晋城煤层气毕业论文

叶建平

作者简介:叶建平,男,1962年生,教授级高工,中联煤层气有限责任公司总经理助理,中国煤炭学会煤层气专业委员会秘书长,主要从事煤层气勘探开发科研工作。地址:北京市东城区安外大街甲88号(100011),电话:,E-mail:

(中联煤层气有限责任公司 中国煤炭学会煤层气专业委员会 北京 100011)

摘要:分析了煤层气勘探、开发、利用现状,梳理了煤层气勘探开发技术进展,对我国煤层气产业发展进行了基本评估。认为当前我国煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长;煤层气产能规模扩大,产销量同步上升;煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源;煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在。

关键词:煤层气 勘探开发技术 产业发展

China's Coalbed Methane Industry Development Report

YE Jianping

(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)

(Coalbed Methane Specialized Committee, China Coal Society)

Abstract: This report analyses the current situation of CBM exploration, development and utilization,combs the technical progress of CBM exploration and development,meanwhile,it makes basic assessment of China's CBM industry development. China's CBM exploration has been making rapid progress at present. The proved reserves has increased notably. The CBM production capacity scale has enlarged. Both production and sales have risen. CBM industry has formed preliminarily. CBM has becomeg the most realistic supplement energy of natural gas. CBM technology gives strong support to CBM industry; however,technical bottlenecks still exist.

Keywords: Coalbed Methane; technology of exploration and development; industry development

我国煤层气开发已经步入产业化初期阶段。煤层气地面开发产量2005年达到亿m3,2009年达到亿m3,预计2015年将达到100亿m3,因此煤层气产业步入快速发展轨道,成为现实的天然气的补充资源。本文简要报告近年来我国煤层气勘探、开发、利用发展情况和技术进展状况。

1 煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长

近两年,我国煤层气勘探进度明显加快,探明储量显著增长。据不完全统计,到2011年6月底,全国煤层气钻井总数5942口。到2010年底为止,我国已累计探明煤层气储量亿m3,新增探明储量近亿m3,占总量的39%。“十一五”探明了千亿立方米大气田。我国煤层气探明储量区分布较集中,共11个区块,主要分布在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东南部,如沁水盆地南部潘庄、成庄、樊庄、郑庄、枣园、长子等区块,鄂尔多斯盆地东缘三交、柳林、乡宁-吉县、韩城等区块。如表1,沁水盆地探明储量亿m3,占;鄂尔多斯盆地煤层气探明储量亿m3,占。其他地区占。探明储量成为这些地区煤层气产业发展强大的基础。但是,相对全国万亿m3的资源量而言,我国煤层气资源探明率很低,仅8‰。广大地区煤层气勘探潜力尚不明朗。

表1 全国煤层气探明储量分布情况

沁水盆地作为我国特大型煤层气田,勘探潜力巨大。山西组3号煤层和太原组15号煤层厚度大,分布稳定,含气量高,渗透性在全国相对最好,煤层气可采性良好。除了已探明的南部区块以外,柿庄南和柿庄北、马璧、沁南、沁源、寿阳、和顺、上黄崖等区块均属于煤层气富集区和极有利目标区。寿阳区块不同于晋城地区,它以太原组15号煤层作为目的层,经过多年勘探,已获得经济单井产量的突破,韩庄井田多口煤层气井产量达到1000m3/d以上,近期将可以提交探明储量。阳泉钻井461口,日产量15万m3,获得商业化生产的产能。

鄂尔多斯盆地东缘具有较好的含煤性、含气性和可采性,渭北区块的韩城—合阳井区、临汾区块的午城—窑渠井区、吕梁区块的柳林—三交井区、吕梁区块的保德—神府井区是4大煤层气富集区,也是鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发有利区。鄂尔多斯盆地东缘资源探明率和资源转化率、勘探程度均较低,煤层气勘探开发前景广阔,具有商业化产气能力和形成大型煤层气田的条件,必将成为全国煤层气规模化、产业化、商业化运作的“甜点”区。

除了上述地区以外,在黑龙江依兰、云南老厂、贵州织金、四川綦江、安徽淮北、新疆准噶尔盆地南部、陕西彬县等地区相继取得勘探突破。

黑龙江伊兰区块煤层埋深700m左右,厚16m,含气量8~10m3/t,长焰煤,盖层油页岩厚80m。黑龙江煤田地质局2011年在伊兰区块钻井4口,YD-03、YD-04两口煤层气生产试验井,经排采,两口井日产气量均在1500m3/t左右,达到了工业气流的标准,标志着黑龙江低阶煤煤层气开发的有效突破。

彬长煤业集团在鄂尔多斯盆地中生界彬长区块钻1口水平井,日产气5600m3。

内蒙古霍林河地区中石油煤层气经理部在华北二连盆地霍林河地区施工霍试1井,日产气约1300m3;进行了勘查研究,取得一定的进展。

依兰、彬长和霍林河区块的勘探成功,标志着低阶煤煤层气勘探取得了初步的成功,意义深远。

四川川南煤田古叙矿区大村矿段煤层气地面抽采试验取得了历史性突破。DCMT-3煤层气试验井平均产量1160m3/d,一年多累计产气超过50万m3。之前的DC-1井、DC-2井产气量均达到了500~1000m3/d。初步认为大村矿段煤层气具有较好的商业开发前景。该区煤层气井的排采试验成功,意义重大,将为川南煤田低渗透、薄煤层、大倾角、高应力等特点地区的煤层气勘探开发提供技术和经验。

