淺談煤層氣的開發(fā)與利用

淺談煤層氣的開發(fā)與利用摘要煤層氣是一種寶貴而清潔的能源，有很大的利用價值，加大對煤層氣的開發(fā)利用，形成煤層氣產(chǎn)業(yè)將對國民經(jīng)濟發(fā)展起到巨大的推動作用。其帶來效益對緩解國民經(jīng)濟發(fā)展中能源的供求矛盾，改善我國的能源結(jié)構(gòu)，減少煤礦瓦斯災(zāi)害，改善大氣環(huán)境以及促進我國社會與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重大的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。尤其是在當(dāng)前國際國內(nèi)經(jīng)濟高速發(fā)展、能源日漸短缺、環(huán)境壓力和煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢下，煤層氣有效、合理的開采工作顯得更加急迫與重要。本文在研究我國煤層氣資源分布，排采技術(shù)，煤層氣的綜合利用技術(shù)，煤層氣產(chǎn)業(yè)存在的主要問題等，在翻閱相關(guān)書籍資料，查閱網(wǎng)站上一些關(guān)于煤層氣開發(fā)利用的最新動態(tài)后形成自我對于煤層氣開發(fā)利用的認(rèn)識和理解并完成本文。關(guān)鍵字煤層氣產(chǎn)業(yè)煤層氣開發(fā)利用序言中國明確提出加大煤層氣的開采利用力度，把煤層氣作為第二煤炭資源進行開發(fā)，發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)。煤層氣作為寶貴而清潔的能源，其所帶來的產(chǎn)業(yè)將對國民經(jīng)濟發(fā)展起到巨大的推動作用，可謂是利國利民。據(jù)國家開發(fā)和改革委員會制定的“煤層氣開發(fā)利用‘十二五’規(guī)劃”，今后將逐步建立煤層氣和煤礦開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)體系。故加大對煤層氣開發(fā)利用的研究具有很大的現(xiàn)實和經(jīng)濟意義。―、煤層氣的開發(fā)1、煤層氣的介紹煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2-5倍，主要成分為甲烷。1立方米純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。煤層氣空氣濃度達到5%-16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。在采煤之前如果先開采煤層氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%到85%。煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng)；有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng)；作為一種高效、潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。煤層氣或瓦斯的熱值跟甲烷（CH4）含量有關(guān)，地面抽采的煤層氣甲烷（CH4）含量一般大于96.5%，當(dāng)甲烷含量97.8%時，在0°C,101.325kPa下，高熱值：QH=38.9311MJ/Nm3（約9299kcal/Nm3），低熱值：QL=34.5964MJ/Nm3（約8263kcal/Nm3）。井下抽采的煤層氣（瓦斯）目前一般將甲烷（CH4）含量調(diào)整到40.8%后利用，此時瓦斯的熱值為：（在0C,101.325kPa下），低熱值：14.63MJ/m3（約3494kcal/Nm3），高熱值：16.24MJ/m3（約3878kcal/Nm3）。煤層氣可以用作民用燃料、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料、汽車燃料和重要的化工原料，用途非常廣泛。每標(biāo)方煤層氣大約相當(dāng)于9.5度電、3m水煤氣、1L柴油、接近0.8kg液化石油氣、1.1-1.3L汽油，另外，煤層氣燃燒后幾乎沒有污染物，因此它是相當(dāng)便宜的清潔型能源。