摘 要

摘　要：探討了煤層氣的開采方式，煤層氣田地面集輸流程，我國煤層氣開發利用現狀及前景；頁巖氣的鉆井技術、水力壓裂技術，我國頁巖氣的開發利用情況；天然氣水合物的形成條件、開采方

摘　要：探討了煤層氣的開采方式，煤層氣田地面集輸流程，我國煤層氣開發利用現狀及前景；頁巖氣的鉆井技術、水力壓裂技術，我國頁巖氣的開發利用情況；天然氣水合物的形成條件、開采方法、開采風險，國內外天然氣水合物的勘探開發和利用情況。

關鍵詞：非常規天然氣；  煤層氣；  頁巖氣；  天然氣水合物；  開發

Development and Utilization of Unconventional Natural Gas

Abstract：The following three types of unconventional gases are discussed：①the exploitation ways of coal-bed methane，surface gathering process in coal-bed methane field and development and utilization status and prospects of coal-bed methane in China；②the shale gas drilling technology，hydraulic fracturing technology and development and utilization of shale gas in China；and③the natural gas hydrate formation conditions，exploitation methods，exploitation risk and exploration，development and utilization of natural gas hydrate at home and abroad．

Keywords：unconventional natural gas；coal-bed methane；shale gas；natural gas hydrate；development

 

1　概述

天然氣是清潔能源和重要的化工原料，在人們的生活和工、農業生產中被廣泛地應用，是目前我國供給城鄉居民生活的主要清潔燃料。

但地球上氣田產的常規天然氣資源被大量消耗，預計在幾十年后將逐漸枯竭。地球上藏儲于其他構造的煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物等非常規天然氣早在上世紀已引起人們的注意，開始調查、勘察、開發，至今已取得了階段性成果。

2　煤層氣

煤層氣是以甲烷為主要成分的烴類氣體，藏儲在煤層中，以吸附在煤體表面為主，部分游離于煤層孔隙中或溶解于煤層水中。煤層氣是煤的伴生礦產資源，屬非常規天然氣，是近20年崛起的潔凈優質能源和化工原料。

根據開采方式的不同，可將煤層氣分為煤礦采煤過程中抽采的煤層氣和地面鉆井開采的煤層氣兩種。

2.1　煤礦采煤過程中抽采的煤層氣

煤礦采煤過程中抽采的煤層氣主要是為了保證煤礦安全生產而抽出的，是在煤炭開采中和開采后從煤體及圍巖中抽取的煤層氣，這種煤層氣由于混入大量空氣致使煤層氣稀釋，也稱含氧煤層氣或礦井氣，其甲烷含量較低，甲烷體積分數一般在30％以下，其他成分主要為烴類氣體和N2，O2，CO2等。

煤礦井下煤層氣抽采鉆孔分為頂板高位鉆孔、沿煤層(順層)鉆孔和穿層鉆孔3類。實際施工過程中，應根據礦井地質條件、煤層氣含量、抽采方式、井下工作條件、設備能力等因素，綜合考慮確定合理的煤層氣抽采鉆孔形式。

作為燃料或化工原料利用均要求提高甲烷含量，一般要求甲烷體積分數在90％以上。因此，對于井下抽采的低濃度煤層氣，還需要進行脫氧和甲烷濃縮處理。

目前甲烷濃縮技術主要有低溫精餾技術、變壓吸附技術、水合物法等，這些技術均不同程度存在一些缺點，有待進一步深入研究。

2.2　地面鉆井開采的煤層氣

地面鉆井開采的煤層氣是在采煤之前利用地面井開采出的煤層氣，其特點是甲烷含量高，一般體積分數不小于90％，并且開采規模大，產量穩定，煤層氣采出后經脫水等處理后達到民用氣標準后即可直接通過煤層氣管道輸往用戶。

地面鉆井開采的煤層氣具有低壓(0.2～0.5MPa)、低產量(2500～5000m³／d)的特點，致使煤層氣田采氣井數量多，管網密集。經過多年的生產實踐，我國已經形成分片集輸、低壓集輸、單井計量、多井串接、集中增壓、集中凈化處理的煤層氣田集輸工藝技術。

地面鉆井開采的煤層氣若直接排放到大氣中，因甲烷產生的溫室效應約為二氧化碳的20倍以上，對生態環境的破壞性極強。如果煤礦在采煤之前先開采煤層氣，煤礦開采過程中發生爆炸概率將降低70％～85％。

