Vol.45㊀No.1㊀
㊀2020年
1月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Jan.㊀
2020㊀
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刘见中,孙海涛,雷毅,等.煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势[J].煤炭学报,2020,45(1):258-267.doi:10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1757
LIU Jianzhong,SUN Haitao,LEI Yi,et al.Current situation and development trend of coalbed methane development
and utilization technology in coal mine area[J].Journal of China Coal Society,2020,45(1):258-267.doi:10.13225/
j.cnki.jccs.YG19.1757
煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势
刘见中1,4,孙海涛2,3,雷㊀毅1,曹㊀偈2,3
(1.中国煤炭科工集团有限公司科技发展部,北京㊀100013;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆㊀400037;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司科技发展部,重庆㊀400037;4.煤炭科学研究总院,北京㊀100013)
摘㊀要: 十二五 以来,我国煤矿区煤层气开发利用技术取得了巨大的进步,虽然我国煤矿数量由近20000对直线下降到了不足5800对,但煤层气产量仍由2010年的88亿m 3提高到了2018年的184亿m 3,利用率亦提升了10%,科技对产业的贡献巨大;但是也出现了单井排采产量低㊁气源分散性高等新的问题㊂因此,全面梳理了近10a 煤矿区地面抽采技术装备㊁井下抽采技术装备和煤矿区高㊁低浓度煤层气利用技术装备的科技创新及应用效果等,阐述了煤矿区煤层气开发利用在三级瓦斯地质分析技术㊁碎软低渗煤层地面井分段压裂顶板技术㊁煤层群分层控压联合排采技术㊁采动区地面L 型顶板水平井技术㊁井下千米定向长钻孔技术㊁碎软煤层井下护孔钻进技术㊁智能化钻机远控钻孔技术㊁井下水力化压裂/割缝增渗技术等煤层气抽采技术及其配套装备最新进展和中高浓度煤层气深冷液化㊁低浓度煤层气分级压缩提浓㊁超低浓度煤层气蓄热氧化利用等煤层气利用装备的最新进展及技术指标㊂在此基础上,针对我国目前面临的深部开采㊁西部煤炭资源开发及高强度集约化开采等新特点,分类整理了束缚煤层气产业发展的技术瓶颈和发展趋势,提出了煤炭开采与煤层气开发协同规划和联合开发的技术思路等㊂关键词:煤矿区;煤层气;开发;利用;发展趋势
中图分类号:P618．11㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2020)01-0258-10
收稿日期:2019-11-18㊀㊀修回日期:2019-12-26㊀㊀责任编辑:韩晋平
㊀㊀基金项目:国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045007);国家自然科学基金资助项目(51874348);重庆市科技创新领军人才计划资助项目
(CSTCCXLJRC201911)
㊀㊀作者简介:刘见中(1972 ),男,江西泰和人,研究员,博士生导师㊂Tel:010-********,E -mail:liujianzhong@ccteg．cn
Current situation and development trend of coalbed methane development
and utilization technology in coal mine area
LIU Jianzhong 1,4,SUN Haitao 2,3,LEI Yi 1,CAO Jie 2,3
