陳 飛,程 軍,姚光華,向曉軍,李妍均

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶 400042;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心,重慶 400042)

重慶地區(qū)煤層氣資源開(kāi)發(fā)模式研究

陳 飛1,2,程 軍1,2,姚光華1,2,向曉軍1,2,李妍均1,2

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶 400042;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心,重慶 400042)

通過(guò)研究分析目前國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)模式,結(jié)合重慶地區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況,提出了適合重慶地區(qū)的綜合開(kāi)發(fā)模式。即：采煤前地面壓裂抽采 ,預(yù)抽原始煤層的煤層氣;采煤時(shí)井下預(yù)抽 ,利用采掘工作的超前壓力 ,開(kāi)采卸壓 ,進(jìn)行井下煤層氣抽采;采空區(qū)及廢棄礦井煤層氣抽采 ,通過(guò)地面鉆井、埋管及巷道抽采煤層氣;以及礦井通風(fēng)煤層氣的回收利用。形成了煤層氣綜合性規(guī)模開(kāi)采的一種最為經(jīng)濟(jì)、有效的模式,同時(shí)也指出了這一模式需要解決的主要問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)。

煤層氣;開(kāi)發(fā)模式;可行性

重慶地區(qū)煤層氣資源蘊(yùn)藏量十分豐富。據(jù)初步預(yù)測(cè)的 12個(gè)含氣塊段,礦山垂深 600m內(nèi)煤層氣資源為 1.8806×1010m3(均為純量,以下相同),按垂深 1500m預(yù)測(cè)煤層氣遠(yuǎn)景資源量為 2.006×1011m3,煤層氣資源總量達(dá) 2.194×1011m3[1-2]。

煤層氣是一種新型潔凈能源,其開(kāi)發(fā)利用在一定程度上彌補(bǔ)油氣資源的不足;減輕礦井災(zāi)害程度和降低礦井生產(chǎn)成本;減少溫室氣體排放,保護(hù)大氣環(huán)境。因此,煤層氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 重慶煤層氣資源開(kāi)發(fā)情況

1.1 主要礦區(qū)煤層氣地質(zhì)概況

重慶市含煤地層時(shí)代較多,但主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M/吳家坪組和三疊系上統(tǒng)須家河組,含煤地層受構(gòu)造控制,具明顯的帶狀分布。煤層氣分布相對(duì)集中,主要有南桐、松藻、天府、中梁山和永榮 5大礦區(qū)。

1.1.1 南桐礦區(qū)煤層氣資源賦存狀況

區(qū)內(nèi)含煤地層屬上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M,共含煤 6層,其中 6號(hào)煤層全區(qū)可采。本區(qū)煤層屬變質(zhì)程度較高的瘦煤、肥煤或焦煤,煤層傾角 30～70°。各煤層煤層氣壓力 5～7MPa,煤層氣含量 16～22m3/t,資源豐度為 8×107m3/km2,煤層透氣性系數(shù)2.9～3.5×10-3m2/MPa2·d,工作面正常瓦斯涌出量 3～5m3/min,有時(shí)超過(guò) 5m3/min。

1.1.2 天府礦區(qū)煤層氣資源賦存狀況

礦區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M (P2l),各礦井一般含煤 4～6層,平均可采厚度 4.34～7.44m。除 K2煤層 (厚度 2.9～3.66m)為中厚煤層全礦區(qū)可采外,其余均為薄煤層,平均在 1m以下。煤層傾角變化不大,一般為 20～40°,屬傾斜煤層。磨心坡煤礦、劉家溝煤礦及楊柳壩煤礦煤層傾角一般 50～70°,屬急傾斜煤層。

礦區(qū)煤層原始煤層氣壓力最高達(dá) 13.9MPa,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量 14.37～35.87m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為 25.48～60.20m3/t,資源豐度為 7.8×107m3/km2。

1.1.3 松藻礦區(qū)煤層氣資源賦存狀況

松藻礦區(qū)區(qū)內(nèi)含煤地層屬二疊系龍?zhí)督M,含可采或局部可采煤層M6,M7,M8,M11,M12等煤層,M8煤層平均厚度 2.02～3.83m,約占礦區(qū)總儲(chǔ)量的 60%,其余各煤層均為局部可采煤層。根據(jù)打通一礦生產(chǎn)中測(cè)定資料,M6,M7,M8,M11,M12煤層的平均瓦斯含量分別為 14.58,18.59,17.85,17.35,19.70m3/t。煤層傾角較緩,各煤層一般煤層氣含量在 17～20m3/t,最高達(dá)到29m3/t,煤層氣壓力 1.2～3.25MPa,整個(gè)礦區(qū)煤層氣蘊(yùn)藏量大,資源豐度為 1.71×108m3/km2。

