，其中一些气体被游离在煤孔或潜入煤层中，通常被称为“砖瓦”。煤炭资源的开采给我国经济的发展做出了巨大贡献的同时,也给自然生态环境带来了严重的破坏,甚至给人们带来身体健康的威胁和生命的危险。近年来,由于人为管理不善带来的煤矿瓦斯事故已渐渐成为社会问题而被广泛关注。据统计:我国煤矿发生的重、特大生产事故中,80%以上都是瓦斯事故。我国高突矿井占矿井总数的46%,每年因瓦斯爆炸死亡约2000人。2004年10月至2005年4月,4起特大矿难死亡626人。据近15年的资料统计,煤矿生产事故直接经济损失超过500亿元。建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2356人,为煤矿总死亡人数的40%。为了提高资源利用率、发展循环经济、保护环境和人类社会的可持续发展,钱鸣高院士和缪协兴教授等率先提出了煤炭资源绿色开采理念、研究方向和技术框架,其中矿区瓦斯抽放(煤与瓦斯共采)是其重要的组成部分。煤层气不仅是与煤炭同样的资源,而且煤层气是影响环境的重要要素。因此,所谓煤与瓦斯共采就是在开采高瓦斯煤层的同时,利用岩层移动的特点将煤层气开采出来。煤与煤层气共采可以从根本上防止煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全、提高经济效益;优化能源结构、增加清洁能源、减少甲烷的排放、缓解温室效应;保护大气环境,实现两种资源的协调、合理的开发利用与生态环境的有效保护。1国外的研究现状1.1欧洲、亚洲和世界第一个成煤期是石炭纪,集中在中晚石炭世,占世界煤炭资源的23.5%,主要分布在北美、欧洲与亚洲北部;第二个成煤期是二叠纪,集中在早二叠世,占世界煤炭资源的17%,主要分布在南半球;第三个成煤期是侏罗纪,占总量的4%,主要分布在中国北部和俄罗斯的西伯利亚地区;第四个成煤期是晚白垩世至第三纪,占总储量的54%,主要分布在加拿大和美国等北美地区。1.2煤气资源量根据国际能源机构(IEA)估计,全球煤层气资源量可达260万亿m3,其中俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚等国的煤层气资源量都超过了10万亿m3。世界主要国家煤层气资源量,见表1。1.3煤与煤气共采发展现状煤层气是一种清洁、高效的非常规天然气能源,煤层气的开发利用有利于煤炭企业的安全高效生产和可持续发展,有利于资源节约型、环境友好型社会的建设。目前,美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的煤层气产业发展比较迅速,其中美国是世界上煤层气产量最高的国家,也是迄今为止世界上煤层气商业化开发最成功的国家。由于各国的煤层气资源条件、政策等差别,煤层气发展的状况有所不同。美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家,也是迄今为止煤层气产量最高的国家。目前,美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术,进行煤层气地面开发有两种情况,一种是以圣胡安盆地为代表,在没有采煤作业的煤田开采煤层气,采用的技术与常规天然气生产技术基本相似,渗透率低的煤层往往需要采取煤层激励增产措施;另一种以黑勇士盆地为代表,在生产矿区内开发煤层气。采气与采煤密切相关,特别是采用地面钻井抽取采空区的煤层气,由于采煤时引起上覆煤层和岩层下沉与煤裂,采空区上方岩石冒落,压力释放,透气性增加,瓦斯大量释放聚集于采空区,抽气容易,不需要进行煤层压裂处理。由于美国极力支持煤层气的开发利用,国内大批科研院所积极投身于煤与煤层气共采的科学研究。美国还十分重视煤层气的勘探技术开发,20世纪80年代先后投入60多亿美元,进行了大规模科研试验,取得了总体勘探技术的突破,对世界煤层气产业的发展做出了重要贡献。加拿大对煤层气的开发利用和对煤与煤层气共采的研究的起步时间基本和我国相当。由于加拿大政府一直支持煤层气的发展,一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点,开展了一系列的技术研究工作,在多分支水平羽状井、连续油管压裂、煤与瓦斯共采等技术方面取得了进展,降低了煤层气的开采成本,给煤层气的发展带来了机遇。澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气,主要在昆士兰的鲍恩盆地。1987年～1988年期间已经用地面钻井方法在煤层中采出了煤层气。