云南老厂施工5口井先导性试验井组,压裂后,发生自流现象,经过初期排采,产量逐步上升,显示良好勘探潜力。

安徽淮北矿业集团2008年以来在芦岭淮北Ⅲ1、Ⅲ2采区共施工12口“一井三用”井的压裂阶段试验,各井大部达到800m3左右,也有个别高产井,如LG-6井最高日产量曾到3000m3以上,稳产1200m3左右。中联公司对外合作项目和煤炭科工集团西安研究院分别在淮北宿南向斜的先导性试验相继取得商业产量,预示着具有良好的勘探潜力。

全国其他地区的煤层气勘探工作也如火如荼地展开。如贵州织金—纳雍、陕西延川南、山西和顺、山西沁源新疆准噶尔盆地南部等地区,初步勘探实践表明具有良好的煤层气勘探潜力。

上述可知,在沁水盆地南部高阶煤煤层气开发成功后,中阶煤和低阶煤煤层气勘探也正在逐步取得成功。

在煤层气勘探同时,广大研究人员开展了大量的煤层气富集规律和地质控制因素研究,进行了煤储层孔隙性、渗透性、吸附解吸扩散、力学特性、变形特性等广泛研究,进行不同煤级煤的煤层气成藏特征和选区评价研究。这些地质和储层特征的基础研究有力支撑了煤层气基础理论的形成和发展。

2 煤层气产能规模扩大,产销量同步上升

“十一五”期间,煤层气进入产业化发展阶段,煤层气产能规模扩大,产销量同步上升。以中联公司沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程、中石油华北煤层气分公司沁南煤层气田煤层气开发项目和晋城煤业集团煤矿区煤层气开采项目等商业化开发项目竣工投产为标志,我国煤层气开发快速步入产业化初期阶段,煤层气开发处于快速发展阶段。我国现有生产井3200口,到2010年全国地面煤层气产能达到25亿m3,产量亿m3,利用量亿m3,利用率78%。井下煤层气抽采量亿m3,利用量亿m3,利用率相对较低,。2011年地面开发产量将达18~22亿m3,见表2。地面煤层气产量在近五年呈数量级增长,2005年1亿m3,2009年达到亿m3,预计2015年将达到100亿m3。煤层气产量主要来自沁水盆地南部,占96%,少量产自韩城、阜新和柳林、三交地区。

目前进入商业性开发地区包括山西沁水盆地南部、陕西韩城、辽宁阜新。具备进入商业性开发地区包括山西三交、柳林、大宁—吉县、阳泉、寿阳。

表2 全国主要煤层气田煤层气生产情况(不完全统计)

说明:投产井数包括已产气井和未产气井。

3 煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在

技术进步是煤层气发展的源动力,这已被国内外的勘探开发实践所证实。“十一五”期间在煤层气增产改造技术的试验和研究取得了有效突破,针对不同储层参数研制了适宜的压裂液、压裂工艺等。钻完井技术、地面集输技术、煤矿区煤层气抽采技术等方面均有创新性成果。当前最显著的技术进展就是煤层气水平井钻完井技术、煤层气水平井分段压裂技术发展。

煤层气水平井钻完井技术

煤层气水平井地质和工程影响因素认识显著提高。煤层气水平井、多分支水平井的地质条件局限性强,要求构造相对简单,断层少、地层平缓起伏小;煤层发育稳定、煤层硬度大结构完好;煤层钻遇率高,避免钻探沟通含水层;水平井眼轨迹按上倾方向布置,有利排水降压产气;水平井眼长度尽量长,分支水平井间距适中,与煤层渗透性相匹配。

煤层气水平井井型设计多样。根据地形地貌、地质条件和储层渗透性,设计“U”型井、“V”型井、川字型井、丛式井(两层煤层的双台阶水平井)等,在柿庄南、柳林获得成功。

多分支水平井的工艺技术、关键工具实现国产化。多分支水平井钻井实现一个井筒钻多翼分支井,提高了钻进效率和有效排泄面积。在“863”项目支持下,地质导向装置实现国产化,并取得良好应用效果。

借鉴页岩气完井技术,开始进行了煤层气水平井分段压裂技术的试验,并在三交区块获得成功。目前在柿庄南区块继续进行该项技术的试验应用。

煤层气多分支水平井修井一直是一项难题,现在开始探索性试验,包括分支井段井眼坍塌的诊断、二次钻井导向和储层伤害控制等。

研究结果表明:水平井煤层段采用PEC筛管完井能有效保护井壁稳定性,减少井眼坍塌,即便排采过程中井眼发生局部垮塌,筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道;充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害,保护煤储层;沿煤层顶/底板钻水平井可有效避免粉煤、构造煤等井壁稳定性问题,定向射孔分段压裂可有效沟通煤储层,释放储层应力,实现煤层气的开采。通过对井眼轨迹和钻井工艺参数进行优化设计,可增大煤层气降压解吸范围,加快煤层气解吸,并减少煤储层伤害。