(1.Department of Science and Technology Development ,China Coal Technology &Engineering Group ,Beijing ㊀100013,China ;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting ,Preventing and Emergency Controlling ,Chongqing ㊀400037,China ;3.Department of Science and Technology Development ,Chongqing Re-search Institute of China Coal Technology &Engineering Group Corp.,Chongqing ㊀400037,China ;4.China Coal Research Institute ,Beijing ㊀100013)
Abstract :Since the 12th Five Year Plan,the development and utilization technology of coalbed methane in China s
coal mining areas has made great progress.Although the number of coal mines in China from nearly 20000to less than 5800,the production of coalbed methane has increased from 8.8billion m 3in 2010to 18.4billion m 3in 2018,the u-tilization rate has also increased by 10percentage,and the technology has made a great contribution to the coalbed
methane industry.However,there are also new problems such as low single well production and high gas source disper-
sion.Therefore,this paper comprehensively reviews the scientific and technological innovation and application effect of
surface extraction technology and equipment,underground extraction technology and equipment,and high and low con-centration coalbed methane utilization technology and equipment in coal mine areas in recent10years.This paper ex-pounds the development and utilization of coalbed methane in the coal mine areas,including three-level gas geological analysis technology,roof fracturing technology of ground wells in broken soft and low-permeability coal seams,layered and pressure controlled combined mining technology of coal seams,L-shaped Roof Horizontal Well Technology in min-ing area,kilometer long Directional Borehole technology under the well,underground hole protection drilling technology of broken soft coal seam,remote control drilling technology of intelligent drilling machine,technology of hydraulic frac-turing/slotting and permeability increasing in well water and so on,and the latest progress and technical indicators of utilization equipment for coalbed