世界上煤層氣的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

世界上煤層氣的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

煤層是煤層中的主要成分，主要是吸附在煤基質(zhì)顆粒表面的碳?xì)浠衔?，其中一些氣體被游離在煤孔或潛入煤層中，通常被稱為“磚瓦”。煤炭資源的開采給我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)的同時,也給自然生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞,甚至給人們帶來身體健康的威脅和生命的危險。近年來,由于人為管理不善帶來的煤礦瓦斯事故已漸漸成為社會問題而被廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計:我國煤礦發(fā)生的重、特大生產(chǎn)事故中,80%以上都是瓦斯事故。我國高突礦井占礦井總數(shù)的46%,每年因瓦斯爆炸死亡約2000人。2004年10月至2005年4月,4起特大礦難死亡626人。據(jù)近15年的資料統(tǒng)計,煤礦生產(chǎn)事故直接經(jīng)濟(jì)損失超過500億元。建國以來,我國煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1500余次,僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數(shù)達(dá)2356人,為煤礦總死亡人數(shù)的40%。為了提高資源利用率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境和人類社會的可持續(xù)發(fā)展,錢鳴高院士和繆協(xié)興教授等率先提出了煤炭資源綠色開采理念、研究方向和技術(shù)框架,其中礦區(qū)瓦斯抽放(煤與瓦斯共采)是其重要的組成部分。煤層氣不僅是與煤炭同樣的資源,而且煤層氣是影響環(huán)境的重要要素。因此,所謂煤與瓦斯共采就是在開采高瓦斯煤層的同時,利用巖層移動的特點(diǎn)將煤層氣開采出來。煤與煤層氣共采可以從根本上防止煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全、提高經(jīng)濟(jì)效益;優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、增加清潔能源、減少甲烷的排放、緩解溫室效應(yīng);保護(hù)大氣環(huán)境,實(shí)現(xiàn)兩種資源的協(xié)調(diào)、合理的開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)。1國外的研究現(xiàn)狀1.1歐洲、亞洲和世界第一個成煤期是石炭紀(jì),集中在中晚石炭世,占世界煤炭資源的23.5%,主要分布在北美、歐洲與亞洲北部;第二個成煤期是二疊紀(jì),集中在早二疊世,占世界煤炭資源的17%,主要分布在南半球;第三個成煤期是侏羅紀(jì),占總量的4%,主要分布在中國北部和俄羅斯的西伯利亞地區(qū);第四個成煤期是晚白堊世至第三紀(jì),占總儲量的54%,主要分布在加拿大和美國等北美地區(qū)。1.2煤氣資源量根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)估計,全球煤層氣資源量可達(dá)260萬億m3,其中俄羅斯、加拿大、中國、美國和澳大利亞等國的煤層氣資源量都超過了10萬億m3。世界主要國家煤層氣資源量,見表1。1.3煤與煤氣共采發(fā)展現(xiàn)狀煤層氣是一種清潔、高效的非常規(guī)天然氣能源,煤層氣的開發(fā)利用有利于煤炭企業(yè)的安全高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展,有利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)。目前,美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家的煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較迅速,其中美國是世界上煤層氣產(chǎn)量最高的國家,也是迄今為止世界上煤層氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國家。由于各國的煤層氣資源條件、政策等差別,煤層氣發(fā)展的狀況有所不同。美國是世界上煤層氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國家,也是迄今為止煤層氣產(chǎn)量最高的國家。