新型压裂液研究方兴未艾,成果丰硕

研究压裂液对储层伤害机理,根据煤中化学元素组成,研制含有粘土防膨剂的压裂液及活性水,降低对煤层气解吸附伤害。

研究认为嵌入伤害和煤粉堵塞裂缝是影响煤储层长期导流能力的主要影响因素,施工中可采取增加铺砂浓度、加大支撑剂粒径、加入分散剂悬浮煤粉等方法。

通过重大专项攻关研制了新型低伤害高效清洁压裂液,特点是分子量小,300~400;粘度较高,·s;残渣较少;煤层伤害率低,;摩阻低,约为清水的30%。研制了新型煤粉分散活性水压裂液,煤层伤害率低,,使煤粉在压裂液中均匀分布,避免施工压力过高,在返排时,煤粉随着液排出,避免堵塞裂缝通道。研制了高效适宜的氮气泡沫压裂液。

低密度固井液减少了固井水泥对储层的伤害

通过重大专项攻关,针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性,泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。研制了超低密度水泥浆体系:确定了超低密度水泥浆体系配方。该配方在40℃,24h时抗压强度达到(超过预期7MPa指标)。在沁南柿庄南区块成功进行了现场试验,有效防止了液体对煤储层的污染。

研制了一种应用于煤矿井下瓦斯抽采孔的可降解钻井液,生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率。

开展了煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定的研究。

地面集输工程技术有效增大集输半径,实现低成本建设

沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程,研究设计了“分片集输一级增压”煤层气田地面集输技术,亦称“枝上枝阀组布站”工艺技术,使煤层气集输半径增大到13km以上。新技术的应用取消了传统技术中需要建设的无数个有人值守的站,最重要的是极大地改善了流体流动环境,简化了工艺流程,节省了投资成本。采用汽油煤层气两用燃气发动机新装置,代替抽油机动力系统,采气管线采用聚乙烯管(PE管)新材料,节省了工程建设投资。

沁水盆地煤层气田樊庄区块采用单井进站方式、增压工艺及压力系统优化等地面集输工艺的优化技术。煤层气水合物防治技术、低压输送不注醇集气工艺、多井单管串接技术、低压采气管网管径的确定、新型材料聚乙烯管(PE管)和柔性复合管的应用等采气管网优化技术。提出煤层气田“标准化设计、模块化建设”,煤层气田集气站建设核心是“四统一、一和谐”,即:统一工艺流程、统一设备选型、统一建设标准、统一单体安装尺寸,保持平面布置与当地环境的和谐发展,实现集气站功能统一,操作统一。

数字化气田建设,实现了基于无线、光缆、电缆等多种通讯方式在SCADA系统中的融合,成功地降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自控系统的投资,适合了煤层气井地处偏远、井多、井密、低压、低产等特点。

煤层气排采生产技术

实践表明,合理的排采制度和精细的排采控制是煤层气井排采技术的核心,定压排采制度适用于排采初期的排水降压阶段,定产排采制度适宜于稳产阶段,分级平稳连续降压是精细的排采控制的核心。

通过对柳林煤层气井的井下管柱及地面流程设计,引入无级数控抽油机、永久监测压力,较好地完成了排采的施工及资料录取的要求,为该区的大规模开发奠定了基础。

研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布,维持或提高储层渗透率,具有十分重要的意义。

煤层气井不同阶段的产能方程和煤层气藏井底流压修正后的计算公式,确定煤层气井的生产压差,为煤层气井合理生产压差的确定和正常排采提供了技术支撑。

煤层气利用技术

煤矿开采过程中排放出大量低浓度煤层气,提纯利用这部分煤层气对我国能源开发利用和环境保护意义重大,其难点是如何经济高效地分离CH4和N2。

采用低温精馏法分离提纯,分离低浓度含氧煤层气中氧气、氮气,在阳泉石港矿建成年产2万吨液化(LNG)瓦斯的工厂,在阳泉新景矿神堂嘴建设年产2000万m3低浓度提纯压缩(CNG)瓦斯工厂,为阳泉市公交车、出租车提供城市低成本压缩瓦斯,以气代油。

采用变压吸附法实现低浓度瓦斯的分离和净化。该技术2011年3月已在阳泉进行试生产,2011年底5000万m3CNG工业化生产线将投产。

在国家科技重大专项支持下,中科院理化所和中联煤层气公司合作成功研制了10000m3撬装液化装置,该项成果适合煤层气单井产量低特点,将直接在煤层气井场实现煤层气液化利用。

技术仍然是煤层气勘探开发的瓶颈

煤层气高渗富集区预测缺乏成熟理论指导,或者说我国煤层气勘探开发理论还不成熟。

除了沁南以外,我国大部分勘探区煤层气单井产量低,同一地区单井产量差异大,除了地质和储层条件外,钻完井技术和增产改造技术有待试验形成。如何针对复杂多裂缝煤层特征,增大铺砂面积,有效提高储层导流能力,提高单井产量,是面临的增产改造的关键问题。

水平井、多分支水平井如何控制保持井壁稳定、防止井眼坍塌,高地应力、松软储层条件的钻井完井技术,有待进一步探索试验。

深煤层高地应力、低渗条件下储层物性变化,以及由此带来的钻井、完井、增产改造技术和工艺参数的一系列变化,是亟待研究的方向。

4 煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源

煤层气主要通过管道输送到用户,约占85%~90%,少部分采用液化天然气和压缩天然气形式输送。目前建成煤层气管道包括端氏—博爱管道、端氏—沁水八甲口管道、晋城煤业集团西区瓦斯东输管道等,年输送能力50万m3。正在建设的韩城—渭南—西安管道、昔阳—太原管道,输送能力30万m3。

