火烧煤层开采煤层气的研究

毛 琼 王绪性 王 芳 彭成敏

(1. 中国矿业大学地球科学与测绘工程学院, 北京 100083; 2. 中国石油大学 (华东) 石油工程学院,山东 266555; 3. 华北油田公司勘探开发研究院, 河北 062552)

1 概念的提出

火烧煤层开采煤层气是一种地面强化开采煤层气的新方法, 它是借鉴火烧油层、煤的地下气化以及注热、注二氧化碳在机理上提高煤层气产出。

美国早在1917 年J．O．李威斯就提出了采用热力或注溶剂的方法, 驱替地层中的原油以提高采收率的概念。1923 年瓦尔科特 (Wolcott) 和霍华德(Howard) 也认识到, 把空气注入到油层, 使油层在地下燃烧, 产生热量以降低粘度, 同时产生驱替原油的驱动力。1947 年开始了实验室试验研究[2]。50 年代后, 这项新技术得到广泛的关注, 各个石油公司在油田展开了一系列的试验研究, 使得火烧油层技术得到了快速的发展。除美国外, 前苏联,荷兰, 罗马尼亚, 匈牙利, 德国, 印度等40 多个国家先后开展了火烧油层采油的相关工作。印度Mehsana 油田将火烧油层应用于生产中, 取得较好效果, 其原理为井中点燃气体, 并注入空气以维持燃烧前缘, 在此过程中, 少量原油燃烧掉, 产生CO2、水蒸气及热量, 这样可以降低原油粘度, 增加原油流度, 从而将其驱替到附近的生产井中。

我国从1958 年起, 先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究, 因受当时条件的限制, 火烧油层技术让位于注蒸汽采油, 在我国的现场应用直到目前还为数不多。但是, 室内研究一直没有停止, 80 年代以来不断开展火烧油层的物理模拟、化学模拟和数学模拟研究, 开展了大量的室内试验, 也进行了现场火烧可行性研究和施工设计与预测。辽河油田试验采用的火烧油层比例物理模拟装置, 完全是自主研发, 为目前世界上最大的比例物理模拟装置。胜利油田完成了火烧油层点火工艺、室内物理模拟、动态监测、注气工艺等技术的配套研究, 并成功点燃了高渗透稠油井、低渗透稠油井和蒸汽吞吐后期稠油井三种不同类型的稠油油藏, 并维持了油层的稳定燃烧, 在国内外尚属首次。

2 火烧煤层开采煤层气的机理

所谓的火烧煤层开采煤层气就是通过点火系统和地面控制台把煤层引燃, 并控制注气量使煤层处于不完全燃烧状态, 从而加快煤层气 (主要是甲烷) 的解吸和扩散, 提高煤层气采收率的一种方法。

通过点火系统火把煤层点燃, 不断鼓风维持燃烧, 煤层中的每种碳氢成分和空气中的氧气发生如下反应：

第二种反应的生成物一氧化碳, 在有氧气的参与下, 又进一步燃烧生成二氧化碳。

以上的反应是燃烧反应, 在化学上也叫氧化反应, 需要消耗氧气, 因此空气越往前走, 氧气的含量越少, 直到氧气完全耗尽为止, 这里就成为燃烧带的终点。

燃烧生成物继续沿着火焰工作面向出煤气孔的方向前进, 当它遇到烧热的煤表面的时候, 就再一次同煤层中的碳发生化学反应：

这些反应需要吸收大量的热量, 这些热量由燃烧带内发生氧化反应时放出的热量来供给。上述反应在化学上叫做还原反应, 所以发生这种反应的地带称为还原带。还原反应需要吸收热量, 这样就使得火焰工作面沿着长度方向的热量越来越少, 温度越降越低。到最后, 煤层表面的温度终于降低到不足以维持还原反应的进行, 这里就是还原反应带的终点。

从煤层表面的温度降低到不足以维持还原反应进行的那一点起, 就开始了气化的“干馏带”。气化的生成物在干馏带里前进, 由于温度条件的限制, 它们不能再与煤中的碳发生反应。它们只是用残余的热量把煤层“烘热”, 加快甲烷的解吸。

通过以上的分析, 我们把火烧煤层开采煤层气的机理总结如下：

(1) 煤层燃烧生成的CO2对煤层气增产机理本质上包括“驱动”与“置换”两个方面。煤对不同气体的吸附情况是不同的, 大小顺序与范德华力的顺序一致, 即Q (CO2) ＞Q (CH4) ＞Q (N2) 。CO2与煤表面大分子之间的吸附作用大于CH4, 即CO2更易与煤表面大分子结合。因此, 当向煤层中积聚大量CO2时, CO2将排挤吸附在煤表面的CH4使其解吸, 而自身则被吸附到煤表面。这种作用被称为竞争吸附置换作用。

(2) 煤层燃烧产生的热量, 使煤层的温度升高。随温度的升高, 煤层对甲烷的吸附能力减弱,解吸速率加快, 吸附时间缩短。温度对CH4解吸起活化作用, 温度越高, 游离CH4越多, 吸附气越少。试验研究表明, 温度每升高1 ℃, 煤吸附甲烷的能力降低约8%, 其原因是温度升高, 甲烷活性增大, 难于被煤体吸附, 同时已被吸附的气体分子易于获得动能从煤体表面解吸出来。

(3) 产物水分子与煤之间有相似的特性。水与煤之间不存在共价键, 不以较弱的范德华力吸附在煤中的, 水分子为极性分子, 根据相似相容原理,水分子比CH4更容易吸附于煤中, 从而取代了CH4的位置, 与煤层气形成了竞争吸附从而增加了CH4解吸量。