2．2．1地面鉆井開采的煤層氣集輸技術^[1]

煤層氣相對天然氣，氣體組成較簡單，井口壓力較低，因此地面集輸工藝較簡單，一般為“井場～采氣管道一集氣站一集氣管道一處理廠一輸氣管網”的工藝流程。

①井場流程

井口采用抽油機將儲層的水采出，氣水分離器將水中帶出的氣體分離后，污水排至井場水池中。煤層氣解吸后由套管采出，0.2～0.5MPa煤層氣經采氣井口采出后，與氣水分離器分離出的氣體混合，通過氣液分離和計量，經采氣管道輸至集氣站。

②集氣站流程

各井口來的煤層氣進入集氣站，經氣液分離后，氣體進入壓縮機組增壓，經冷卻、氣液分離、計量后，進入集氣管道輸往處理廠。分離出的污水進入排污池，排污池設有放空管，污水中殘留的氣體經放空管引至安全處放空。一般煤層氣進入集氣站的壓力很低，常常低于0.1MPa，在集氣站需進行兩到三級壓縮，出口壓力需根據最終的外輸壓力綜合考慮而定，一般為4.0～6.3MPa。

③處理廠流程

煤層氣從各集氣站經集氣管道進入處理廠，經過濾、氣液分離、增壓和深度脫水處理后，氣質符合GB 17820—2012《天然氣》Ⅱ級氣要求后進入外輸管道。

④壓縮機選型

壓縮機是煤層氣地面生產系統的主要設備之一，由于煤層氣氣量較小，流量波動較大，且壓縮比較高，因此選用往復式壓縮機比較合適。

壓縮機的驅動方式可以采用電動機或燃氣發動機驅動，兩者在技術上都可以滿足輸送工況的要求。驅動方式的選擇應進行技術經濟綜合評價后確定。

2．2．2煤層氣集輸管網

煤層氣田的低產量、低壓特點導致煤層氣田單位產能需要建設的采氣井數量多，井網密集，整個氣田處于低壓生產狀態。其管網形式主要與氣田地形地貌、井位布置、集輸半徑、集氣站規模以及所在地區的交通、環境等因素有關。煤層氣地面集輸管網的形式主要可分為枝狀管網和環狀管網。實際工程中，煤層氣集輸管網類型并不是單一類型，而常常是兩種管網形式的組合。

2.3　我國煤層氣開發利用現狀及前景

我國煤層氣氣源分散、產量低，未進行煤層氣利用的礦井氣以前主要采用點火放空。煤層氣的開發利用可減少煤礦生產過程中瓦斯事故，可有效減排溫室氣體，產生良好的環保效益。煤層氣作為一種高效、潔凈能源和重要的化工原料，具有巨大的社會效益和經濟效益。

我國利用采煤過程中抽采的低濃度煤層氣發電技術研究取得很好成果，某煤業集團總裝機容量為12×10⁴kW的瓦斯發電廠，年利用低濃度煤層氣1.8×10⁸m³／a。

我國煤層氣的勘探、開發近幾年取得了實質性成果，估計埋深小于2000m的煤層氣資源量約為34.5×10¹²m³，這部分資源可通過現有的勘探開發技術加以利用；埋深在2000—4000m范圍的煤層氣資源量約為50×10¹²m³，這部分資源開發技術有待進一步研究提高。

3　頁巖氣

頁巖氣主要成分是甲烷。頁巖層中的頁巖氣，主要以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中。頁巖氣藏的儲層一般呈低孔隙度、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比氣田天然氣大，所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來。

頁巖氣開采的關鍵技術包括：水平鉆井、水力壓裂、隨鉆測井、地質導向鉆井、微地震檢測等，其中水平鉆井和水力壓裂技術是頁巖氣開發的核心技術^[2]。

3.1　頁巖氣井鉆井技術

頁巖是由粒徑小于0.39mm的細粒碎屑、黏土、有機質等組成。頁巖氣的頁巖層通過壓裂，讓儲存其中的頁巖氣流通，最終匯集并輸送到地面。

頁巖氣開發由直井和水平井組成，直井打到含氣層，水平井用作采氣，水平井可以獲得更大的儲層泄流面積，提高頁巖氣的產量。

頁巖氣在頁巖中并不能遠距離大規模地流動，如果只垂直打一口井到地下，將只有該井附近少量的氣體采出，開采出來的頁巖氣將非常有限。要大規模開采，需要打很多井，同時還需要打水平井，垂直井打到含氣層后，再沿含氣層水平方向掘進，保證更多的氣體匯集。開采頁巖氣所需建設的采氣井，大約是常規天然氣開采密度的10倍以上，才能滿足正常開發需求。頁巖氣開采還需要將頁巖氣層壓裂，釋放出氣體實現開采，其鉆井的難度遠遠超過普通天然氣井。要在3000m以下的地下壓裂頁巖層，最少需要100MPa的壓力，有時達到l00～300MPa才能壓裂。對巖層的壓裂，是采用以泥漿為主的液體即壓裂液注入井下，再采用專業技術將巖層壓裂。