煤层气用户主要为西气东输管道用户,其次向山西省内及沁水煤层气田周边省份河南、河北等省供气,以及韩城、阜新等煤层气所在地城市供气。广泛用于城市燃气、工业锅炉燃气、汽车加气等天然气市场。2010年底,我国井下、地面煤层气产量达到亿m3,约占天然气产量946亿m3的9%。煤层气已成为当地天然气的最现实的补充能源。

5 煤层气产业发展展望

根据我国“十二五”煤层气(煤矿瓦斯)开发利用规划,“十二五”末,我国煤层气产量将达200亿~240亿m3,其中,地面开采煤层气100亿~110亿m3,井下瓦斯抽采量110亿~130亿m3。煤层气探明地质储量将进入快速增长期,到2015年,新增探明地质储量10000亿m3。因此煤层气将在“十二五”进入快速发展轨道。一是通过“十一五”发展,积累了较好的技术基础和储量基础;二是中石油、中石化、中海油等大公司的积极投入,勘探和开发资金有了根本保证;三是国家科技重大专项的持续支持,为煤层气勘探开发利用科学技术攻关奠定了坚实基础,为产业目标实现提供了有力的技术支撑。

感谢赵庆波教授提供相关统计资料。

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董振刚 邓辉 王惠先

（大庆油田力神泵业有限公司 黑龙江大庆 163311）

作者简介：董振刚，男，1967年6月生，1991年毕业于大庆石油学院，2002年获哈尔滨工程大学工程硕士学位，现就职于大庆油田力神泵业有限公司，主要从事电动潜油泵的设计开发和应用研究工作，高级工程师。E-mail：。

摘要 本文综合目前国内煤层气发展现状，分析了潜油电泵排水采气的技术特点和技术优势，提出提高潜油电泵对煤层气开采适应性的几项措施，介绍了潜油电泵在山西晋城煤层气开采的应用情况。基于国内技术现状，提出潜油电泵应用于煤层气开采的今后研究方向。

关键词 潜油电泵 煤层气

Study on Adaptability of ESP in CBM Exploitation

Dong Zhengang Deng Hui Wang Huixian

（Daqing Oilfield Powerlift Pump Industry Co.，Ltd，Daqing 163311）

Abstract：Based on current status of China's CBMdevelopment，the technical and features and advantages of ESP in dewatering and gas production were analyzed and some measures were provided to enhance the adaptability of ESP in CBMexploitation，at the same time，the applications of ESP in the case of Jincheng CBMdevelopment were ，the future improvement direction of ESP well applied in the CBMproduction practice was pointed out in the paper.

Keywords：Electrical submersible pump；CBM

引言

煤层气作为一种清洁能源，成为我国21世纪重要的能源来源。如何用更合理、更经济的手段开采煤层气，是同业人员普遍关注的问题。

潜油电泵技术是油田采油的成熟技术，历经半个世纪的发展过程，已成为石油行业重要的采油设备。特别是经过自身技术的不断完善和现代技术的应用，其适应性得到显著提高，包括适合稠油、高含气、高温、腐蚀、防砂等技术应运而生，为油田发展做出突出贡献。

潜油电泵应用于煤层气开采已有一定的发展历史，特别是美国已有近20年的发展过程。在煤层气开采上，由于使用目的不同，决定其工作状态和使用控制与油田采油存在很大的差别，单纯的技术嫁接并不能解决实际应用中存在的技术问题，例如适合煤层气使用的潜油电泵一般都是小排量离心泵，其本身对气的适应性是很差的，当大量的游离气进入离心泵后，会产生气蚀或气锁，造成泵不能正常工作，甚至损坏，只有有效解决气蚀或气锁问题，才能保证潜油电泵的可靠使用。

1 潜油电泵工作原理及在煤层气开采中的技术特点

潜油电泵是一种多级离心泵，它的工作原理与地面的普通离心泵一样。与抽油机、螺杆泵设备相比，具有排量大，通过变频可在较大排量范围内变化的特点。图1所示的是离心泵特性曲线。该曲线反映的是离心泵排量与扬程、泵效和轴功率之间的关系。

图1 离心泵特性曲线

在变频情况下，离心泵表现如下特性：

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

式中：Q1、Q2——不同频率下泵排量；f1、f2——频率。

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

式中：H1、H2——不同频率下泵扬程。

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

式中：N1、N2——不同频率下泵扬程。

η2=η1 （4）

式中：η1、η2——不同频率下泵效。

利用离心泵的固有特性，可灵活控制排水采气过程。如在排水采气初期，需要将井中大量的井液排出，以利于产气，此时可根据排水量需要匹配合适的离心泵，利用离心泵排量大的特点进行快速抽排，并可以通过变频器变频调整产液量，此时离心泵主要工作在B区。当井液达到一定的动液面高度，套管形成一定的套压并达到生产要求，此时需要维持稳定的动态平衡，泵产液量大幅度下降，一般在0～10m3/d，该阶段属于煤层气的正常生产期。由于正常生产期的排水量很小，离心泵实际工作在特性曲线的A区，其扬程能力达到了最高。在煤层气的正常生产期，根据排产需要，可通过变频调整动液面高度，实现新的动态平衡。