目前,美國在研究、勘探、開發(fā)利用方面處于世界領(lǐng)先地位。美國利用地面鉆孔水力壓裂開采煤層氣技術(shù),進(jìn)行煤層氣地面開發(fā)有兩種情況,一種是以圣胡安盆地為代表,在沒有采煤作業(yè)的煤田開采煤層氣,采用的技術(shù)與常規(guī)天然氣生產(chǎn)技術(shù)基本相似,滲透率低的煤層往往需要采取煤層激勵增產(chǎn)措施;另一種以黑勇士盆地為代表,在生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)開發(fā)煤層氣。采氣與采煤密切相關(guān),特別是采用地面鉆井抽取采空區(qū)的煤層氣,由于采煤時引起上覆煤層和巖層下沉與煤裂,采空區(qū)上方巖石冒落,壓力釋放,透氣性增加,瓦斯大量釋放聚集于采空區(qū),抽氣容易,不需要進(jìn)行煤層壓裂處理。由于美國極力支持煤層氣的開發(fā)利用,國內(nèi)大批科研院所積極投身于煤與煤層氣共采的科學(xué)研究。美國還十分重視煤層氣的勘探技術(shù)開發(fā),20世紀(jì)80年代先后投入60多億美元,進(jìn)行了大規(guī)模科研試驗,取得了總體勘探技術(shù)的突破,對世界煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。加拿大對煤層氣的開發(fā)利用和對煤與煤層氣共采的研究的起步時間基本和我國相當(dāng)。由于加拿大政府一直支持煤層氣的發(fā)展,一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)本國以低變質(zhì)煤為主的特點(diǎn),開展了一系列的技術(shù)研究工作,在多分支水平羽狀井、連續(xù)油管壓裂、煤與瓦斯共采等技術(shù)方面取得了進(jìn)展,降低了煤層氣的開采成本,給煤層氣的發(fā)展帶來了機(jī)遇。澳大利亞早在1976年就開始開采煤層氣,主要在昆士蘭的鮑恩盆地。1987年～1988年期間已經(jīng)用地面鉆井方法在煤層中采出了煤層氣。昆士蘭天然氣公司已經(jīng)在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤層氣生產(chǎn)成功,日產(chǎn)氣量超過2.832萬m3。但到目前為止其煤層氣的產(chǎn)量還是以礦井煤層氣抽放為主,生產(chǎn)的煤層氣主要供給建在井口的煤層氣發(fā)電站。歐洲等國開發(fā)利用煤層氣資源已有很長的歷史,但將煤層氣作為單獨(dú)的資源進(jìn)行開發(fā)是最近的事,對煤與煤層氣共采技術(shù)的研究也處于初級階段。歐洲主要的產(chǎn)煤國有三個,即德國、波蘭和英國。此外,烏克蘭、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法國、比利時及荷蘭也擁有大量的煤炭資源,因而也是煤層氣開發(fā)的有利地區(qū)。全球已進(jìn)入能源緊缺時代,煤層氣作為氣體能源家族三大成員之一,與天然氣、天然氣水合物的勘探開發(fā)一樣,日益受到世界各國的重視。世界范圍內(nèi),美國、加拿大、澳大利亞、印度、英國等國家的煤層氣勘探開發(fā)活動最為活躍,煤炭大國紛紛重視煤層氣的勘探與開發(fā)。到目前為止,世界上已有29個國家開展了煤層氣研究、勘探和開發(fā)活動。煤與煤層氣共采的開發(fā)理念日益被人們重視,各國加大科研投入研究煤與煤層氣共采技術(shù),實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦、綠色采礦。2中國研究現(xiàn)狀2.1氣地質(zhì)資源總量我國煤層氣資源豐富。據(jù)煤層氣資源評價,我國埋深2000m以上煤層氣地質(zhì)資源量約36萬億m3,主要分布在華北和西北地區(qū)。其中,華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質(zhì)資源量分別占全國煤層氣地質(zhì)資源總量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以上、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質(zhì)資源量,分別占全國煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%。全國大于5000億m3的含煤層氣盆地(群)共有14個,其中含氣量在5000～10000億m3之間的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地,含氣量大于10000億m3的有鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、滇東黔西盆地群、二連盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉爾盆地。