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煤层气:“夕阳产业”or“朝阳产业”?

煤层气:“夕阳产业”or“朝阳产业”?

01.煤层气:
煤层气(Coalbed Methane),就是我们闻之色变的“煤矿瓦斯”。它是在成煤过程中伴生的,主要以吸附态储存在煤中的,以甲烷为主要成分的烃类气体。
煤层气是煤矿重大危险源。当其在煤体中以较高的含量存在时就容易在煤炭开采过程造成瓦斯事故。随着近年来国家对煤矿安全生产的高度重视和煤炭工作者的不懈努力,我国煤炭百万吨死亡率明显下降,煤矿安全生产形势稳定好转。瓦斯仍是煤矿生产中不可忽视的危险源,在2018年煤矿各类事故死亡人数中瓦斯事故占19%(见图1)。

图1 2018年煤矿各类事故死亡人数所占比例

图1 2018年煤矿各类事故死亡人数所占比例

煤层气还是一种强温室气体。它的温室效应是二氧化碳的21倍。早期煤矿煤层气利用率低,多被直接抽放进入大气,造成能源浪费的同时也加剧了温室效应。近年来国家对控制碳排放提出了更高要求,特别强调要提高煤层气的开发和利用效率。

煤层气更是新近崛起优质洁净的新能源和化工原料。煤层气是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气。煤层气的热值高(是通用煤的2-5倍);燃烧产物无污染;用途广泛(见图2)。我国的煤层气可采量大,埋深在2000m以浅的煤层气资源量约为36万亿立方米,居世界第3位。

图2 煤层气的主要用途

图2 煤层气的主要用途

煤层气的开发和利用具有一举多得的功效,既能保证煤炭资源的安全高效开采、减缓温室效应,又能作为非常规天然气改善能源结构,缓解当前能源需求紧张的局面。国家在“十三五”规划中将煤层气开发放在了突出地位,以加快培育和发展煤层气产业,推动清洁型能源生产和消费革命。所以,小编想告诉大家,煤层气产业真的是前景光明但又道阻且长的“朝阳产业”!

02.煤层气抽采与煤体孔隙结构:
煤层气抽采就是将解吸煤层气在压差驱动下通过孔裂隙网络组成的渗流通道运移至抽采管路的过程。煤层气的抽采方式一般有两种:地面钻井抽采(见图3)和煤矿井下钻孔抽采(见图4)。我国在煤层气开发上采取“双管齐下”的方针,即地面井抽采与井下钻孔抽采并用,二者产量相当。

图3 地面井抽采煤层气示意图

图3 地面井抽采煤层气示意图
(图片来自网络,侵权请联系作者删除)

图4 煤矿井下钻孔抽采煤层气示意图

图4 煤矿井下钻孔抽采煤层气示意图

煤层气在煤中有三种赋存状态:吸附态、游离态和溶解态。游离态煤层气以自由气体状态赋存在煤层的割理、裂隙和孔隙中,约占10%~20%;吸附态瓦斯吸附在煤的内表面上,占比最大,约占70~95%;溶解态煤层气溶解在煤层水中,占比很小,5%以内。
煤层气的抽采主要经历如下过程:煤体孔隙表面的吸附煤层气脱离孔隙表面而解吸;解吸煤层气在煤体小尺寸孔喉中扩散;扩散作用汇集的煤层气在大尺寸孔裂隙网络中渗流进入抽采管路。(见图5)

图5 煤层气的解吸扩散过程

图5 煤层气的解吸扩散过程

可以看出,煤体内部的孔裂隙是煤层气的储存空间和运移通道,两者之间真的有着“千丝万缕”的联系。
说到这小编要泼一盆冷水,我国煤层普遍具有吸附态煤层气含量高、微小孔隙发育、渗透率较低的特点,这使得常规的井下钻孔或地面井煤层气抽采的工程量巨大但抽采效率低下,投入往往远大于收益。所以,这就需要在煤层气抽采前预先对煤层进行致裂增透,人工构造孔裂隙渗流网络,提高煤层的渗透性。
据小编所知,煤层气的致裂增透方法多种多样,每种方法都有其各自的优势和适用条件。致裂增透方法的提出包含着煤炭工作者的奇思妙想。小编所知的煤层致裂增透方法有:煤层群保护层开采,(脉动)水力压裂,水力割缝、液态二氧化碳相变致裂、液氮超低温致裂、高压电脉冲破碎、物理场激励(超声波、微波)等等等等,小编不再一一细说(不然三天三夜也说不完……)
无论是对不同致裂增透方法效果的评价,还是为煤层气抽采提供技术参数,煤体孔隙结构的精准测试分析都是关键!!!

03.初识煤体孔隙结构(特征参数及分类):
煤是一种特殊的岩石材料,具有双重孔隙(孔隙-裂隙)系统。煤体的孔隙结构很大程度影响煤层气的解吸、扩散和渗流。今天小编先带大家了解常用的煤体孔隙结构特征参数和分类标准。煤体孔隙结构的主要特征参数见表1。

表1 煤体孔隙结构主要特征参数表

表1 煤体孔隙结构主要特征参数表

按孔径的分类:
煤体的孔隙结构常通过孔径进行划分,不同学者因研究目的不同给出了不同的孔径分类标准(见表2)。这其中IUPAC作为国际准则最为常用。

表2 煤体孔隙结构分类方法

表2 煤体孔隙结构分类方法

按孔隙形态的分类:
根据压汞的进退汞曲线和液氮的吸附/脱附曲线的滞后环可以将煤体的开放孔隙分为四类(见表3)。

表3 煤体孔隙形状分类

表3 煤体孔隙形状分类

04.小结:
煤层气,储量丰富,洁净优质,是国家大力倡导开发的前景光明的能源产业。煤体的孔裂隙系统是煤层气的储存空间和运移通道。煤体孔隙结构的精准测试评价是煤层致裂增透方法效果评价和煤层气高效抽采的关键。煤体孔隙结构分类多种多样,可根据不同实验目的进行取舍。

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