虽然潜油电泵、抽油机和螺杆泵都可应用于排水采气，但是相比之下，潜油电泵具有抽油机和螺杆泵不可比拟的特点：

（1）通过变频可实现大排量抽采，见效迅速，而且不会对泵本身造成伤害；抽油机和螺杆泵提高转抽能力有限，如果设定过高，自身可靠性将受到很大影响。

（2）可实现自动保持动液面高度，防止抽空。即以设定的动液面高度为临界点，保证泵在该临界点处达到扬程能力极限。当动液面高度高于临界点时，泵会自动增大产液量，提高抽吸能力，降低动液面；当动液面趋近临界点时，泵的扬程能力达到最大，液面不会进一步下降。抽油泵和螺杆泵由于是容积式泵，本身不具备自动调节功能，只能通过人工调参来实现，一旦出现抽空，机组将迅速损坏。

（3）由于离心泵的自身特性，管理极为方便。可根据井况数据和泵特性曲线，通过理论计算就可直接调参，利用远程控制系统可实现直接控制，不需要中间入工测试等环节。

（4）由于离心泵靠潜油电机驱动，没有传动杆，因此可应用于斜井和水平井排水采气。抽油机和螺杆泵由于是有杆传动，在斜井和水平井方面具有很大的局限性。

2 提高潜油电泵对煤层气开采适应性的几项措施

煤层气使用的潜油电泵一般都是小排量离心泵，对游离气的适应性较差，因此解决离心泵对气的适应性问题是保证潜油电泵应用的关键。

（1）加深泵挂，将离心泵下入产气层以下，减小气对离心泵的影响，见图2所示。由于气液比重不同，从产气层出来的气液混合液，气向上走，进入套管环形空间；液向下走，进入离心泵，利用比重关系减少进入离心泵的气量。加深泵挂技术是油田采油的成熟技术，大量应用于含气油井采油，取得明显的应用效果。对于口袋井，加深泵挂不利于电机散热，如果套管径向空间足够，加导流罩可以解决电机散热问题。加深泵挂技术一般不适用于潜油电泵下入斜度较大的井段或水平井段。主要原因是没有足够的高度差保证气液混合液有效分离。

图2 机组加深泵挂示意图

（2）采用高效气液分离器。气液分离器石油行业叫油气分离器，它是针对含气油井而设计的装置，并安装在离心泵的入口端。生产过程中，气液混合液首先进入油气分离器，通过油气分离器的气、液分离，将分离出的气排放到套管环形空间，分离出的液输送到泵入口，从而减小游离气对离心泵的影响。资料表明，气液分离器可分离气液两相总体积35%的游离气，分离效率可达到90%以上。对于高含气井，由于气是主相，气液分离器并不能将气完全分离，而且气液分离器吸入口和排出口距离较近，一般小于1m，不一定能取得明显的效果，山西晋城潘河煤层气先导试验也验证了这一点。如果加导流罩，增加气液分离器吸入口和排出口距离，效果会明显。高效气液分离器一般不适用于潜油电泵下入斜度较大的井段或水平井段。主要原因是分离器的吸入口和排出口没有足够的高度差，容易形成游离气的自循环，见图3所示。

（3）采用组合泵的匹配方式。不同形式的离心泵对气的适应性是不同的，纯离心泵对气的适应性很差，容易形成气锁；混流式离心泵则对气的适应性较好，不易形成气锁。一般情况下，排量较小的泵（如250m3/d以下），叶轮是离心叶轮；排量较大的泵，叶轮是混流叶轮。采用组合泵的匹配方式就是将离心叶轮和混流叶轮进行组合匹配组装，利用混流叶轮对气适应性强的优势，保证泵整体不会产生气锁，保持连续工作。在山西晋城潘河煤层气先导试验区我们就利用了该技术，取得了明显的应用效果。

图3 游离气自循环过程

（4）采用专用气体处理器。气体处理器是近年来发展的新技术，安装在气液分离器和离心泵之间，也可替代气液分离器单独使用，其中安装的叶导轮属于抗气蚀能力强的轴流叶轮，当较大量气体进入气体处理器后，不会形成气蚀或气锁，并强力推动气液混合液继续向上运行，进入离心泵。虽然气液混合液进入离心泵后可能会形成气蚀或气锁，但是通过气体处理器的强力推动，会将气锁段向上推移直至推出离心泵，从而保证整机的正常工作。

3 潜油电泵在山西晋城煤层气开采的应用情况

从2005年10月起，在山西晋城潘河煤层气先导试验区相继投产了4台潜油电泵，具体应用情况见表1。

表1 山西晋城煤层气先导试验区潜油电泵使用情况

注：统计截止日期2006年6月26日。

从使用情况看，单纯使用高效气液分离器效果不如增加组合泵效果好。以PH46-02井为例，该井刚刚启机时机组运行一切良好，产液正常。运转一段时间或液面下降至240m左右便不产液。此时机组仍然运转，测量三项直流电阻和电压完全正常，电流和刚启动时的电流也基本相同。同时，液面开始回升、套压逐渐下降，在1小时以内套压便下降到。如果停机再重新启动，还会重复以上的动作。该症状表明，虽然采用了气液分离器，但是分离后剩余的气仍对泵造成气锁，而PH1-009 井和PH1-008 井由于采用了组合泵技术，没有出现气锁问题。