2.2國內(nèi)瓦斯抽放利用技術(shù)發(fā)展歷程我國煤層氣資源的開發(fā)利用歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代。1952年原煤炭部首先在遼寧撫順礦務(wù)局龍鳳煤礦進(jìn)行了井下瓦斯抽采實(shí)驗并獲得成功。20世紀(jì)60年代到70年代,一些高瓦斯礦區(qū)抽放的瓦斯氣體即可投入民用和小規(guī)模的工業(yè)利用。20世紀(jì)70年代末期開始了礦井地面瓦斯抽放工作,主要集中于撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦,并進(jìn)行了壓裂實(shí)驗,但是效果不佳。20世紀(jì)80年代初期,國內(nèi)開始進(jìn)行煤層甲烷相關(guān)資源研究。20世紀(jì)90年代煤礦井下瓦斯抽放利用工作普遍在高瓦斯大型煤礦開展,形成了多種抽放方式,抽放技術(shù)也得到快速發(fā)展。1992年,聯(lián)合國開發(fā)計劃署通過全球環(huán)境基金資助我國開展了“中國煤層氣資源開發(fā)”項目,1993年又資助了“中國深層煤層氣勘探”項目,對中國煤層氣的勘探開發(fā)起到了巨大的推動作用。1996年,一批有影響的研究項目和規(guī)劃相繼完成,如原煤炭部計劃項目“全國煤層氣資源評價”、國家計委I類資源勘查項目“中國煤層氣資源評價”、國土資源部地質(zhì)調(diào)查項目“全國煤層氣綜合規(guī)劃研究”等?，F(xiàn)階段,井下瓦斯抽放方法很多,例如,掘前預(yù)抽、邊掘邊抽、采后抽取、卸壓瓦斯鉆孔抽取、以及開采層、鄰近層、采空區(qū)瓦斯抽取等等。2.3煤-瓦斯共采研究模式煤與煤層氣共采是錢鳴高院士和繆協(xié)興教授等提出的綠色開采的有機(jī)組成部分,因其要在一定的地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣共采,所以其基礎(chǔ)包括礦井地質(zhì)和煤層氣防治理論、采動巖體結(jié)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律、煤層氣運(yùn)移規(guī)律和卸壓煤層氣富集區(qū)理論及創(chuàng)新型技術(shù)等。采動巖體結(jié)構(gòu)理論是在采場礦壓理論等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,最重要的核心是由錢鳴高院士、繆協(xié)興教授等將采場礦壓砌體梁力學(xué)模型發(fā)展到巖層控制的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層力學(xué)模型。關(guān)鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控制等的影響。在“煤與瓦斯共采”技術(shù)方面,巖層運(yùn)動中的關(guān)鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場分布、離層規(guī)律將對上鄰近層瓦斯動態(tài)涌出與下解放層開采最大卸壓高度的影響等瓦斯抽出技術(shù)有重要參考作用。周世寧院士于1963年在北京礦業(yè)學(xué)院科學(xué)文選中首次完整的發(fā)表了“煤層瓦斯流動理論及其應(yīng)用”。周院士在實(shí)驗室進(jìn)行了瓦斯流動的物理模擬試驗,并應(yīng)用相似理論將實(shí)驗結(jié)果以相似準(zhǔn)數(shù)的形式導(dǎo)出通用的單向、徑向和球向不穩(wěn)定流動瓦斯涌出量計算公式,科學(xué)系統(tǒng)的闡明了瓦斯在煤層中的單向、徑向和球向流動規(guī)律以及瓦斯在煤層中的擴(kuò)散-滲透規(guī)律。煤層瓦斯流動理論的提出及發(fā)展給煤與煤層氣共采的科學(xué)研究提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。2.4煤與瓦斯共采技術(shù)體系我國煤層氣抽采技術(shù)經(jīng)歷“高透氣性煤礦煤層氣抽放”、“鄰近層卸壓煤層氣抽放”、“低透氣性煤層強(qiáng)化煤層氣抽放”和“綜合抽放煤層氣”四個階段。袁亮院士根據(jù)淮南礦區(qū)煤層煤層氣含量高、埋藏深、極松軟、透氣性低和煤層氣壓力大等復(fù)雜地質(zhì)條件于2006年提出“復(fù)雜地質(zhì)條件煤與煤層氣共采技術(shù)體系”。