煤层气抽采原理及受控因素分析

煤层气抽采原理及受控因素分析

杨传圣

新疆维吾尔自治区煤田地质局156煤田地质队830009

摘要：煤层气即瓦斯，是赋存在煤层中以CH4-为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。煤层气作为气体能源家族三大成员之一，是主要存在于煤矿的伴生气体，也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。目前煤矿瓦斯抽采主要通过地面钻井、矿井钻孔及废矿井排采等，使用不同的排采方式会使煤矿瓦斯浓度大大降低。在传统煤矿开采作业中，往往将煤层气直接排放于大气中，这虽然能够在一定程度上降低煤矿瓦斯浓度，但是却对环境造成了很大破坏，同时浪费了大量能源，因此，加强对煤层气排采技术水平的提升具有一定的必要性。鉴于此，本文是对煤层气抽采原理及受控因素进行分析，仅供参考。

关键词：煤层气；排采技术；设备优选

引言

一、煤层气抽采技术的相关原理

1、煤层气的生成保存原理

煤层气主要是在煤矿形成过程中随之产生的，其主要由CH4构成，煤矿不仅是煤层气的产生地，也是其储存地，由于在煤矿中往往具有足够的空间用于保存煤层气，并可以保证气体正常流通，但是由于煤层气性质的特殊性，使得该气体的储存工作存在一定难度。因此，CH4在煤储层中主要以游离态、溶解态、吸附态三种形式存在。其中，吸附态所占比重最大，其次为游离态，溶解态仅占极少部分。因为煤是双重空隙结构，因此游离态与溶解态的CH4气体主要存储于煤的裂隙中，而吸附态的CH4气体则主要储存于煤基质的细微空隙中。在煤层中，由于煤储层中水、气共存，有一些CH4气体会由于压力溶解于水中，从而形成溶解态CH4气体，不同于溶解态CH4气体，游离状态的CH4气体可以自由游走，因此比较于溶解态CH4气体，游离态CH4气体更具活跃性。而吸附态CH4气体相较于溶解态、游离态CH4气体更具复杂性，吸附态CH4气体是对煤表面的固体分子和煤炭层气体分子进行吸附，因为前一项吸附力大于后一项，因此使煤炭表面形成了一个吸附场，以此来吸附更多气体分子，逐渐形成由吸附质组成的吸附层进行物理吸附，从而以达到热力学平衡。

2、煤层气的运输原理

煤层气的运输原理主要以分离、分流和渗透为主。随着液面高度不断下降，压力不断下降，从而有更多的CH4气体从煤炭分离出来，从而成为自由状态气体，并通过煤炭中细小的空隙向外释放，从而排出地面。分离是随着液面高度不断下降，其压力不断降低，致使吸附在煤储层的气体出现溶解或变成自由状态的过程，当进行生产时，随着压力不断降低，原有平衡被打破，致使原本处于吸附状态的气体停止吸附，分离出来，进入煤炭的一些空隙和裂隙中，成为自由气体，从而形成一种新的平衡，如图1所示。实际上，并不是随着压力的不断降低，处于煤气层的气体就能不断分离出来，煤层气的分离还受到煤储层含气饱和度因素的影响。当气压开始下降时，若煤储层的含气量过低，致使其无法达到饱和状态，即使压力不断下降，也不会从煤炭中分离出来，只有当压力达到临界点，无法再下降时，CH4才能摆脱煤储层的吸附而分离出来。总而言之，只有当煤储层的含气量高时，压力下降，CH4气体才能更容易从煤储层中分离、解吸出来。

图1煤层气的产出及运输过程

二、煤层气抽采的受控因素

1、地质因素

地质条件对于煤层气的抽采来说起着非常重要的作用，如当煤层位于地势较低的位置时，矿井水对产气往往影响较大，而当煤层周围存在断层的情况下，煤层气的储存难度将会大大提升，由于断层的影响，会使本来完整的地层结构与地下水连通，从而使煤层气的水分含量大大提升，另外煤矿的孔隙度、渗透率等条件也会产生变化，同时，煤层气的存在形态与浓度也会随之发生改变。除此之外，由于断层的存在，会使得煤层气发生运移，从而导致煤层气产量相对降低，这在一定程度上增加了煤层气抽采工作的难度。

2、煤储层的渗透性

当煤层渗透能力提升时，压力会随之增大，形成压降漏斗，这会在一定程度上使气体的流动范围大大提升，并且，由于渗透能力提升，使气体更容易向外界扩散，因此，煤层气抽采效率也会得到很大程度的提升。在中国大部分煤层中都普遍存在渗透力低等情况，阳泉矿区也不例外，依据研究区15#煤储层的大裂隙发育特征，对比已知的寿阳太原组煤储层渗透率值，在埋深1000m左右的深度范围内，15#煤的渗透率约为5×10-4μm2。本区15#煤基岩块的孔（微裂）隙度大体上为5%左右，而和顺前南峪、昔阳红土沟和白羊岭却比较高，大多在5%以上。15#煤储层中的大裂隙发育很好，内生裂隙孔隙度较高，裂隙之间的连接也较为充分，其有利于煤层气的流动产出。

3、排采的不连续性

煤层的不连续排采会使煤层气的液面无法较好地保持平衡，因此，地层压力就不能够稳定下降，这会导致产生关井、卡泵等现象，降低煤层气排采效率。不连续排采对煤层气抽采工作的具体影响主要体现在以下三方面：a）地层压力的变化，由于解析出来的煤层气被重新吸附，极其容易造成气锁现象，而压力的变化会使裂缝关闭，降低渗透率，从而使排采工作难度大大提升；b）不连续排采会使液面高度产生波动，从而影响煤层气的连续解析；c）在修井过程中，由于工程颗粒物的污染，会使敏感的煤层受到一定破坏，甚至会堵塞煤层气产气通道，从而使煤层气的排采效率大大降低。此外，回压的产生会使压力的波动范围大大降低，无法形成降压漏斗，煤层气不能够得到有效渗透，导致煤层气无法连续产出。

结束语

伴随着中国煤矿开采规模水平提升，煤产业的市场竞争环境也日益严峻，要想有效提升阳泉矿区的煤层气抽采率，就需要对排采技术的影响因素及相关原理进行分析，从而实现技术的改进与完善。另外，遵守机械设备的使用原则对于排采工作的高效进行也起着非常重要的作用，相关工作人员应该充分考虑影响排采效率的主要因素，并从各方面入手，提升排采效率，为国家经济发展提供充足的能源支持。

参考文献：

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