埋深小于3000m的頁巖氣藏相對較少，部分頁巖氣藏埋深超過5000m；如果頁巖氣埋深達到5000～6000m，鉆井會存在困難。

3.2　水力壓裂技術

頁巖氣井鉆井完成后，90％以上的井需要經過水力壓裂等儲層改造措施后才能獲得比較理想的產量。水力壓裂是目前用于頁巖儲層改造的主要技術，它需要100～300MPa的壓力。

水力壓裂會消耗大量的水資源。每口頁巖氣井需耗費約10000～15000m³的水才能使頁巖斷裂。

頁巖氣井一般初期產量較高，但遞減速度快，可能在低產量階段維持很長時間。頁巖氣田開采壽命一般可達30～50a。

3.3　我國的頁巖氣開發利用情況

我國頁巖氣井較深，單井產量低；氣藏分布區域廣，前期投資大，成本高。我國頁巖氣開發還有很多工作要做：資源進一步探明；采用新技術降低鉆井成本；解決水力壓裂的壓力高、用水量大的問題。

我國頁巖氣勘探開發呈現積極發展的態勢，開展了頁巖氣先導試驗區建設。設置以海相地層為主的頁巖氣資源調查先導試驗區。在陸相和海陸交互地層為主的北方重點區開展頁巖氣資源前期調查研究。開展了大量頁巖氣老井試氣和鉆探評價工作，加快了四川、山西沁陽、鄂爾多斯等地頁巖氣勘探開發。

近幾年，國內開展的系列勘探調研，查明頁巖氣資源分布及頁巖氣富集區，制定頁巖氣十二五發展規劃，引進國外頁巖氣開發技術，建造頁巖氣裝備開發制造服務基地，加強頁巖氣勘探開發對環境影響的評估。

4　天然氣水合物

天然氣水合物俗稱可燃冰，是天然氣與水在高壓低溫條件下形成的冰狀結晶物。分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，因其外觀像冰而且遇火即可燃燒，所以被稱作“可燃冰”、“固體瓦斯”、“氣冰”等。天然氣水合物里甲烷摩爾分數為80％～99.9％，可直接點燃，燃燒后幾乎不產生任何殘渣，污染比煤、石油都小得多。1m³天然氣水合物可轉化為164m³的天然氣和0.8m³的水。

4.1　天然氣水合物的形成條件

①低溫。天然氣水合物在0～10℃時生成，超過20℃會分解。海底溫度一般保持在2～4℃左右。

②高壓。天然氣水合物在0℃時，只需3MPa即可生成。以海洋的深度，3MPa很容易保證，并且氣壓越大，水合物就越不容易分解。

③充足的氣源。海底的有機物沉淀，其中豐富的碳經過生物轉化，可產生充足的以甲烷為主的天然氣源。海底的地層是多孔介質，在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下，天然氣水合物晶體就會在介質的空隙間生成。

天然氣水合物是天然氣分子(烷類)被包進水分子中，在海底低溫與壓力下結晶形成的。它可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的甲烷氣體分子數，n為水分子數(也就是水合指數)。組成天然氣的組分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷摩爾分數超過99％的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物(Methane Hydrate)。

4.2　天然氣水合物的開采方法

①熱激開采法

直接對天然氣水合物儲層進行加熱，可以利用直接注入熱流體、井下電磁加熱以及微波加熱等方法，使天然氣水合物儲層的溫度超過其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣。這種方法尚不成熟，有待進一步研究。

②減壓開采法

減壓開采法是通過降低天然氣水合物儲層的壓力，破壞天然氣水合物儲層的構成條件促使其分解的方法，即先在冰層中打許多很深的孔，然后借助大量抽取冰層中孔洞的水來降低重壓，從而讓甲烷氣體分離出來，慢慢浮至便于提取的深度。這種方法開采的難點是保證井底穩定，使甲烷氣體不泄漏，也有待進一步研究。

