煤层气钻井多功能性及其综合效益研究

冯立杰 翟雪琪 王金凤 姜锡慧

(1.郑州大学管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤层气开发利用有限公司,河南 450016)

1 引言

煤层气俗称“瓦斯”,是一种赋存于煤层及其围岩中的与煤炭共伴生的混合气体,其主要成份为甲烷 (CH4)。中国埋深浅于2000m的煤层气资源量为36.8万亿m3,居世界第三位。中国煤层气可采资源量约10万亿m3,累计探明煤层气地质储量1023亿m3。自煤层气开发列入了“十一五”能源发展规划,政府又相继出台了税收优惠、财政补贴等多项扶持政策,鼓励煤层气的开发利用。

煤层气的开发可以有效减少温室气体排放,又可作为一种高效、洁净能源,最重要的是提高瓦斯事故防范水平,保证煤炭开采的安全。据统计,2009年我国煤矿事故死亡2700人左右,其中煤矿瓦斯事故死亡700余人,可见,煤矿瓦斯仍然是煤矿事故的“杀手”。实现煤矿安全生产的重点是降低瓦斯的浓度,只有先采气后采煤,才能有效地减少采煤过程中的矿井瓦斯涌出量,从而减少瓦斯事故的发生。因此,煤层气的抽采对保证煤矿安全生产起着至关重要的作用。然而,煤层气的抽采利用始终离不开钻井这一关键要素,因此如何实现钻井的多功能性以及对其综合效益进行评估成为煤层气开发中需要关注的问题。本文通过分析钻井的多功能性,从煤层气井建设成本、安全效益、能源效益及环境效益等四方面来衡量钻井的综合效益,构建了评估模型,为我国煤层气项目的综合效益评估提供了理论参考。

2 煤层气钻井的多功能性分析

我国煤层气开采方式分为地面开采煤层气和井下抽采煤矿瓦斯,地面开发煤层气是在煤炭未开采区域从地面打钻,采用石油天然气开采工艺进行。通过普查、详查、精查等过程进行勘探,利用各种手段,找到具有开采价值的煤层气富集区,然后进行地面钻井、下套管、测井和完井等工序,从而开采煤层气。

煤矿瓦斯抽采主要为保证煤矿安全生产需要而进行的,其抽采方式主要有采前预抽,边掘边抽以及采空区抽采。同理,地面钻井也可以实现采前预抽,边采边抽及采空区抽采,此外还可用作其他需要连通井上下的通道之用。因此,从时间序列的角度,煤层气开发利用中钻井的多功能性主要体现以下方面：

(1)用于煤炭资源和煤层气资源的勘探

煤层气是煤炭的伴生矿产,因而勘探资源时可以实现钻井的“一孔多用”功能,既探煤又探气。

对于煤炭勘探区,在勘探煤炭资源的同时,勘探煤层气赋存参数,提交煤炭和煤层气两个储量报告。其中,煤层气勘查以煤层气地质学为理论指导,使用多种勘查手段发现并评价煤层气资源的开发远景,为煤层气开发设计提供地质资源依据的地质勘查工作。其工作程序包括普查、详查和勘探(精查)3个主要阶段,勘探过程如图1所示。

(2)用于煤层气的抽采,实施采煤前、采煤中、采煤后抽采

针对采煤活动的进行,煤层气的抽采又可分为开采前、开采中与开采后三种,如图2所示。

图1 煤炭资源和煤层气资源的勘探阶段

图2 煤层气的抽采

开采前的煤层气地面抽采是根据已经布置工作面,在正常的煤炭生产尚未开始时的煤层气抽采;开采中的煤层气地面抽采,即边掘边抽,指利用采动地压影响增加煤层气井的产量;开采后的采空区煤层气抽采一般采用垂直井进行抽采,利用采煤中顶板压力变化造成的裂隙发育而大量产气。

(3)用于井下煤矿瓦斯的集中抽采

针对我国煤炭和煤层气地质赋存条件,不少矿井需要实施井下瓦斯抽采钻井,然后集中通过管路排至地面利用,此时靠近瓦斯抽采区的煤层气地面钻井可以用作井下煤层气集中排放孔,如图3所示。

图3 井下煤层气的集中抽放

(4)用于制冷通道,改善抽采环境

对于地热异常区域,经常需要井下制冷以改善作业环境。井下制冷地方法有多种,其中地面余热制冷法和地面集中制冰法,需要将地面冷媒输送到井下工作场所,靠近井下制冷点的煤层气钻井可以用作冷媒通道。