4 今后的研究方向

针对煤层气排水采气的特殊性，潜油电泵的应用还处于认识的初级阶段，提高潜油电泵应用的可靠性和经济性是未来发展的重要课题。

（1）对于煤层较浅，排采条件较好的气井，应以简化设计为主。以山西晋城煤层气为例，井深一般在400m左右，井温在20℃左右，搬用潜油电泵的全套技术设备，成本高，结构过于复杂。

a.电机功率较小，一般在15kW左右，而使用的保护器可满足60kW的使用要求，因此可以简化电机保护装置，甚至实现电机和保护装置的一体化设计，既满足使用，又降低成本；

b.降低机组的耐温等级，从材料上节约成本。由于油田井深一般都在1000m以上，地层温度高，设计的电机可满足120℃以上井温要求，材料成本相对较高。针对煤层气低温井，机组耐温等级降到60℃仍可满足使用要求；

c.研究适合的低成本潜水电缆。目前使用的潜油电缆，属于适合高温、高压和高绝缘性能的电缆，成本高，应用于浅层煤层气开采，经济性不好。

（2）对于煤层较深，井下条件较差的气井，应以提高机组性能设计为主。以辽河煤层气开采为例，井深1800m以上，井温高，正常生产液量在1～3m3/d，排采条件比油田采油还要恶劣，目前还没有很好的解决办法。

（3）开展潜油电泵斜井和水平井排水采气研究。由于加深泵挂技术和气液分离器技术并不能完全适应斜井和水平井排水采气，因此优化组合其他技术如潜油电动螺杆泵技术等是今后的研究方向。

（4）开展潜油电泵排水采气配套应用技术研究。不同的地质条件，对设备要求是不同的，如含砂、腐蚀程度等会对设备的使用寿命造成不同程度的影响，因此针对不同的地质条件和排采工艺，合理配套，才能实现效益的最大化。

参考文献

梅思杰、邵永实、刘军、师世刚主编.2004.潜油电泵技术，北京：石油工业出版杜，60，118

贺天才 田永东

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 山西晋城 048006）

作者简介：贺天才，1963年生，男，山西晋城人，山西晋城煤业集团总工程师、博士研究生，从事煤炭和煤层气开发工作。

摘要 晋城矿区煤层气地面抽采经过几年的发展，目前日产气量已经达到30×104m3，日压缩煤层气10×104m3，初步形成了一定的生产规模。生产实践同时证明煤层气地面抽采可以有效降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量。根据目前的实际产气情况计算，煤层气井控制范围内的瓦斯含量每年可以降低约1m3左右，因此煤层气地面抽采可以降低矿井突出危险，减少井下瓦斯涌出量，促进煤矿生产安全。

关键词 晋城 煤层气 开发 利用 进展

Progress on Exploitation and Utilization of CBM in Jincheng Coalmine

He Tiancai，Tian Yongdong

（Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Company Ltd.，Jincheng 048006）

Abstract：After the CBM surface extraction projects in Jincheng coalmine developed for a few years，at present，the daily CBM production has reached 300，000m3，the daily capacity of compressed CBM is 100，000m3，which has formed a certain scale of the same time，production practice has proved that CBM surface extraction can effectively reduce gas content and gas to the current gas production，gas content in coal seams can be annually decreased by 1 cubic meter within the control scope of one CBM ，CBM surface extraction can lower the burst danger of mines，underground coal gas flow-out and improve coal safe production.

Keywords：Jincheng；CBM；Development；Utilization；Progress

1 开发背景和概况

晋城矿区是国家规划的13个大型煤炭基地中晋东煤炭基地的重要组成部分，19个首批煤炭国家规划矿区之一，是我国重要的优质无烟煤生产基地，属国家实行保护性开采的稀缺煤种。矿区位于山西省东南部、沁水煤田南部，矿区规划面积3753km2，地质储量×108t，规划矿井13座矿井。晋城煤业集团作为晋城矿区的开发主体，目前有7座生产矿井和一座在建矿井，2005年核定生产能力 3060×104t/a，实际生产原煤3006×104t。

根据煤炭科学研究总院重庆分院和西安分院的评估报告：晋城矿区规划区范围内煤层气资源总量为6000×108m3，寺河和成庄井田范围内的煤层气资源量为530×108m3。寺河井田东区瓦斯平均含量为，西区为，北区在地面抽采钻孔施工过程中测定的瓦斯最高含量为。成庄井田西南部瓦斯含量最高为。矿区煤层透气性系数一般为～213m2/MPa2·d，煤层瓦斯压力一般为～。

2005年，成庄矿绝对瓦斯涌出量达到239m3/min，相对瓦斯涌出量为。2005年寺河矿井的绝对瓦斯涌出量达到479m3/min，相对瓦斯涌出量为，为高瓦斯矿井。

目前寺河矿和成庄矿井下瓦斯抽放已经难以满足煤炭安全生产的需要，因此需要通过地面抽采来降低矿井瓦斯涌出量。

2 晋城矿区煤层气的开发和利用

煤层气（瓦斯）作为煤炭的伴生资源，不仅对煤矿的生产安全和矿工的生命安全构成了最大的威胁，而且还是一种具有强烈温室效应的有害气体。为了切实解除瓦斯对煤矿和矿工的危害，切实从源头上降低煤层瓦斯含量，建设本质安全型矿井，晋城煤业集团多年来始终坚持“为安全生产服务、为提高居民生活质量服务、实现产业化经营”的指导思想，以“井上井下抽采相结合，抽采和利用相结合”为工作方针，不断探索瓦斯治理与开发利用的新途径，取得了良好的经济、社会和环境效益。