1.1.4 中梁山礦區(qū)煤層氣資源賦存狀況

中梁山礦區(qū)含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系,轄屬兩對(duì)礦井分別開(kāi)采中梁山背斜煤層,屬急傾斜近距離的煤層群,地層傾角一般大于 45°,共含煤層 10層,平均總厚度 14.09m,中梁山煤層煤層氣含量平均達(dá) 20.57m3/t。210m水平最大瓦斯壓力為 2.9MPa,130m水平為 3.5MPa,資源豐度為1.64 ×108m3/km2。

1.1.5 永榮礦區(qū)煤層氣資源賦存狀況

區(qū)內(nèi)含煤地層主要為上三疊統(tǒng)須家河組,一般含煤 10多層,最少 5層,其中永川煤礦主采 7號(hào)煤層,平均厚 1.14m,煤層埋藏最高標(biāo)高約 -200～-500m。西山礦區(qū)瓦斯含量平均 11.5 m3/t,含氣飽和度 38%,資源豐度最大 5.18×108m3/km2。

表1 重慶煤層氣抽采情況

2 煤層氣開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)

2.1 煤層氣地面抽采情況

中梁山在煤層氣地面抽采方面做過(guò)試驗(yàn),1998年打了 2口地面抽放井,分別為 157m和 161.5m。第 1口井抽了 3a,第 2口抽了 2a,由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有重視,未對(duì)抽采總量進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。雖然當(dāng)時(shí)的煤層氣孔并未進(jìn)行壓裂和負(fù)壓抽采等增產(chǎn)措施,但其產(chǎn)量仍具有一定商業(yè)價(jià)值,所以重慶地區(qū)的煤層氣地面抽采也具有一定的可能性。

2.2 煤層氣井下抽采情況

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,隨著開(kāi)采深度加深,煤層中瓦斯含量急劇增加,煤礦瓦斯災(zāi)害就越加突出,南桐、天府、松藻、中梁山以及部分區(qū)縣開(kāi)采二疊系煤層的煤礦均為煤與瓦斯突出的高瓦斯礦井,為解決煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題,從上世紀(jì) 60年代初開(kāi)始,先后建立了瓦斯抽放系統(tǒng),進(jìn)行邊抽放邊開(kāi)采,年度瓦斯抽放量和利用量一直走在全國(guó)前列。截止2010年 9月 4個(gè)礦區(qū)年抽放量總計(jì)達(dá) 5.21566×109m3,2009年抽放率 37.65%～71.21%,開(kāi)采中產(chǎn)生大量的煤層氣 /瓦斯隨通風(fēng)排放到大氣中,造成了大氣污染,同時(shí)也浪費(fèi)了資源。

重慶地區(qū)井下抽采技術(shù)較為成熟,起步較早,幾大礦區(qū)也成為全國(guó)的瓦斯抽放示范區(qū)。但近兩年隨國(guó)家煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,井下抽采技術(shù)進(jìn)步,重慶地區(qū)的抽采技術(shù)已相對(duì)落后,主要表現(xiàn)在中梁山煤田煤層氣抽采量不夠,南桐、永榮抽采煤層氣濃度較低,南桐、松藻煤層氣利用率較低等方面。各礦區(qū)煤層氣抽采利用情況詳見(jiàn)表 1。

2.3 煤層氣利用情況

重慶能源投資集團(tuán)規(guī)劃在 2009-2012年,投資 21億元,重點(diǎn)開(kāi)展 15個(gè)煤層氣綜合利用項(xiàng)目建設(shè)。其中：煤層氣凈化提純項(xiàng)目 2個(gè),投資 12.33億元,年凈化煤層氣逐步達(dá)到 2.5×108m3;風(fēng)排瓦斯綜合治理項(xiàng)目 5個(gè),投資 2.14億元,年處理1.314×1010m3的風(fēng)排瓦斯;瓦斯發(fā)電項(xiàng)目 6個(gè),投資 1.47億元,建設(shè)瓦斯發(fā)電站 9座,總裝機(jī)為34MW;煤層氣設(shè)施、設(shè)備改造更新項(xiàng)目 2個(gè),投資 4.75億元。