該體系包括采動煤巖移動卸壓增透抽采瓦斯技術(shù)、原始煤層強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)、采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)等。袁院士結(jié)合淮南礦區(qū)煤層群開采條件分別于2008年和2009年提出低透氣性煤層群煤與瓦斯共采技術(shù)思路:首采關(guān)鍵卸壓層,沿首采面采空區(qū)邊緣快速機(jī)械化構(gòu)筑高強(qiáng)支撐體將回采巷道保留下來,形成無煤柱連續(xù)開采;在留巷內(nèi)布置上下向高低位抽采鉆孔直達(dá)卸壓瓦斯富集區(qū)域,實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽采卸壓瓦斯與綜采工作面采煤同步推進(jìn),構(gòu)建以留巷鉆孔替代多巖巷的抽采卸壓瓦斯的煤氣共采技術(shù)體系。這一技術(shù)思路回避了深井開采面臨的很多技術(shù)難題,是深部安全高效開采的一個重大技術(shù)方向。實(shí)質(zhì)上,煤與煤層氣共采在不同類型礦區(qū)有不同的技術(shù)內(nèi)涵,對于高瓦斯礦井不僅要合理開采煤層氣做到資源充分利用,實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣共采,而且還要做好防治煤層氣災(zāi)害工作。3關(guān)于煤炭和煤層的聯(lián)合勘探3.1中國煤炭和木炭的共同開采3.1.1抽采難度我國高瓦斯礦井多,煤層氣含量高,煤田地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)多樣,抽采難度大。目前我國重點(diǎn)煤礦礦井平均開采深度約為420m,而開采深度超過1000m的有10余處,隨著礦井開采深度的加大,瓦斯壓力和地應(yīng)力增加,瓦斯抽采難度進(jìn)一步增大。3.1.2采煤工藝主要以一次采全高和綜采放頂煤為主現(xiàn)工作面設(shè)計多以斜長超過300m,走向長1000～7000m為主,采煤工藝多以一次采全高和綜采放頂煤推進(jìn)為主。其對頂?shù)装鍘r層的破壞和裂隙演化規(guī)律與原有的小規(guī)格分層開采等低速、低回采率工作面大不相同。3.1.3煤層煤層煤氣采前預(yù)抽我國煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點(diǎn),70%以上的滲透率小于0.001μm2,這對我國開展煤層煤層氣采前預(yù)抽是極為不利的。正因為如此,我國已鉆的200多口采前地面煤層氣井中,穩(wěn)定高產(chǎn)井很少,單井產(chǎn)量超過3000m3/d的也只有約30口。3.1.4含氧煤氣的物質(zhì)在采空區(qū)采集的煤層氣,其中混有空氣,空氣中氧氣是危險的助燃物質(zhì),因而成為含氧煤層氣,為輸送和利用形成阻力。目前在4方面進(jìn)行研究:變壓吸附、膜分離、燃燒脫氧和低溫精餾分離。我國采用低溫分離將煤層氣從含氧煤層氣中分離和液化獲得成功,問題還在成本。3.2煤炭和煤層聯(lián)合開采的研究方向3.2.1采動巖體應(yīng)力與流理論研究煤與煤層氣共采作為綠色開采的有機(jī)組成部分,要實(shí)現(xiàn)這項技術(shù)將面臨許多的困難,首先必須掌握煤與煤層氣共采的機(jī)理。但是就目前的滲流理論和多相流體力學(xué)理論還沒有涉及破裂煤體內(nèi)煤層氣滲流與運(yùn)移規(guī)律的本質(zhì)。無論對于高地應(yīng)力還是受采動或其他壓力影響的煤層,以及采動巖體,其滲流骨架的固體力學(xué)描述還沒有完備。雖然采動巖體力學(xué)理論已經(jīng)初步揭示了采動巖體裂隙的分布規(guī)律,但是采動巖體裂隙內(nèi)的多相氣體流動理論尚待研究。因此,煤體的采動覆巖體內(nèi)的多相氣體流動規(guī)律,既是煤與煤層氣共采機(jī)理研究的重點(diǎn),更是力學(xué)研究的前沿。3.2.2國內(nèi)學(xué)者關(guān)于我國學(xué)者的研究利用采動卸壓場與裂隙場增加煤層煤層氣的解吸速度與煤巖的透氣性,實(shí)現(xiàn)礦井煤與煤層氣共采的思想提出已經(jīng)有幾年,按照這個思路,我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐,取得了一定的成果。但是對于煤層氣在裂隙場內(nèi)的擴(kuò)散和滲流等規(guī)律、不同區(qū)段不同濃度煤層氣的分布和動態(tài)變化規(guī)律、在進(jìn)行煤層氣抽放過程中固體煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的