煤层气地面抽采

地面钻井预抽，主要是在矿井建设前或煤层开采前进行预抽采，它不受空间约束，不受时间限制，可以提前5年、10年或更长时间在地面布置大规模井群，进行大面积抽采，既可提高抽采效果，又可形成产业规模，地面钻孔可实现采前抽、采动抽、采后抽的长周期稳定抽放，并且还可起到地质勘探的作用，达到“一井四用”的目的。

从1992年开始，晋城煤业集团先后在潘庄施工了7口煤层气井，在国内率先开展了煤层气地面预抽的试验工作，经过十多年的生产试验和技术研究，基本掌握了煤层气井钻井、压裂、排采、集输等一套完整的无烟煤地面抽采技术。从2003年开始，晋城煤业集团从煤矿生产安全的需要出发，先后在寺河矿、成庄矿进行规模化的煤层气地面抽采，至2005年年底在寺河矿区形成150口煤层气井的井组规模，成为目前国内最大规模的煤层气地面抽采井群，煤层气年抽采能力达到×108m3，2005年实际瓦斯抽采量达到2003×104m3。

截至目前为止，晋城煤业集团已完成钻井的煤层气井300余口，基本具备抽采条件的煤层气井200口，地面煤层气年抽采能力达到×108m3，其中投入运行并产气的煤层气井110口，日产气量达到30×104m3，另有40口煤层气井新近投入运行。随着煤层气井组规模的逐渐扩大，地面煤层气产量也不断提高，2006年前半年，晋煤集团的煤层气地面抽采量接近4000×104m3。

煤层气（瓦斯）同时是一种清洁、高效的能源，是我国政府鼓励开发利用的资源。为此，晋城煤业集团不仅建成了目前国内规模最大的煤层气地面抽采井群，同时也建立了完善的煤层气利用体系。2005年年底，潘庄煤层气压缩站经过两期扩建，日处理能力达到16×104m3，也是目前国内最大规模的煤层气压缩站。潘庄的煤层气经过压缩后源源不断运送至晋城、长治、太原、郑州、焦作、开封等城市，广泛应用于民用、工业、公共、发电、汽车燃料等行业。另外，潘庄的煤层气也开始向周围的农村居民供应，使他们告别了祖祖辈辈用煤的历史，用上了清洁的天然气。

2005年，晋城煤业集团通过槽车向外运送煤层气870×104m3，就地利用煤层气×104m3，全年地面抽放的煤层气利用总量达到 ×104m3，抽采利用率。随着汽油价格的上涨和国内能源需求的不断增长，周边城市购买煤层气的意向也不断增多，仅2006年前半年，晋城煤业集团通过槽车向外运送的煤层气已经超过了1400×104m3。

随着煤层气地面抽采量的不断提高，为充分利用地面抽采的煤层气，晋煤集团加大了对煤层气利用工程的投资和建设力度，目前正在新建两座日处理能力为20×104m3的煤层气压缩站，预计2006年年底可以先后投入运行；从“李庄—晋城—矿区”的煤层气输气管线也正在建设之中，预计2006年年底前可以完成管道铺设，该管线最终的年输送能力将达到9×108m3。这些项目建成后，寺河矿区及其附近的煤层气将得到有效利用。

煤层气井下抽采

虽然煤层气地面抽采具有不少优点，但目前井下抽放仍然是解决矿井通风和安全生产的主要手段，因此在不断重视煤层气地面抽采的同时，晋煤集团加大了煤层气井下抽采的力度，采用本煤层密集钻孔边掘边抽、边采掘边抽和老空区抽采相结合的方式，加大抽采的覆盖面和强度。2005年晋煤集团还从澳大利亚引进三台千米钻机，用于寺河矿和成庄矿的井下瓦斯抽放，并在寺河矿成功施工了千米钻孔。

2005年，寺河矿井下瓦斯抽放总量达到10950×104m3，抽放瓦斯浓度平均为55%左右，主要用于发电、煤泥烘干、锅炉、民用等方面。2005年寺河矿实际瓦斯利用量（标态纯量）达到9065×104m3，井下瓦斯抽放利用率达到，其中万千瓦瓦斯电站用气量为4985×104m3，煤泥烘干用气量为×104m3，其余气量用于锅炉及民用。2005年成庄矿井下瓦斯抽放总量达到5052×104m3，主要为民用和发电。2005年晋城煤业集团煤层气总利用量达到（标态纯量）×104m3，利用率，相当于减排二氧化碳150×104t左右。

目前，亚洲开发银行12×104kW煤层气电厂项目已经于2006年初正式开工建设，一期工程预计年底完成。届时，寺河矿及其附近矿井井下抽放的瓦斯将全部达到利用。

清洁发展机制

晋城煤业集团在利用有形煤层气的同时，还积极利用清洁发展机制，开发CDM项目。晋煤集团亚洲开发银行贷款的12×104kW煤层气电厂项目每年将利用煤层气×108m3，相当于年减排二氧化碳200 多万吨，可以大幅度降低该矿的瓦斯风排量，保护大气和环境。2004年世界银行碳汇基金购买了该项目450×104t（10年期）的减排量和150×104t的期权，减排购买协议已于2004年12月1日签订，日本碳基金（JCF）也购买了该项目240×104t（10年期）的减排量，减排购买协议已于2005年11月签订。