2.4 煤層氣開(kāi)發(fā)必要性

煤礦瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅之一。我國(guó)國(guó)有煤礦高瓦斯和瓦斯突出礦井占總礦井?dāng)?shù)的 46%,瓦斯事故頻繁[5]。在中國(guó)煤礦重大惡性事故中,瓦斯爆炸引起的事故約占 70%～80%,造成的傷亡占到特大事故傷亡人數(shù)的 90%。

重慶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重,是原煤炭部確定的五省一市一局重災(zāi)區(qū)之一,列 7個(gè)重災(zāi)區(qū)之首。截至 2004年底,重慶市共有各類(lèi)煤礦1483個(gè),其中市屬?lài)?guó)有重點(diǎn)礦 21個(gè),區(qū)縣地方國(guó)有礦 40個(gè),鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦 1422個(gè),已有 80多對(duì)礦井先后發(fā)生了煤與瓦斯突出[6]。

瓦斯不僅是礦工的生命殺手,還是人類(lèi)生存環(huán)境的破壞者。甲烷排入大氣層,不僅因其溫室效應(yīng)引起氣候異常,而且消耗大氣平流層中的臭氧,對(duì)臭氧層的破壞能力是 CO2的 7倍,嚴(yán)重削弱了臭氧層對(duì)太陽(yáng)紫外線侵襲的防護(hù)作用。

3 重慶煤層氣綜合開(kāi)發(fā)模式研究

重慶地區(qū)大部分區(qū)域?qū)俦∶簩?構(gòu)造復(fù)雜多變,區(qū)域差異明顯,選擇一種開(kāi)采工藝用于全市不太可能。根據(jù)重慶地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件,結(jié)合目前煤層氣開(kāi)發(fā)工藝,提出最為經(jīng)濟(jì)有效的煤層氣綜合開(kāi)發(fā)模式。

3.1 地面壓裂抽采

原始煤層的地面鉆井采前預(yù)抽主要是先采用地面鉆井,通過(guò)壓裂等增產(chǎn)措施,然后排采,對(duì)原始煤層進(jìn)行煤層氣預(yù)抽。地面煤層氣預(yù)抽期一般為 7～8a,最長(zhǎng) 10a,通過(guò)對(duì)分支水平井開(kāi)采可縮短為3～5a,經(jīng)過(guò)此預(yù)抽期,煤層氣采收率為 30%～40%。地面鉆井采前預(yù)抽煤層氣主要適用于煤層原生結(jié)構(gòu)較為完整、滲透性較高的礦區(qū) ,不適用于構(gòu)造煤發(fā)育的礦區(qū)。

目前此開(kāi)發(fā)模式在山西沁水盆地的南部地區(qū)取得了突破。該工藝要求：地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、地層傾角小、煤層氣含量大、滲透率較高、地形較為平坦等較多有利地質(zhì)條件。重慶部分地區(qū),特別是松藻礦區(qū),構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、地層傾角較小,煤層氣含量大,資源豐度高等有利條件,適合地面抽采。

3.2 井下預(yù)抽

在煤層氣地質(zhì)條件較好的區(qū)域,地面鉆井抽采煤層氣一段時(shí)間之后,通過(guò)井下鉆孔與地面聯(lián)動(dòng)抽采,可大幅度提高抽采效果。而對(duì)于不適合地面鉆井開(kāi)采煤層氣的地區(qū),直接采用煤礦井下預(yù)抽煤層氣,即煤層在開(kāi)采之前對(duì)其進(jìn)行采前預(yù)抽,盡可能降低礦井煤層氣涌出量和巷道中的煤層氣濃度,降低煤層中的煤層氣壓力和煤層氣含量。

該開(kāi)發(fā)模式在重慶地區(qū)已應(yīng)用多年,技術(shù)相對(duì)成熟,幾乎所有高瓦斯礦井都建立了單獨(dú)的抽放系統(tǒng),獨(dú)立的管道,對(duì)煤層氣含量大,煤層氣地質(zhì)條件差的區(qū)域取得了較好的效果,但在構(gòu)造煤發(fā)育,滲透率低的區(qū)域效果較差。