③注入天然氣水合物抑制劑開采法

通過向天然氣水合物儲層中注入某些抑制劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物儲層的作用緩慢，而且還會帶來一些環境問題。因此，對這種方法投入的研究相對較少。

④CO2置換開采法

在一定的溫度條件下和某一特定的壓力范圍內，如果向天然氣水合物內注入CO2氣體，因天然氣水合物保持穩定需要的壓力比CO2水合物更高，所以天然氣水合物就會分解。CO2氣體與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應得以持續地進行下去。這種方法有可能在2018年實現工業性開采試驗。

⑤混合開采法

首先將天然氣水合物以固體狀態從天然氣水合物儲層中輸送到海床上，減壓后分解，將這種混有氣、液、固體水合物的混合泥漿送到海面作業船或生產平臺，利用海面海水熱量使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。

4.3　天然氣水合物的開采風險

甲烷是強溫室效應氣體，天然氣水合物開采過程中如果不能很好地對甲烷氣體進行控制，就必然會加劇全球溫室效應。

天然氣水合物分解后，進入海水中會影響海洋生態。甲烷進入海水后發生較快的微生物氧化作用，消耗海水中大量的氧氣，使海洋形成缺氧環境，從而對海洋微生物的生長發育帶來危害。

進入海水中的甲烷量如果特別大，還可能造成海水氣化和海嘯，甚至會產生海水動蕩和氣流負壓卷吸作用，嚴重危害海面作業甚至海域航空作業。

開采過程中天然氣水合物的分解，使固結在海底沉積物中的甲烷氣體從水合物中釋放出，會改變沉積物的物理性質，極大地降低海底沉積物的力學特性，使海底軟化，出現大規模的海底滑坡，毀壞海底工程設施，如海底電纜、海洋石油鉆井平臺等。

開采天然氣水合物時最大的難點是保持井底穩定，使甲烷氣體不泄漏。為了采集天然氣水合物，很多國家都在勘探和研究開采方式，科學家認為，一旦天然氣水合物開采技術成熟，它將成為下一世紀的主要能源。

4.4　天然氣水合物的勘探開發和利用情況

天然氣水合物在自然界分布非常廣泛，海底的大陸架和北極等地的永久凍土帶都有可能存在天然氣水合物。

固體狀的天然氣水合物往往分布于水深大于300m的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴深水層的壓力來維持其固體狀態，其分布可以從海底到海底之下1000m的范圍以內，再往深處則由于地溫升高其固體狀態遭到破壞而難以存在。

天然氣水合物的密度接近并稍低于冰的密度，在大陸巖石內的甲烷水合物會受限在深度大于800m的砂巖或粉砂巖巖床中。

天然氣水合物主要儲存于海底或寒冷地區的永久凍土帶，比較難以尋找和勘探。新研制的靈敏度極高的儀器，可以實地即時測出海底土壤、巖石中各種超微量甲烷、乙烷、丙烷及氫氣的精確含量，由此判斷出天然氣水合物資源存在與否和資源量等各種指標。

從20世紀80年代開始，美、英、德、加、日等發達國家紛紛投入巨資，相繼開展了本土和國際海底天然氣水合物的調查研究和評價工作，并在勘查和開發天然氣水合物技術方面取得一定成果。

我國天然氣水合物主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶。2002年，我國同時啟動海域和陸域天然氣水合物的勘探和研究工作。2005年我國宣布，在南海北部發現了大量的自生碳酸鹽巖，該巖層的形成與海底天然氣水合物有關。2009年，我國在青海省祁連山南緣永凍土層下泥質粉砂巖、細砂巖、泥巖的裂隙和夾層中首次鉆獲天然氣水合物實物樣品，遠景資源量估計至少有350×10⁸t油當量。天然氣水合物在青海的發現會給大興安嶺、青藏高原凍土帶的天然氣水合物勘探帶來示范意義。天然氣水合物的開發和利用將為我國經濟建設和社會發展提供更多的清潔能源。

 

參考文獻：

[1]胡楠，胡世杰，蔣皓，等．煤層氣田地面集輸方式以及增壓方式優化[J]．煤氣與熱力，2011，31(9)：B06-B09．

[2]王琳，毛小平，何娜．頁巖氣開采技術[J]．石油與天然氣化工，2011，40(5)：504-509．

 

 

本文作者：楊朔  章磊

作者單位：中國石油天然氣設計有限責任公司西南分公司