methane,such as cryogenic liquefaction of medium and high concentration coalbed methane,classified compression and concentration of low concentration coalbed methane,thermal storage and oxidation utilization of ultra-low concentration coalbed methane,etc.On this basis,according to the characteristics of deep min-ing,western mining and high-intensity intensive mining,the paper classifies the technical bottlenecks and development trends that restrict the development of coalbed methane industry,and puts forward the development ideas of collabora-tive planning and joint development of coal mining and coalbed methane development.
Key words:coal mining area;coalbed methane;development;utilization;development trend
㊀㊀能源是一个国家强盛的动力㊁安全的基石㊂世界上每一个国家几乎都提出了自己的能源战略,如美国的 能源 ㊁我国的 能源 ㊁日本的 氢能社会 等㊂当前,世界能源一次消费正在形成煤炭㊁石油㊁天然气和新能源 四分天下 新格局,我国能源的煤炭㊁油气㊁新能源 三足鼎立 能源结构正在提速,并加快实现常规-非常规油气的 生产 ,煤炭发展的 清洁 和新能源发展的 速度 , 2050年前后将实现向煤炭㊁油气㊁新能源 三足鼎立 转换的能源结构,届时煤炭约占一次能源消费比例的40%㊁油气占30%㊁新能源占30%㊂我国2017年已经成为全球最大石油的净进口国,2018年成为全球最大天然气进口国,目前石油对外依存度达70．9%㊁天然气对外依存度达45．3%,保障油气资源的供应已经成为我国重大战略㊂我国相对富煤㊁贫油㊁少气的资源禀赋格局决定了我国油气资源的供给压力巨大㊂我国煤炭资源丰富,直接决定了我国煤层气资源储量巨大,埋深2000m以浅的煤层气资源达36．8万亿m3,这为我国通过非常规油气资源-煤层气开发拓展油气供应渠道提供了可能㊂2006年以来,‘国家中长期科技发展规划(2006 2020)“已经明确将 复杂油气资源开发利用 列为优先主题,国家能源局连续科学规划 煤层气产业发展规划 ,并于2017年将天然气列为了国家主体能源,国家科技部通过 大型油气田及煤层气开发 国家科技重大专项等连续滚动支持煤层气开发和利用技术装备的科技创新,2006年以来在煤层气开发利用领域投入的科技创新资金达数百亿元[1-4]㊂产业的支持和科技创新为我国煤层气开发利用量的提升做出了巨大的贡献,2006年以来我国煤矿区地面/井下煤层气产量分别增长了50倍和5．16倍,利用量稳步增长(地面利用率近100%),如图1所示㊂
目前,煤层气与煤炭协调开发技术体系以及煤矿区煤层气高效抽采㊁有效利用的成套系列技术已经基本形成㊂但是,复杂的资源禀赋条件使得我国煤矿区煤层气开发仍然面临 抽采难度大㊁抽采效率低㊁抽采集中度低 等困难;煤层气利用存在 煤层气浓度低㊁波动大㊁利用率低 等难题,煤矿区煤层气开发利用迫切需要技术装备的进步和完善㊂在国家新一轮中长期科技发展规划纲要制定之际,笔者将系统分析总结 十二五 以来煤矿区煤层气开发利用技术装备的重点创新及面临的难题,为煤矿区煤层气科技规划和技术发展提供决策支撑㊂
1㊀煤矿区煤层气地面开发新技术进展
受地质条件影响,我国煤矿区煤层气地面开发主要面临着瓦斯富集区探测难㊁碎软低渗煤层成孔难㊁多煤层排采效率低㊁破碎煤岩层钻井难㊁采动区地面井防护难等困境㊂总体上,煤矿区煤层气地面开发技术主要可以划分为地质物探类技术㊁地面排采类技术㊁地面抽采类技术㊁地面钻井类技术等4类㊂经过
十一五 阶段及前期的连续攻关,我国在高精度地质物探㊁地面直井㊁丛式井㊁U型井钻井㊁60t地面钻机和采动区地面井防断等方面取得了长足的进步,为地面煤层气产量的稳步增长奠定了基础,但依然面临着碎软煤层排采难㊁煤层群排采效率低㊁破碎地层钻井速度慢㊁采动区地面井抽采范围窄等困难,近年的典型创新性成果主要围绕着这几个方面进行㊂
952煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2020年第45
卷
图1㊀2006 2017年地面煤层气抽采量和井下煤层气抽采利用量变化Fig．1㊀Changes of surface CBM extraction and underground CBM extraction in2006 2017
1．1㊀瓦斯富集地质理论方法
瓦斯地质学是研究煤层瓦斯的形成㊁赋存和运移以及瓦斯地质灾害防治理论的交叉学科㊂河南理工大学[5-6]在区域分级瓦斯地质基础上创新性提出了全国瓦斯赋存分布受10种区域地质构造类型控制的新认识,划分出30个瓦斯赋存分区(表1),圈定出47个瓦斯富集区;进而,运用瓦斯地质图法,估算了全国22省(区)煤层气资源量为29．16万亿m3(表2)㊂近年来,为了解决 区域瓦斯地质赋存基础上的矿井采掘面瓦斯防治尺度差异 难题,在既有区域瓦斯地质划分的基础上, 区域-矿井-采掘工作面 的三级瓦斯地质分析技术逐渐发展,为瓦斯地质图的分类实施和应用奠定了基础㊂
表1㊀全国煤层气(瓦斯)赋存区及分类
Table1㊀Coal bed methane(gas)occurrence area and classification in China
瓦斯分区控制类型瓦斯分区控制类型
1．天山中段北麓高突瓦斯区2．天山中段南麓高突瓦斯区3．柴北祁连河西走廊高突区1．区域地质构造挤压隆起控制型
16．黑吉辽中东部高突区
17．京西瓦斯区
18．闽浙瓦斯区
5．区域岩浆作用控制型
4．沁水盆地高突瓦斯区5．鄂尔多斯盆地东缘高突瓦斯区
6．湘赣粤高突瓦斯区7．淮北逆冲推覆高突区8．藏东青南高瓦斯预测区9．华北地块北缘高突瓦斯区10．华北地块南缘高突瓦斯区11．太行山东麓高突区12．桌子山贺兰山高突瓦斯区13．龙门山康滇高突瓦斯区14．华蓥山高突瓦斯区15．大巴山秭归高突瓦斯区
2．克拉通控制型
3．逆冲推覆构造控制型
4．造山带推挤作用控制型
19．黔西滇东川南高突瓦斯区
20．大兴安岭瓦斯区
21．长白山瓦斯区
22．山西北部瓦斯区
23．鄂尔多斯盆地中部瓦斯区
24．鲁西徐丰永夏瓦斯区
25．依兰伊通瓦斯区
26．冀中瓦斯区
27．汾渭瓦斯区
28．黔东瓦斯区
29．桂中南瓦斯区
30．滇西瓦斯区
6．区域地质构造挤
压拗陷控制型
7．区域构造隆起
剥蚀控制型
8．区域构造拉张
裂陷控制型
9．区域水文地质
作用控制型
10．低变质煤控制型
1．2㊀碎软煤层高效抽采技术
碎软低渗煤层煤层气开发中的 煤层水力压裂稳定造缝 多年来一直是亟待解决关键技术难题[7]㊂近年来,通过试验沿煤层顶板岩层施工水平井㊁进行
062第1期刘见中等:煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势
分段压裂的技术思路,避免了常规顺煤层钻水平井时
出现的垮塌埋钻㊁下套管困难㊁固井质量不好㊁煤储层
污染等问题,形成了碎软煤层高效抽采技术㊂该技术
关键问题是套管水平井在分段压裂过程中压裂缝能
否向下延伸到煤层中㊂借助 工程测试+数值分析
预测压裂裂缝延伸效果及顶板岩层水平井分段压裂
工艺(U型对接井ң水平井段顶板岩层紧邻煤
层(2m)ң地质导向钻井ң套管固井ң向下定向射
孔ң泵送桥塞ң分段压裂ң精细排采),淮北矿区已
实现了连续6个月单井产气量8000~10000m3/d 的排采效果,技术原理如图2所示(以芦岭煤矿2017
年工程为例)㊂
表2㊀全国22省区煤层气资源量
Table2㊀Coal bed methane resources of22provinces
in China
序号省煤炭储量/亿t煤层气资源量/108m3 115181．87106275．85
2山西6523．34103781．74
3贵州1703．0224922．93
4陕西3866．9810007．88
5安徽885．149739．35
6河南597．569406．52
7四川412．557856．13
8河北912．554518．87
9云南494．114670．02 10重庆132．521920．30 11内蒙古1597．411874．37 12黑龙江187．461782．28 13宁夏319．091333．42 14辽宁86．66822．93 15江西54．51776．80 16山东279．57624．44 17湖南72．51601．87 18吉林31．71138．56 19甘肃124．90284．63 20江苏80．21195．95 21青海45．8482．23 22广西28．7935．03