煤層氣比空氣輕，其密度是空氣的0.55倍，稍有泄漏會向上擴散，只要保持室內(nèi)空氣流通，即可避免爆炸和火災(zāi)。而煤氣、液化石油氣密度是空氣的 1.5—2.0倍，泄漏后會向下沉積，所以危險性要比煤層氣要大的多。煤層氣爆炸范圍為 5—15%，水煤氣爆炸范圍6.2—74.4%，因此，煤層氣相對于水煤氣不易爆炸，煤層氣不含 CO，在使用過程中不會象水煤氣那樣發(fā)生中毒現(xiàn)象。2、 我國煤層氣賦存及分布現(xiàn)狀煤層氣是煤層本身自生自儲式的非常規(guī)天然氣，世界上有74個國家蘊藏著煤層氣資源，中國煤層氣資源量達36.8萬億立方米，居世界第三位。目前，中國煤層氣可采資源量約10萬億立方米，累計探明煤層氣地質(zhì)儲量1023億立方米，可采儲量約470億立方米。中國煤層氣資源的分布主要受煤炭資源分布的制約，兩者的狀況基本一致。據(jù)張新民等的評價結(jié)果，據(jù)煤層氣資源評價，我國埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36萬億立方米，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%。西北地區(qū)煤層氣資源量豐富，約占全國總資源量的60%，中國煤層氣資源量分布相對集中的有13個含煤盆地（地區(qū)），其中主要包括鄂爾多斯盆地（約11.3萬億立方米），晉中南含煤區(qū)（約4.84萬億立方米），吐哈盆地（約4.64萬億立方米），準(zhǔn)噶爾盆地（約3萬億立方米），南華北盆地（約1.68萬億立方米），渤海灣盆地（約1.37萬億立方米），伊犁盆地（約0.92萬億立方米），萍樂凹陷（約435億立方米）和湘中南地區(qū)（約181億立方米）。上述13個含煤盆地（地區(qū)）的煤層氣資源約占全國總資源量的94%。3、 開發(fā)利用現(xiàn)狀煤層氣是近二十年在世界上崛起的新型能源，具有采收率較高、發(fā)熱量高等優(yōu)點，但是目前勘探開發(fā)成本較高，開發(fā)利用技術(shù)還有待于進一步提高。開發(fā)煤層氣這一新型能源對緩解國民經(jīng)濟發(fā)展中能源的供求矛盾，改善我國的能源結(jié)構(gòu)，減少煤礦瓦斯災(zāi)害，改善大氣環(huán)境，以及促進我國社會與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重大的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。在國際上，開發(fā)煤層氣的國家在規(guī)模、技術(shù)、水平和投資各方面都應(yīng)首推美國。早在1953年，美國就在圣胡安盆地鉆探完成了第一口煤層氣開發(fā)實驗井。美國煤層氣的開發(fā)應(yīng)用對全世界產(chǎn)生了重大影響。到目前為止，世界上已有包括加拿大、英國、德國、澳大利亞、俄羅斯、中國以及印度等在內(nèi)的29個國家開展了煤層氣研究、勘探和開發(fā)活動。中國煤層氣地面開發(fā)始于上個世紀(jì)70年代末，上個世紀(jì)90年代，煤層氣開發(fā)試驗出現(xiàn)熱潮，在不同地區(qū)開展了煤層氣開發(fā)試驗。經(jīng)過十余年發(fā)展，取得了重大突破。在“六五”和“七五”期間，煤層氣勘探開發(fā)研究均被列入國家重點科技攻關(guān)課題，并取得了豐碩的成果，使煤層氣勘探開發(fā)具有了大量的科技儲備。在“八五”期間，煤層氣勘探開發(fā)被列入原地礦部勘查項目和國家重點科技攻關(guān)課題，原地礦部還承擔(dān)了聯(lián)合國援助的深層煤層氣勘探開發(fā)項目。中國天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展僅是一個新階段的開始。從整個天然氣上下游一體化的系統(tǒng)工程來看，中國天然氣產(chǎn)業(yè)依然年輕。與其他成熟天然氣市場相比，中國發(fā)展成為成熟天然氣市場的用時將更短。2006年，中國將煤層氣開發(fā)列入了“十一五”能源發(fā)展規(guī)劃，并制定了具體的實施措施，煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迎來了利好的發(fā)展契機。2007年以來，政府又相繼出臺了打破專營權(quán)、稅收優(yōu)惠、財政補貼等多項扶持政策，鼓勵煤層氣的開發(fā)利用，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)化雛形漸顯。