煤层气资源现状及开发技术研究

摘　要：近二十几年来，随着人们对煤层气资源的认识和开采技术的进步，特别是在能源紧缺的压力下，随着人们认识的深化，许多发达的国家已经不再把煤层气视为危害，反而被世界各国公认为新型能源。

关键词：

引言
　　我国是一个煤炭资源丰富的大国，煤层分布十分广泛，全国的煤炭资源总量约为50479.26×108t，丰富的煤碳资源表明其中蕴藏着非常巨大的煤层气资源。因此，加强对煤层气的勘探和开采是伟大而艰巨的任务。
一、煤层气的赋存状态
　　煤层气（又称"煤层甲烷"、"瓦斯"）是一种储集在煤层中的自生自储的天然气。煤层甲烷在煤储集层中赋存的状态有游离、吸附和溶解等三种。在煤化过程中生成的天然气首先在煤炭中吸附，然后是溶解和解离析出。
　　游离状态（自由状态）的煤层甲烷存在于煤的孔隙、裂隙或空洞中，气体分子在媒体孔隙内可以自由流动，煤层内的自由空间决定煤层甲烷的数量。当然，外界的温度和压力也会影响煤层气的数量。
二．煤层气的含气量影响因素
　　煤层气的含量主要由以下因素决定:首先，煤层气的生成量和吸附量由煤的变质过程及煤质决定；其次，煤层的生成阶段及后期演化阶段煤层的储集条件是由构造运动所控制；煤层气的含量由盖层的封堵能力所影响。
2. 1 煤的组成
　　煤的组成指的是煤的显微组分、灰分和水分。煤的组成不仅对煤的产油能力有影响，而且影响煤的孔隙特征、吸附能力和机械性能等。煤的物质组成控制着煤的吸附能力，若矿物质含量越高，其吸附能力反而会降低。在显微组分中，壳质组和惰质组的吸附能力偏低而镜质组的吸附能力最强，主要是镜质组中发育有大量的气孔，孔隙比表面积大所引起。
2. 2 煤层的埋藏深度
　　煤层的埋藏深度是影响煤层甲烷的另一控制因素。煤层埋深对煤层甲烷的含量的影响实质是由于煤层埋深的不同，导致煤层甲烷所受的温度和压力的变化，压力增大会使煤的吸附能力增强，但是温度的升高却会使煤的吸附能力降低。
2. 3 煤层中的水分
　　如果煤层中水分增加，那么其吸附能力会降低，但当水分量大于某个临界值时，吸附能力将不会随着水分的增大而改变，这个值为临界水分值(Mc) 。Joubert 对烟煤的研究建立了以下经验公式:

2.4 煤阶
　　煤阶代表了煤化作用中能达到的成熟度的级别，由于深埋影响温度的改变可以引起煤阶的改变，煤阶影响煤层饱和状态，可通过测量最大的镜质组反射率，挥发物质的百分比或煤中碳的百分比来确定的。
　　煤层气含气量随煤阶的增加呈现出急剧增高-缓慢增高-急剧增高-急剧下降的阶段性演化特征。众多研究表明，随煤阶增高煤的吸附能力会相应增强。在烟煤和无烟煤阶段( R0max ＜ 5%) ，当R0max增大时总孔隙度会增高。在小孔隙中，煤中孔隙的比表面积会随之增大。由于煤的分子排列是从无序到有序，由小分子到大分子，煤的表面物理性质发生了变化，煤分子与CH4分子间引力(范德华力和色散力)增大，煤对CH4的吸附能力随之增强(图1)。

图1 煤阶与兰氏关系（据张意，2010）
2. 5 盖层的封闭能力
　　盖层对煤层气的封存机理与常规油气的基本相同，即盖层的排替压力越大，其封闭性越强。能有效地阻止煤层气散失的盖层为有效盖层。盖层的封存能力并不是绝对的，当储层压力大于排替压力时，便可能成为无效盖层。孔喉半径是盖层封闭能力的主要因素。盖层的宏观封闭性还要与其岩性、厚度、分布范围和连续性、韧性等因素有关。
三．提高煤层气的采收技术
　　我国煤储层具有低压（压力系数低于0.8）、低渗（小于1×10-3um2）、低饱和度（小于70%）和非均质性强等特点, 煤层气的开采技术面临着难题，因此提高煤层气的采收技术显的特别重要。以下为提高煤层气采收率的几种技术。
3. 1 注热技术
向煤层中注入水蒸汽来实现注热开采煤层气。热量作用下，煤体、扩散至裂隙的煤层气的性质会发生变化。如果温度升高，煤体会发生膨胀，孔裂隙受到挤压后会发生变形，影响CH4 气体在其中流动。当CH4气体吸热，动能、活性、解吸能力都会增强，煤层内吸附平衡遭到破坏，解吸率升高，CH4气体会从煤层表面解吸扩散至裂隙，从而使煤层裂隙中的气体浓度升高，由于浓度梯度和压力梯度增大，CH4气体由裂缝系统流至井筒，从而煤层气产量增加。二者共同决定煤层气的产量。在开采过程中，可以先对煤层进行压裂，然后向煤层中注入热量，这样可增加煤层气的产量。
3. 2 煤层压裂技术
　　煤层压裂技术目前可以有效的提高煤层气的开采效率。由于人工压裂形成诱导裂缝降低、消除了煤层的近井眼伤害，煤层中的天然裂隙系统增强，有效"井眼半径"和煤层气解吸渗流面积扩大，井眼稳定性得到加强，井眼周围形成了有效的煤层气渗流通道，从而提高煤层气的采收效率。
　　煤层气井与常规油气井在水力压裂技术方法和压裂结果上的相似及差异性。由于煤的力学性质导致其形成短而宽的裂缝。所以在进行压裂设计时需综合原地应力、压裂液、支撑剂、钻井、测井、完井等方面的因素，设计出合理的方案来有效的提高煤层气的采收效率。
3．3 气体驱替技术
　　CO2、N2或CO2与N2的混合气可以用来驱替煤层气，由于气相的存在，既可以利用低吸附能力的N2降低甲烷的压力，也可以利用CO2的置换作用来提高甲烷的采收率。
气体驱替煤层气技术：①注入CO2 提高煤层气采收率，称之为二氧化碳-气体驱替技术；②注入N2降低CH4 压力。
3. 4 声震法
　　声震法提高煤层气采收率技术：①声场促进煤层气在煤层微孔中解吸-扩散；②声场促进煤层气在空裂隙系统中渗流。
　　声场促进煤层气的渗流主要表现为：声场可以提高煤层的温度，改变煤层温度分布，促进煤层气的解吸和扩散；声场在煤层中存在明显的衰减，在其衰减范围内，声场对煤层存在机械振动、机械损伤和热效应，可以大幅度提高煤层的渗透率，降低煤层的应力，促进煤层气在孔裂隙中的渗流。
四．结束语
　　我国的煤层气资源十分丰富，我们需要根据煤层气的性质和与常规油气的差异性，采用有针对性而且完善的技术来开采煤层气，利用新型资源来满足我国的工业发展的要求，来促进我国经济的发展。