3.3 采空區(qū)抽采和廢棄礦井的煤層氣抽采

在主采煤層開(kāi)采之后,卸壓更為充分,不可采煤層也相應(yīng)卸壓解吸,向采空區(qū)涌出大量煤層氣。此階段仍利用前期地面鉆井,經(jīng)過(guò)修井減少采動(dòng)對(duì)鉆井的影響,并在井下對(duì)采空區(qū)嚴(yán)密封閉,確保采空區(qū)煤層氣達(dá)到一定濃度,再通過(guò)埋管及巷道抽采等方法抽采煤層氣,該工藝在中梁山礦區(qū)已采用。

根據(jù)煤體解吸規(guī)律,采空區(qū)煤層氣抽采可維持很多年,考慮其經(jīng)濟(jì)性,此階段一般為 4～5a,煤層氣采收率為 15%～25%,廢棄礦井的煤層氣抽采要根據(jù)具體條件而定。

3.4 礦井通風(fēng)的煤層氣回收利用

目前,我國(guó)煤層氣綜合利用工作只是針對(duì)煤層氣抽采礦井,而實(shí)際上全國(guó)每年有 90%的來(lái)自礦井回風(fēng)流中的濃度低于 1%的煤層氣被直接排放到大氣中,既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境,因此,合理回收利用回風(fēng)流中的煤層氣具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。

礦井通風(fēng)中的煤層氣含量雖然比較低,但是由于礦井通風(fēng)量比較大,所排放的煤層氣也是相當(dāng)可觀。據(jù)統(tǒng)計(jì),重慶地區(qū) 5大礦務(wù)局 2008年至 2010年 9月排空瓦斯量就高達(dá) 1.23093×109m3。礦井通風(fēng)的煤層氣回收利用,不僅可以大大降低礦井通風(fēng)的投入,而且可以為企業(yè)增加潔凈能源,目前重慶地區(qū)也在積極開(kāi)展礦井通風(fēng)煤層氣的利用。

4 煤層氣綜合開(kāi)發(fā)需解決的問(wèn)題

4.1 煤層氣賦存、涌出和抽采變化規(guī)律

對(duì)重慶地區(qū)高煤層氣礦區(qū)進(jìn)行認(rèn)真的分析和篩選,從煤田地質(zhì)特征、煤層氣成藏理論與賦存狀態(tài)、涌出及抽放規(guī)律、抽放利用現(xiàn)狀等基礎(chǔ)資料出發(fā),計(jì)算礦區(qū)煤層氣可采資源量,建立抽放預(yù)測(cè)模型,同時(shí)探討適合中小型煤炭生產(chǎn)基地的最佳抽采方式。

4.2 煤層氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

(1)煤層氣先導(dǎo)性試驗(yàn)研究 重慶地區(qū)未開(kāi)展煤層氣地面抽采技術(shù)的試驗(yàn),由于重慶地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜多變,需積極開(kāi)展煤層氣地面抽采先導(dǎo)試驗(yàn),摸清重慶地區(qū)煤層氣的儲(chǔ)層物性以及合適的開(kāi)發(fā)工藝。

(2)煤層氣井下抽采技術(shù)研究 探索適合重慶地區(qū)煤層地質(zhì)條件的井下抽采技術(shù),包括低滲透硬煤層井下壓裂抽采技術(shù),該技術(shù)在河南已取得較大的成效。低滲透軟煤層采動(dòng)區(qū)抽放工藝技術(shù)、松軟突出煤層長(zhǎng)鉆孔施工工藝和設(shè)備、采動(dòng)影響區(qū)影響范圍及影響程度的定量化預(yù)測(cè)技術(shù)、采空區(qū)低負(fù)壓大流量抽采高濃度煤層氣技術(shù)等,以期提高煤層氣抽采水平、質(zhì)量和抽采率。

(3)低濃度煤層氣利用技術(shù)研究 重慶地區(qū)低濃度煤層氣 (6%～25%)已得到利用,但超低濃度的煤層氣,如礦井乏風(fēng)含有的煤層氣濃度小于1%,由于無(wú)法利用,都直接排向了大氣。所以,有必要對(duì)不同規(guī)模、不同濃度的煤層氣的利用技術(shù)進(jìn)行研究,著重研究低濃度煤層氣利用技術(shù),包括低濃度煤層氣變壓吸附提純技術(shù)、甲烷冰提純技術(shù),以期最大限度地利用資源,減少浪費(fèi)和污染。