我國地質(zhì)條件復(fù)雜，煤儲層具有“三低一高”的特點，即：低壓、低滲、低飽和、高含氣量的特征，需要進一步完善基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)工作。我國對于本層、鄰近層和采空區(qū)的井下煤層氣開采都已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)，還有些關(guān)鍵技術(shù)需進一步完善。從90年代初開始引進國外煤層氣開發(fā)技術(shù)，目前基本掌握了適合我國煤儲層特征的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)，為煤層氣的商業(yè)化開發(fā)創(chuàng)造了條件。下圖為全國歷年來煤層氣井鉆井?dāng)?shù)：4、煤層氣開發(fā)方式與設(shè)備煤層氣的開采一般有兩種方式：一是地面鉆井開采；二是井下瓦斯抽放系統(tǒng)抽出。地面鉆井開采的煤層氣和抽放瓦斯都是可以利用的，通過地面開采和抽放后可以大大減少風(fēng)排瓦斯的數(shù)量，降低了煤礦對通風(fēng)的要求，改善了礦工的安全生產(chǎn)條件。地面鉆井開采方式，國外已經(jīng)使用，中國有些煤層透氣性較差，地面開采有一定困難，但若積極開發(fā)每年至少可采出50億立方米；由于過去除了供暖外沒有找到合理的利用手段，未能充分利用，所以，抽放瓦斯絕大部分仍然排入大氣，花去了費用，浪費了資源，污染了環(huán)境。煤層氣開采主要設(shè)備可分為有桿類設(shè)備和無桿類設(shè)備兩類。前者又可分為抽油桿往復(fù)運動類（如國內(nèi)外大量使用的油梁式和無油梁式抽油機）和旋轉(zhuǎn)運動類（如電動淺油螺桿泵） ，后者主要為電動淺油離心泵。目前，多采用有桿類設(shè)備，即油梁式抽油機和柱塞泵組合、或地面驅(qū)動頭和地下螺桿泵組合，也有采用電淺泵的。前者多用于煤層氣井產(chǎn)水量較低、煤層較淺、水中雜質(zhì)含量少的情況，螺桿泵主要用于煤層淺但水中煤粉等固體雜質(zhì)含量較高的情況，煤層氣井產(chǎn)水量大時可選用電淺泵。5、煤層氣的排采技術(shù)二、煤層氣的利用技術(shù)1、煤層氣作為化工原料現(xiàn)階段煤層氣用作化工原料主要是生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙炔、氯甲烷、氫氰酸、二硫化碳等下游加工產(chǎn)品，而主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是合成氨和甲醇。以煤層氣為原料生產(chǎn)合成氨和尿素是經(jīng)濟的原料路線。我國是農(nóng)業(yè)大國，化肥需求量大，為改善環(huán)境和提高效益，在煤層氣產(chǎn)區(qū)附近建設(shè)合成氨一尿素裝置是相對合理的。尿素造粒采用精種造粒法生產(chǎn)大顆粒尿素，以提高尿素肥效。2、 煤層氣發(fā)電1985?2000年，天然氣在全球發(fā)電領(lǐng)域的消費增長速度平均為2%,增長部分主要集中在發(fā)達國家。發(fā)展中國家電價承受能力較低和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不嚴(yán)，天然氣發(fā)電還未得到普遍采用。但是，隨著天然氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置單機容量的不擴大，熱率不斷提高，以及優(yōu)越的環(huán)保效益，天然氣發(fā)電在發(fā)展中國家將有廣闊發(fā)展前景。即使資源缺乏地區(qū)也在積極研究進口液化天然氣(LNG)發(fā)電，如我國東南沿海的上海、福建、廣東等，進口LNG主要用于發(fā)電。煤層氣作為天然氣的替代產(chǎn)品，在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用極為普遍，尤其是低濃度煤層氣發(fā)電。煤層氣發(fā)電與其他火電相比，具有明顯的特點：對環(huán)境的污染小——天然氣由于經(jīng)過了凈化處理，含硫量極低，每億千瓦時電排放的SO2為2t，僅是普通燃煤電廠的千分之一。