昆士兰天然气公司已经在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤层气生产成功,日产气量超过2.832万m3。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主,生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。欧洲等国开发利用煤层气资源已有很长的历史,但将煤层气作为单独的资源进行开发是最近的事,对煤与煤层气共采技术的研究也处于初级阶段。欧洲主要的产煤国有三个,即德国、波兰和英国。此外,乌克兰、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法国、比利时及荷兰也拥有大量的煤炭资源,因而也是煤层气开发的有利地区。全球已进入能源紧缺时代,煤层气作为气体能源家族三大成员之一,与天然气、天然气水合物的勘探开发一样,日益受到世界各国的重视。世界范围内,美国、加拿大、澳大利亚、印度、英国等国家的煤层气勘探开发活动最为活跃,煤炭大国纷纷重视煤层气的勘探与开发。到目前为止,世界上已有29个国家开展了煤层气研究、勘探和开发活动。煤与煤层气共采的开发理念日益被人们重视,各国加大科研投入研究煤与煤层气共采技术,实现科学采矿、绿色采矿。2中国研究现状2.1气地质资源总量我国煤层气资源丰富。据煤层气资源评价,我国埋深2000m以上煤层气地质资源量约36万亿m3,主要分布在华北和西北地区。其中,华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以上、1000～1500m和1500～2000m的煤层气地质资源量,分别占全国煤层气资源地质总量的38.8%、28.8%和32.4%。全国大于5000亿m3的含煤层气盆地(群)共有14个,其中含气量在5000～10000亿m3之间的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地,含气量大于10000亿m3的有鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地、准噶尔盆地、滇东黔西盆地群、二连盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉尔盆地。2.2国内瓦斯抽放利用技术发展历程我国煤层气资源的开发利用历史可以追溯到20世纪50年代。1952年原煤炭部首先在辽宁抚顺矿务局龙凤煤矿进行了井下瓦斯抽采实验并获得成功。20世纪60年代到70年代,一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。20世纪70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作,主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿,并进行了压裂实验,但是效果不佳。20世纪80年代初期,国内开始进行煤层甲烷相关资源研究。20世纪90年代煤矿井下瓦斯抽放利用工作普遍在高瓦斯大型煤矿开展,形成了多种抽放方式,抽放技术也得到快速发展。1992年,联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目,1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目,对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年,一批有影响的研究项目和规划相继完成,如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委I类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”等。现阶段,井下瓦斯抽放方法很多,例如,掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等。2.3煤-瓦斯共采研究模式煤与煤层气共采是钱鸣高院士和缪协兴教授等提出的绿色开采的有机组成部分,因其要在一定的地质条件下实现煤与煤层气共采,所以其基础包括矿井地质和煤层气防治理论、采动岩体结构运动规律、煤层气运移规律和卸压煤层气富集区理论及创新型技术等。采动岩体结构理论是在采场矿压理论等基础上发展起来的,最重要的核心是由钱鸣高院士、缪协兴教授等将采场矿压砌体梁力学模型发展到岩层控制的结构关键层力学模型。