4.3 政府進(jìn)一步出臺(tái)相應(yīng)政策措施加以引導(dǎo)

煤層氣開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)還處于起步階段,需要國(guó)家進(jìn)一步研究并出臺(tái)鼓勵(lì)煤層氣開(kāi)發(fā)的前期投入及吸引投資、融資的措施,以及限制排放的政策法規(guī),理順煤炭開(kāi)采與煤層氣開(kāi)發(fā)利用之間的關(guān)系,以促進(jìn)煤炭開(kāi)采與煤層氣開(kāi)發(fā)協(xié)調(diào)快速發(fā)展。

常規(guī)井下抽采工藝非常成熟,只需要適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和引進(jìn)國(guó)內(nèi)外一些先進(jìn)的工藝和設(shè)備即可,投資小,收益快,既能有效地防治煤與瓦斯突出事故,也能為企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)重慶地區(qū)煤層氣資源豐富,特別是南桐、天府、松藻、中梁山、西山礦區(qū)和瀝鼻峽礦區(qū)資源豐富,具有煤層氣開(kāi)發(fā)利用的資源條件。

(2)重慶地區(qū)瓦斯突出嚴(yán)重,煤層氣的開(kāi)發(fā)利用能有效減少瓦斯突出危險(xiǎn),提高和改善煤礦安全生產(chǎn)條件,開(kāi)展煤層氣的開(kāi)發(fā)研究非常必要。

(3)由于重慶地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜,地層傾角變化大、煤層厚度小、滲透率低、地表起伏大,交通不便等因素制約,煤層氣開(kāi)發(fā)模式最好以井下抽采為主,地面直井抽采、采空區(qū)和廢氣井抽采加以通風(fēng)煤層氣回收的綜合開(kāi)發(fā)模式。

(4)要進(jìn)一步提高煤層氣的綜合開(kāi)發(fā)程度,還需在關(guān)鍵技術(shù)方面加以研究,以及政策的引導(dǎo)。

[1]重慶市統(tǒng)計(jì)局.重慶統(tǒng)計(jì)年鑒—2004[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2004.

[2]重慶市人民政府.重慶市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃 [R].2003.

[3]重慶市煤田地質(zhì)研究所.重慶市煤炭工業(yè) “十五”計(jì)劃和2015年規(guī)劃 [R].2004.

[4]傅雪海,秦 勇,韋重韜 .煤層氣地質(zhì)學(xué) [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[5]孫茂遠(yuǎn) .煤層氣開(kāi)發(fā)利用的若干問(wèn)題 [J].中國(guó)煤炭,2005,31(3)：5-8.

[6]李北平 .重慶地區(qū)煤與瓦斯突出特征及其地質(zhì)影響因素分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(3)：69-70.

[責(zé)任編輯：施紅霞 ]

Research on Development Mode of Coal-bed Gas in Chongqing Area

CHEN Fei1,2,CHENG Jun1,2YAO Guang-hua1,2,XIANG Xiao-jun1,2,LI Yan-jun1,2
(1.Chongqing Municipal Key Laboratory of Exogenous Mineralization&Mine Environment,Chongqing Geological Minerals Research Institute,Chongqing 400042,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources&Safe Mining,Chongqing Research Center,Chongqing 400042,China)

Combined with actual geological conditions of Chongqing Area,a comprehensive development mode of coal-bed-gas was put forward by analyzing current development modes in domestic and overseas.That is：surface draining gas in original coal-seam before mining,underground drainage in mining pressure-relief area and draining gas in gob and refused mines by surface drilling,utilizing buried pipe and roadway and collecting gas in ventilation.It was a most economical and effective mode of coal-bed-gas comprehensive utilization.Main problems and key technology of this mode was present also.

coal-bed-gas;development mode;feasibility

TD712.6

A

1006-6225(2011)01-0028-04

2010-11-03

重慶市國(guó)土與房屋管理局科研項(xiàng)目：重慶市煤炭資源勘查瓦斯評(píng)價(jià)方法研究 (DYY5095012010016)

陳 飛 (1981-),男,重慶石柱人,碩士,主要從事煤、瓦斯和煤層氣生產(chǎn)和科研工作。