另外耗水量少，只有煤發(fā)電廠的1/3，因而廢水排放量減少到最低程度。至于灰渣，排放量為零，遠遠優(yōu)于煤電；熱效率高；占地小，定員少；投資省；調(diào)峰性能好；發(fā)電成本低。由此可見，煤層氣發(fā)電比燃煤發(fā)電有更好的社會效益和經(jīng)濟效益，更適合作為城市調(diào)峰電廠燃料。晉城煤業(yè)集團利用井下抽采的煤層氣發(fā)電，建設(shè)一座裝機容量為12MW的煤層氣發(fā)電廠，年利用煤層氣1.8億M3。3、 煤層氣用作工業(yè)燃料煤層氣與燃料煤相比，除NOx、COx含量低和幾乎含硫等特性外，還具有燃燒及使用效率高等優(yōu)點。用煤層氣直接替代煤和石油，C、N、S的氧化物及有害粉塵的排放均會降低。各種工業(yè)燃料排放量。煤層氣替代煤和石油可使燃燒廢物排放量大幅降低，其中硫氧化物和粉塵下降最為顯著。當(dāng)煤層氣應(yīng)用范圍達到一定程度時，以煤的煙塵、煤與石油燃燒后排放的S02為主體的空氣污染將得到有效抑制，空氣質(zhì)量將得到明顯改善。煤層氣做工業(yè)燃料主要用于鍋爐燃料、金屬冶煉、瓷磚類建材煉制等。煤層氣代替煤制氣、油類等用于冶金和瓷磚時可提高產(chǎn)品質(zhì)量，更大的優(yōu)點是改善了環(huán)境、降低了污染。隨著環(huán)保執(zhí)法力度的不斷加強，今后市區(qū)小型燃煤鍋爐將逐步被淘汰，取而代之產(chǎn)將是天然氣或煤層氣的燃氣鍋爐，啟動快，供熱迅速，清潔無污染，是中小型工業(yè)鍋爐未來的發(fā)展方向。2000-2007我國煤層氣利用率統(tǒng)計三、煤層氣開發(fā)利用過程中面臨問題及對策1、我國煤層氣產(chǎn)業(yè)還是存在很多問題：難題一：管道建設(shè)滯后中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲緩，難以實現(xiàn)“十一五”既定目標(biāo)，專家表示，造成這種情況的原因有很多，首當(dāng)其沖的是管道運輸問題。業(yè)內(nèi)人士表示，煤層氣長輸管網(wǎng)建設(shè)滯后，管道短、管徑細、分布碎，開發(fā)與輸送銜接不暢，制約了煤層氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用，造成開采量上不去，開采多了又賣不掉。數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)煤層氣管道總長度每年增加不到5000米，且多是局部聯(lián)網(wǎng)，難以形成規(guī)模。據(jù)了解，目前國內(nèi)煤層氣企業(yè)除中石油外，全都沒有自己的長距離輸氣管道，供給中石油管道的煤層氣受到價格和數(shù)量限制，只能就近銷售或小規(guī)模液化。長輸管道公司對煤層氣市場的壟斷、獨立建設(shè)管道的資金壓力成為橫亙在開發(fā)煤層氣企業(yè)面前的一座大山。難題二：價格打壓企業(yè)積極性國務(wù)院有關(guān)文件規(guī)定，國內(nèi)煤層氣價格由供需雙方協(xié)商確定，不實行國家定價。對煤層氣勘探開發(fā)作業(yè)的設(shè)備等免征進口關(guān)稅和進口環(huán)節(jié)增值稅，中央財政按0.2元/立方米煤層氣折純標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)補貼。但實踐中，煤層氣的生產(chǎn)商不但“占不了什么便宜”甚至有“賠本”的危險。煤層氣價格目前執(zhí)行的是與天然氣價格掛鉤，但一些地方政府干預(yù)煤層氣價格，造成煤層氣價格比天然氣價格還低。低氣價雖然對居民有利，但是企業(yè)的利益難以保證。而煤層氣的開采成本很高，一口井少則一兩百萬元多則上千萬元，有時打了一口井，找不到氣，又是一大筆損失。難題三：監(jiān)管體制待完善煤層氣是附著在煤顆粒表面上的吸附氣。如何處理“煤”和“氣”的關(guān)系成為煤層氣大規(guī)模開發(fā)必須解決的問題。資料顯示，全國6.5萬平方公里煤層氣礦業(yè)權(quán)有1.2萬平方公里與煤炭礦業(yè)權(quán)重疊，涉及260個煤炭探礦權(quán)和1100個煤炭采礦權(quán)。煤炭和油氣分別屬于不同行業(yè)開采，煤層氣和煤炭的礦權(quán)重疊矛盾突出，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)陷入進退兩難的境地。