(4) 煤层在高温的影响下发生干裂, 形成很多裂隙, 类似于压裂对煤层造成的储层改造, 有利于煤层气在煤层中的渗透。另外, 煤在高温和接触样的条件下, 容易发生表面氧化, 在煤表面形成碳氧络合物。煤经氧化后易于破裂, 表面积增加, 粘结性变差甚至消失, 加快煤层气的解吸。

(5) 火烧煤层燃烧掉的煤, 形成洞穴, 类似于酸蚀的作用, 增加新产生的裂缝的表面积, 形成大孔道, 增大了煤层的孔隙, 提高煤层气向裂缝网络中的扩散能力。

(6) 火烧煤层对煤层的作用及其产物不污染煤层, 减小对储层的损害。

3 火烧煤层开采煤层气的实施步骤

(1) 井网的布置。在一个四点或五点或七点的井组 (采气井) 的中心, 钻一口注气井, 如图1 所示。

图1 井网布置示意图

(2) 煤层的贯通。为了顺利的点燃煤层则要求煤层有较多的裂缝。通常褐煤具备这样的条件, 而且它的反应性能良好。对于一些致密的烟煤或无烟煤层时, 这时候就应该采用扩大天然裂隙和制造人工裂缝的方法。在此我们采用电力贯通, 具体做法如下： 首先要在两个钻孔 (一个是注气井, 一个是采气井) 里各放一个电极, 把电极插进孔底煤层里, 然后接上电源, 通以高压, 这样在两个钻孔之间的煤层里构成一条特殊的导电通路, 如图2 所示。电流通过煤层的时候, 把煤层加热, 使它失去水分、挥发物等成分而变成焦炭。同时由于水分和挥发物等成分变成为气体散失, 体积缩小, 因此煤层的孔隙和裂隙也大大的增加。

电力贯通所需的电流和电压, 变化的范围很大(电压在6000V 以下; 通常采用1300～3000V; 功率300～1200W) , 这是因为各种不同的煤层具有不同的临界击穿电压值 (即在这种电压的作用下, 煤层才能被击穿贯通) 。在贯通开始之初, 因为煤层里的含水量比较多, 电阻比较小, 这时候应该采用较低的电压。等到电流稳定一个时期后, 再把电压升高到最高值。

图2 电力贯通示意图

(3) 煤层的点燃。通过点火系统和地面控制台, 把煤层点燃。点火系统的点火原理： 利用点火线圈产生足够的高压电流, 通过点火电缆, 高压电流到达火花塞, 进而在火花塞的中心电极和侧电极之间跳火, 产生强烈的电火花。电火花进而引燃由压风机压入和火焰枪喷出的可燃气体, 进而引燃部分煤层的燃烧。由温度传感器返回的数据, 断定煤层被点燃后, 停止向井内注入可燃性气体, 改为向井内注入空气 (图3、图4) 。

图3 点火系统横截面示意图

图4 点火系统的井底结构示意图

火花能量和热表面面积等对甲烷的爆炸极限均有影响。如甲烷在电压100V、电流强度1A 的电火花作用下, 无论浓度如何都不会引起爆炸。但当电流强度增加至2A 时, 其爆炸极限为5．9%～13．6%; 3A 时为5．85%～14．8%。所以在点火时要控制点火电缆的电压和功率。

(4) 煤层气的采集。在煤气出口处就得到了如下成分的气体混合物： CO2、CO、CH4、CnHm、O2、N2以及SO2等。在这种混合气体的组成成分里, CO2、O2和N2是不能燃烧的气体, 它们的存在只能降低煤层气的热值。其他成分都属于可燃性气体, 其中以甲烷、一氧化碳和氢气为主。

(5) 煤层燃烧程度的控制。通过注入高压空气的量来控制燃烧程度, 这一切都是在计算机根据燃烧场模型的变化自动进行的, 使整个燃烧场处于最佳的不完全燃烧状态, 保持最高的产气量。

(6) 煤层燃烧范围的控制。可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井, 注入高压水形成地下水墙阻断燃烧; 在火势较猛的地方, 采用注高压水泥浆来阻断燃烧。

4 火烧煤层开采煤层气注意的问题

4．1 爆炸问题

点燃煤层采用电打火点燃可燃气 (甲烷) 与空气。1 体积甲烷与2 体积氧气完全反应, 氧气在空气中体积为21%, 恰好完全反应时, 甲烷在空气中的体积分数为9．5%, 此时爆炸最剧烈。而甲烷与空气混合爆炸极限为5%～15%, 井下局部气体混合会达到爆炸极限, 点火爆炸。爆炸极限不是一个固定值, 它受各种外界因素的影响而变化, 如初始温度、初始压力、惰性介质或杂质、容器的材质和尺寸等。当温度不变时, 随着压力的升高, 爆炸极限相应地扩大当压力不变时, 随着温度的升高,爆炸极限也相应地扩大, 爆炸极限上限随温度、压力的变化大于爆炸极限下限的变化。所以在火烧煤层是应该控制甲烷气体在混合气体中的质量分数小于5%。

4．2 地下煤火问题

所有起火燃烧都需要三个因素： 空气、可燃物和足以产生火花的温度。避免火烧煤层产生地下煤火问题, 要求煤层不能与大量氧气接触, 同时考虑到火烧煤层点火的成功率, 建议火烧煤层在地下400～500m 范围内进行。

4．3 坍塌问题

防止火烧煤层后的区域的塌陷, 可采用填沙法。将沙和水混合后注入地下, 混合物在地下沉淀后就能对地面形成支撑, 这样还阻止了氧气接触到火。

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