1．3㊀分层控压联合排采技术
多煤层地区是我国煤层气资源集中赋存区㊂对于多煤层,特别是大间距㊁碎软低渗煤层,排采中如果动液面保持在上煤层以上的位置,下煤层将不能充分解吸,甚至不产气;而如果将动液面继续下降,则上部煤层就会暴露,导致排采半径缩短㊁产生速敏效应吐粉吐砂㊁支撑剂颗粒镶嵌煤层㊁裂缝闭合速率加快等问题,严重影响产气效果㊂近年来,
多煤层分层控压
图2㊀碎软煤层顶板水平井分段压裂Fig．2㊀Sectional fracturing of horizontal well on the roof of
broken soft coal seam
合层排采技术获得成功应用,该技术以双泵三通道双煤层分层控压排采技术(图3)和双套管多煤层分层控压排采技术(图4)为核心[8],通过专用分隔装置实现了煤层排采过程中的液面压力分层控制和共井联合排采㊂目前技术及配套装备已在贵州大方㊁黔西等地成功应用
㊂
图3㊀双泵双煤层分层控压排采装备示意Fig．3㊀Schematic diagram of double pump and double coal
seam layered pressure control mining equipment 1．4㊀采动区地面L型顶板水平井抽采技术
安全高效矿井受快速采掘推进影响巨大,回采空间涌出瓦斯量大,仅靠通风及常规抽采措施无法解决超限难题㊂在攻克区域优选布井㊁局部重点防护㊁局部固井和悬挂完井等技术后采动区地面直井抽采孔的防断问题基本解决,但仍然面临着单井抽采范围小㊁地面复杂地形布井难等问题[9]㊂近年来,在攻克
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卷
图4㊀双套管多煤层分层控压排采装备示意Fig．4㊀Schematic diagram of Double casing multi seam layered
pressure control mining equipment
大孔径地面井破碎岩层护壁钻进㊁小角度穿层钻进(避免孔内积水堵塞抽采通道)等钻完井难题基础上,能使用地面大能力钻机㊁适应大起伏地形的ϕ311mm特大孔径地面L型顶板水平井抽采技术成功应用,实现了单一煤层单井抽采覆盖范围超1000m和3．3万m3/d的抽采效果,如图5所示㊂
图5㊀采动区地面L型顶板水平井抽采
Fig．5㊀Extraction of horizontal well with L-shaped
roof on the ground in the mining area
1．5㊀100t地面车载钻机及穿越采空区钻井技术我国地面煤层气车载钻机主要依靠进口,国外公司对电液控制等技术严格保密㊂近年来,适用采空区多种钻进工艺的双速马达回转器㊁直线导轨式伸缩桅杆㊁具有多种保护功能和多冗余度的电液控制系统等技术获得突破,具有大扭矩㊁结构紧凑㊁适应多种钻进工艺等特点的100t国产化全液压车载钻机(图6)及配套设备获得成功[10]㊂进而,配套完成的采动区煤层气井大直径空气潜孔锤㊁集束式反循环潜孔锤钻进工艺和防止卡埋钻㊁强力穿越冒落带空气潜孔锤正循环钻进工艺方法等大幅提升了我国地面钻井的技术水平
㊂
图6㊀车载钻机总体结构
Fig．6㊀Overall structure of vehicle mounted drilling rig 2㊀煤矿区煤层气井下开发新技术进展
受地质条件影响,我国煤矿区煤层气井下开发面临着井下长钻孔定向难㊁软硬复合煤层钻孔难㊁低渗煤层增透难㊁钻机装备操作复杂等困境㊂总体上,煤矿区煤层气井下开发技术主要可以划分为钻孔技术㊁增渗技术㊁钻孔装备等3类㊂经过 十一五 阶段及前期的连续攻关,我国在中硬以上煤岩层钻孔技术㊁松软煤层螺旋钻孔技术㊁穿层钻孔水力压裂增渗技术㊁CO2相变致裂增渗技术等方面取得了长足的进步,为井下煤层气产量的稳步增长奠定了基础,但依然面临着软硬复合煤层钻孔成孔㊁顺煤层钻孔压裂控制㊁钻机智能控制等困难,近年的典型创新性成果主要围绕以下几个方面进行㊂
图7㊀井下千米定向钻机
Fig．7㊀Underground kilometer directional drilling machine 2．1㊀井下定向长钻孔技术
井下抽采是煤层气抽采的主要途径之一, 瓦斯长抽采钻孔高精度定向施工技术和装备 是制约煤矿区煤层气井下抽采效果的重要因素㊂近年来,煤矿井下大直径超长定向孔钻进成套装备获得了快速发展(图7)[11],该装备由可满足多种钻进工艺的大功率高可靠性定向钻机㊁满足长距离循环供液的高压大流量泥浆泵车㊁高韧性高强度随钻测量钻杆和无磁钻具等组成,克服了受限巷道空间内钻进装备小体积㊁大能力㊁高可靠输出难题,钻进能力提升1倍以上;煤矿井下防爆型无线随钻测量系统攻克了小排量(1．5L/s)㊁宽范围(1．5~10L/s)㊁低压