3 煤层气钻井的综合效益分析

钻井的多功能性不仅可以节约煤层气井的建设费用,并且抽采的煤层气可以缓解我国优质能源供需矛盾,在一定程度上改善能源结构,也可以从根本上保障煤矿安全生产和改善大气环境,为企业和社会做出巨大的贡献。而钻井作为煤层气开发利用必不可少的要素,其综合效益通过煤层气的开发利用体现出来,因此钻井的综合效益包括节约的煤层气井建设费用和煤层气产生的效益两方面,具体表现为：

(1)节约建设成本

钻井的多功能性可以减少钻孔的数量,节约钻井建设成本,从而间接的为煤层气企业带来效益。因此,钻井节约的建设成本计算公式可以表示为：

VC——节约的建设成本;

VAB——每个钻孔的平均建设成本;

n——减少的钻孔数量。

(2)安全效益

煤层气开发利用带来的安全体现为瓦斯事故发生次数的减少,因此安全效益可以表示为瓦斯事故发生次数的减少而节约的成本。瓦斯事故造成的损失由直接经济损失和间接经济损失两部分组成,直接经济损失包括事故所造成的人员生命价值的损失和生产设施破坏损失。间接经济损失包括因事故导致的产值减少、资源的破坏和受事故影响而造成的其它损失等。

因此,钻井的安全效益计算公式可以表示为：

VF——安全效益;

VDF——减少的直接经济损失;

VIDF——减少的间接经济损失。

据调查统计,在瓦斯爆炸事故中,每死亡一人,造成的直接经济损失都在30万元以上。根据国际劳工组织的计算方法,事故造成的间接经济损失往往是直接经济损失的4～5倍。因此,直接经济损失减少额的计算公式如下：

VDF1——平均死亡一人造成的直接经济损失;

VDF2——资产损失减少额;

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n——死亡人数的减少量

间接经济损失减少额的计算公式：

λ——事故损失间直倍比系数

(3)能源效益

开发利用煤层气可以在一定程度上改善我国的能源结构,增加洁净的气体能源,创造巨大的社会价值。能源作为人类经济社会发展的三大支柱之一,将在世界经济可持续发展的战略中具有举足轻重的作用。随着我国国民经济的快速发展,对能源的需求也越来越大,国内油、气供需缺口急剧增大,通过开发和利用煤层气,从而现实、有效地弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足。因此钻井的能源效益计算公式如下：

VS=Q＊PM

VS——能源效益;

Q——煤层气的利用总量;

PM——每立方米煤层气的市场价格。

(4)环境效益

开发利用煤层气可以有效减排温室气体,改善大气环境。煤层气的主要成分是甲烷 (CH4),是仅次于CO2的重要温室气体,其增温潜力值约为二氧化碳的21倍。甲烷的温室效应在全球气候变暖中的份额为15%,仅次于CO2。我国是煤炭生产大国,在进行煤炭资源开采的过程中,大量的煤层气以通风瓦斯的形式被排放到大气中,这已引起国内外的普遍关注。因此,开发利用煤层气不仅可以避免采煤造成的煤层气这种不可再生资源的浪费,还能减少温室气体排放,改善大气环境方面具有重要的意义。

因此,钻井的环境效益计算公式如下：

VE——环境效益;

Q——煤层气的利用总量;

h——甲烷占有的百分比;

η——甲烷转换为二氧化碳的系数比;

PC——每吨二氧化碳的价格

4 煤层气钻井综合效益评估模型

根据上述钻井节约的煤层气建设成本、安全效益、能源效益及环境效益的评估分析,可以得出煤层气开发利用中钻井带来的综合效益评估模型为：

其中,V表示钻井的多功能性带来的综合效益。在此评估模型中,涉及到的因素都可以数量化,因此它可以全面、客观的考察煤层气开发利用中“一孔多用”带来的综合效益,为煤矿企业和政府开发煤层气项目提供了一个科学的依据。

5 总结

煤层气的开发利用不仅可以缓解我国优质能源供需矛盾,一定程度上改善能源结构的需要,也可以从根本上保障煤矿安全生产和改善大气环境。钻井作为煤层气开发利用中必不可少的要素,对其加以利用,充分发挥钻井的“一孔多用”功能,可以减少投资,更好地开发利用煤层气。本文从煤层气开发利用的建设成本节约、安全效益、能源效益及环境效益等四面综合考虑了钻井的效益,并建立相应的评估模型,为全面和科学的评价煤层气开发项目提供了新的视角。

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