除礦區(qū)重疊之爭外，煤層氣的管理和監(jiān)管問題也是業(yè)界關(guān)心的焦點?，F(xiàn)在煤層氣開采沒有專門的法律進行規(guī)范，多是法律效力較小的部門規(guī)章。有資質(zhì)沒資質(zhì)的企業(yè)都上，造成資源浪費和無序開發(fā)，從業(yè)人員的安全也得不到保障。建立符合煤層氣產(chǎn)業(yè)特點的市場準(zhǔn)入、項目核準(zhǔn)、政府監(jiān)管等機制，加強煤層氣行業(yè)管理，規(guī)范煤層氣企業(yè)開發(fā)利用行為和政府監(jiān)管行為，已成為業(yè)界的共識。2、相關(guān)建議對策（1） 加強宏觀調(diào)控，完善煤炭和煤層氣資源政策法規(guī)體系由于煤層氣不同于石油等資源，在短時間內(nèi)難以獲得可觀的經(jīng)濟效益，煤層氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)必須已靠政府在政策，科研，資金上給予支持。而煤炭與煤層氣是兩個獨立的礦種，賦存于同一個空間，但開采方式截然不同。煤炭作為我國一次性能源主體地位，今后相當(dāng)一段時間不會改變。開發(fā)利用煤層氣要與煤炭開發(fā)利用相互協(xié)調(diào)，要通過立法手段，充分發(fā)揮政府在調(diào)度社會資源、組織協(xié)調(diào)，及時解決礦權(quán)重疊矛盾方面的主導(dǎo)作用，保障煤層氣資源與煤炭資源勘察、開采的時空配置合理有序，實現(xiàn)兩個行業(yè)之間良好運作，互利共贏，形成煤層氣與煤炭總和開采模式，加快我國煤層氣產(chǎn)業(yè)步伐，保障煤礦開發(fā)安全。（2） 借鑒國外技術(shù)，結(jié)合自身特點，自主創(chuàng)新，尋找適合自己的開發(fā)道路我國煤層氣開發(fā)利用相對于世界滯后，也就是說我們必須借鑒國外的一些可靠經(jīng)驗，加強對外合，引進先進技術(shù)來發(fā)展自己。但同時，我國煤層氣分布狀況又有著獨特的地方，比如在地質(zhì)構(gòu)造，產(chǎn)狀，埋藏條件等諸多方面不同于其他地方，應(yīng)該采用什么手段，哪些方法可以直接引進，哪些又必須特殊對待的值得我國煤層氣開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)企業(yè)認(rèn)真考慮，開拓。因此，我們既要集思廣益，又要獨立創(chuàng)新，要結(jié)合本國煤層氣賦存特點，設(shè)計出一條適合自己發(fā)展的道路。四、結(jié)論建國以來，我國在瓦斯賦存、瓦斯涌出規(guī)律方面，通風(fēng)、抽放治理瓦斯方面，煤與瓦斯突出發(fā)生機理、防治技術(shù)方面，以及瓦斯利用等方面均建立了相應(yīng)的學(xué)科、研究體系，并在上述瓦斯研究方面取得了豐碩的成果，為煤礦安全提供了強有力的技術(shù)保障。但是，煤層氣利用還沒有進入實質(zhì)性商業(yè)開發(fā)，沒有取得真正的突破性進展。據(jù)了解，我國煤層氣開發(fā)起步晚，基礎(chǔ)理論和技術(shù)上都無法與常規(guī)天然氣相比。尤其是我國煤層氣儲層與美國相比普遍存在低壓、低滲、低飽和的“三低”現(xiàn)象，從理論和技術(shù)方面都存在若干關(guān)鍵性難題。目前我國技術(shù)人員雖然已基本掌握關(guān)于煤層氣開發(fā)的常規(guī)技術(shù)。然而，由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，即使是美國煤層氣開發(fā)商在我國從事煤層氣風(fēng)險勘探也少有突破。因此，我國的煤層氣研究在關(guān)鍵技術(shù)的攻、已有成果的推廣應(yīng)用及成果轉(zhuǎn)化方面還有諸多工作要做。學(xué)習(xí)了煤層氣勘探開發(fā)這門課，我感觸頗深。雖然說，我是經(jīng)管學(xué)院的一名學(xué)生，但對數(shù)學(xué)對理科知識還是比較感興趣的，尤其是因為我們河南理工大學(xué)采礦、安全等能源方面學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀及前景頗好，所以，作為這里的一名學(xué)子，我不能對這些學(xué)科知識一無所知。倪老師講課認(rèn)真負責(zé)，而且對我們說了那么多實