关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。在“煤与瓦斯共采”技术方面,岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要参考作用。周世宁院士于1963年在北京矿业学院科学文选中首次完整的发表了“煤层瓦斯流动理论及其应用”。周院士在实验室进行了瓦斯流动的物理模拟试验,并应用相似理论将实验结果以相似准数的形式导出通用的单向、径向和球向不稳定流动瓦斯涌出量计算公式,科学系统的阐明了瓦斯在煤层中的单向、径向和球向流动规律以及瓦斯在煤层中的扩散-渗透规律。煤层瓦斯流动理论的提出及发展给煤与煤层气共采的科学研究提供技术和理论基础。2.4煤与瓦斯共采技术体系我国煤层气抽采技术经历“高透气性煤矿煤层气抽放”、“邻近层卸压煤层气抽放”、“低透气性煤层强化煤层气抽放”和“综合抽放煤层气”四个阶段。袁亮院士根据淮南矿区煤层煤层气含量高、埋藏深、极松软、透气性低和煤层气压力大等复杂地质条件于2006年提出“复杂地质条件煤与煤层气共采技术体系”。该体系包括采动煤岩移动卸压增透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯技术、采空区瓦斯抽采技术等。袁院士结合淮南矿区煤层群开采条件分别于2008年和2009年提出低透气性煤层群煤与瓦斯共采技术思路:首采关键卸压层,沿首采面采空区边缘快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来,形成无煤柱连续开采;在留巷内布置上下向高低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域,实现连续抽采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进,构建以留巷钻孔替代多岩巷的抽采卸压瓦斯的煤气共采技术体系。这一技术思路回避了深井开采面临的很多技术难题,是深部安全高效开采的一个重大技术方向。实质上,煤与煤层气共采在不同类型矿区有不同的技术内涵,对于高瓦斯矿井不仅要合理开采煤层气做到资源充分利用,实现煤与煤层气共采,而且还要做好防治煤层气灾害工作。3关于煤炭和煤层的联合勘探3.1中国煤炭和木炭的共同开采3.1.1抽采难度我国高瓦斯矿井多,煤层气含量高,煤田地质构造形态多样,抽采难度大。目前我国重点煤矿矿井平均开采深度约为420m,而开采深度超过1000m的有10余处,随着矿井开采深度的加大,瓦斯压力和地应力增加,瓦斯抽采难度进一步增大。3.1.2采煤工艺主要以一次采全高和综采放顶煤为主现工作面设计多以斜长超过300m,走向长1000～7000m为主,采煤工艺多以一次采全高和综采放顶煤推进为主。其对顶底板岩层的破坏和裂隙演化规律与原有的小规格分层开采等低速、低回采率工作面大不相同。3.1.3煤层煤层煤气采前预抽我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点,70%以上的渗透率小于0.001μm2,这对我国开展煤层煤层气采前预抽是极为不利的。正因为如此,我国已钻的200多口采前地面煤层气井中,稳定高产井很少,单井产量超过3000m3/d的也只有约30口。3.1.4含氧煤气的物质在采空区采集的煤层气,其中混有空气,空气中氧气是危险的助燃物质,因而成为含氧煤层气,为输送和利用形成阻力。目前在4方面进行研究:变压吸附、膜分离、燃烧脱氧和低温精馏分离。我国采用低温分离将煤层气从含氧煤层气中分离和液化获得成功,问题还在成本。3.2煤炭和煤层联合开采的研究方向3.2.1采动岩体应力与流理论研究煤与煤层气共采作为绿色开采的有机组成部分,要实现这项技术将面临许多的困难,首先必须掌握煤与煤层气共采的机理。但是就目前的渗流理论和多相流体力学理论还没有涉及破裂煤体内煤层气渗流与运移规律的本质。无论对于高地应力还是受采动或其他压力影响的煤层,以及采动岩体,其渗流骨架的固体力学描述还没有完备。虽然采动岩体力学理论已经初步揭示了采动岩体裂隙的分布规律,但是采动岩体裂隙内的多相气体流动理论尚待研究。因此,煤体的采动覆岩体内的多相气体流动规律,既是煤与煤层气共采机理研究的重点,更是力学研究的前沿。3.2.2国内学者关于我国学者的研究利用采动卸压场与裂隙场增加煤层煤层气的解吸速度与煤岩的透气性,实现矿井煤与煤层气共采的思想提出已经有几年,按照这个思路,我国学者进行了大量的研究和实践,取得了一定的成果。但是对于煤层气在裂隙场内的扩散和渗流等规律、不同区段不同浓度煤层气的分布和动态变化规律、在进行煤层气抽放过程中固体煤岩物理力学性质的