3 煤层气地面预抽实际效果评价

通过煤层气地面预抽，可以实实在在地使煤层瓦斯含量降低，瓦斯压力提前释放，从源头上有效控制瓦斯灾害，促进矿井安全生产。此外，煤层气钻孔同时可以兼作地质勘探孔，煤层气又是优质的能源，因此煤层气地面抽采具有良好的综合效益。

效果佳，促安全

根据生产数据，截至2006年6月底，寺河煤层气预抽项目100口煤层气井累计产气超过6000×104m3，按该区煤层平均厚度6m、密度为 t/m3计算，这100口煤层气井的控制煤炭储量约9000×104t。也就是说，经过一年多的抽采，该区煤层气井控制范围内的煤层吨煤瓦斯含量平均降低了约。目前这100口煤层气井的日总产气量已经上升至25×104m3，以此数据计算，未来每年可使该煤层气井组控制范围内的吨煤瓦斯含量降低约1m3左右。这样，该区经过7～8年的地面预抽，抽放区域内煤层的吨煤瓦斯含量即可降低到8m3以下，达到相对安全的条件。

值得注意的是，在晋煤集团目前已施工的煤层气井中，SH-003号、SH-075号、SHX-108号、SHX-112号和SHX-115号都出现了不同程度的瓦斯井喷现象，这在全国都十分少见，因此通过地面钻孔预抽，不仅降低了煤层瓦斯含量，而且释放了瓦斯压力，减小了矿井开采过程中瓦斯突出的危险。

用途多，投资省

煤层气井开发过程中，可以获得大量煤层及其顶底板深度、岩性的翔实数据，和煤层瓦斯含量、富水性的详细资料，这些数据和资料也是未来煤矿采煤过程中必需的信息。通过对这些资料的处理利用，可以提高资料的利用效率，节省勘探投资，因此煤层气地面钻孔还具有地质勘探孔的作用。

煤层气井的井间距一般为300～400m左右，远小于普通煤炭精查勘探孔的井间距，因此煤层气井钻探所获得的参数精度相对要高。目前晋煤集团正在将煤层气井控制区域内的有关资料进行整理，并据此绘制出更详细的煤层底板等高线图和煤层厚度等值线图，不久将应用在该区煤矿的煤炭生产中。图1和图2是利用煤层气井开发资料绘制的煤层底板等高线图和瓦斯含量等值线图，这些图件的精度得到了大幅度的提高。

图1 据钻井资料绘制的煤层底板等高线图

图2 据解吸和解吸资料绘制的瓦斯含量等值线图

随着未来煤炭的开采，煤层气地面预抽孔还将具有采动抽和采后抽的功能，可以在煤炭开采的不同阶段对矿井瓦斯进行抽放，从而延长气井的生产周期，大大提高煤层气井的利用率，真正实现一井多用。

浓度高，利用广

井下抽放的瓦斯由于其浓度相对较低，往往只能就地发电或燃烧，利用价值低，效益差，而地面抽放的煤层气甲烷浓度通常都高于95%，因此具有更广泛的用途和更高的利用价值。地面抽放的煤层气除可以用于发电和燃烧外，还可以用作汽车燃料，目前晋城市汽车用压缩煤层气的销售价格为元/m3，利用价值远远高于发电和燃烧，另外煤层气还可以通过压缩或液化运送至其他城市，因此利用价值高，效益好。

目前晋煤集团地面抽采的煤层气多数通过压缩的方式运送到了周边城市进行利用。截至目前为止，潘庄煤层气压缩站已经压缩煤层气2500×104m3，市场用户反映好，购买需求强烈。

4 晋煤集团煤层气开发利用规划

“十一五”期间，晋城煤业集团将紧紧围绕晋城矿区总体开发规划，开展规模化的煤层气抽采工作。生产矿井将提前5～7年或更长时间布置地面钻孔进行抽采，以降低煤层瓦斯含量和释放瓦斯压力。井下抽采主要采用模块式预抽、本煤层密集钻孔边掘边抽、边采边抽和老空区抽采相结合的综合抽放办法，加大抽采的覆盖面和强度，最终形成井上、井下抽采相结合。待开发矿井将从目前开始地面预抽，力争通过预抽，到新井投产时将煤层瓦斯含量降低到10m3/t以下，不仅可以有效提高新井安全的可靠程度，实现安全生产，而且可以在一定程度上减少矿井通风系统投入，降低巷道建设成本，从而降低新井基建投资。

预计“十一五”末，晋城煤业集团将在现有高瓦斯矿井和新建矿井中施工2000口地面煤层气抽采井，并进一步完善井下瓦斯抽放体系，加大瓦斯的抽放力度，使井上、井下的煤层气年抽放量达到18×108m3。届时，晋煤集团将全面实现煤层气井上、井下共同抽采，建成采气采煤一体化的生产格局，真正建立本质安全型的煤炭企业。

参考文献

[1]袁亮.2004，松软低渗透煤层群瓦斯抽采理论与技术.北京：煤炭工业出版杜

[2]林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽采理论和技术.徐州：中国矿业大学出版杜