262
第1期刘见中等:煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势
差(0．2MPa)条件下泥浆脉冲信号近水平长距离稳定传输㊁可靠解调的难题,传输距离超过2500m,填补了国内外煤矿井下无线随钻测量技术空白;创建的
3300m 近水平孔复合定向钻进技术体系攻克了超长延伸㊁大直径成孔㊁精准定向㊁快速钻进难题,综合钻进效率提高40%以上,创造了3353m 的煤矿井下长钻孔深度的世界纪录㊂
2．2㊀松软煤层全孔段护孔钻进技术
我国煤层地质条件复杂,软煤层分布广泛, 松软煤层钻孔成孔率低 一直以来是行业难题㊂近年来,套管钻进工艺技术和全孔段下放筛管护孔工艺获得了快速发展[12]㊂套管钻进工艺技术是采用底扩式可打捞套管钻进至安全扭矩设定孔深后,将套管留在孔内护孔,再用二级钻具钻进至设计孔深,降低了深孔一次钻进的施工难度,提高了松软煤层钻孔深度和成孔率(图8)㊂全孔段下放筛管护孔工艺技术是钻进到设计孔深后,退钻前将筛管通过钻杆和钻头内孔将其下入到孔底,退钻后筛管留在孔内,实现全孔段筛管下放,该技术极大提高了钻孔成孔率(图9)㊂
2．3㊀碎软煤层中深孔气动马达定向钻进技术 碎软煤层孔壁稳定性差,成孔率和钻孔精度
差 ,气动定向钻进技术主要是针对碎软煤层精准抽采对瓦斯抽采钻孔轨迹精确测控的需求㊂该技术利用矿用空压机输出的中压气体作为钻孔循环排渣介质,并驱动孔底空气螺杆马达[13](图10)进行复合定向钻进及钻孔轨迹,确保钻孔沿设计轨迹延伸;钻进过程中,采用随钻测量系统实时监测钻孔轨迹参数,为钻孔轨迹提供依据;
采
图8㊀套管钻进工艺技术
Fig．8㊀Casing drilling
technology 图9㊀筛管下放钻具Fig．9㊀Screen pipe drilling tool
用异形定向钻具进行强化排渣,避免卡埋钻事故;利用孔口除尘装置进行污染空气处理,确保钻场清洁;钻孔成孔后,下入筛管进行护孔,避免抽采过程中孔壁坍塌㊂气动定向钻进技术解决了松软煤层长距离精确成孔难题,最大孔深达到406m,为松软煤层区域递进式抽采提供了保障,可有效避免出现抽采盲区和空白带
㊂
图10㊀气动定向钻进技术原理
Fig．10㊀Principle of pneumatic directional drilling technology
2．4㊀地面遥控智能钻机
煤矿井下钻孔作业空间狭窄㊁环境恶劣,防突钻孔往往更是临危作业,给钻机操作人员的生命安全造成了较大的安全隐患㊂ 井下钻机的智能化控制 是
钻机自动作业的瓶颈,近年来地面遥控智能钻机取得了较大进步[14],该装备通过自动上下钻杆技术㊁无线
遥控操作技术㊁一键全自动钻孔技术㊁数据自动记录技术㊁智能防卡钻技术等突破了井下钻机无人化钻孔3
62
操作的技术瓶颈,为井下无人化钻孔作业奠定了基础,钻机如图11所示
㊂
图11㊀地面遥控智能钻机
Fig．11㊀Ground remote control intelligent drilling machine
2．5㊀井下顺层钻孔水力压裂增渗技术
井下掘进工作面的增渗一直以来是提高掘进速
度的一个关键节点, 顺层钻孔水力压裂封孔的安全保障技术 是影响顺层压裂技术推进的关键㊂近年逐渐发展的顺层钻孔水力压裂技术为解决该难题提供了有效手段[15]㊂顺层钻孔水力压裂适用于工作面压裂及定向长钻孔压裂,特别是分段压裂工艺的实现;其相对穿层压裂而言,起裂压裂小㊁压裂安全系数高,压裂液可全部进入煤层㊁压裂效率高,压裂范围更广更均匀㊁压裂效果好㊂该技术应用的基于跨式双封结构的拖动分段压裂工艺及投球分段压裂工艺,可实现定向长钻孔㊁梳状钻孔等工艺下的分段压裂㊂与传统封隔器主要依靠封隔器与钻孔壁的摩擦力封孔不同,跨式双封结构封隔器主要依靠双封结构间的拉力及封隔器径向压力实现坐封,解决了封隔器在坐封过
程中轴向滑动难题,封孔可靠㊁封隔层位精准,压裂工艺如图12所示㊂
2．6㊀井下超高压水力割缝增渗技术
中硬及以上煤层的局部高效增渗是提高煤矿井图12㊀井下顺层钻孔分段压裂工艺
Fig．12㊀Staged fracturing technology of borehole in the down hole
下条带㊁区段抽采效率的有效措施㊂近年来,超高压水力割缝技术发展迅速,该技术以高压水为动力,对煤体进行切割㊁剥离,增大煤体的暴露面积,改善煤层中的煤层气流动状态,改变煤体的原始应力,使煤体得到充分卸压,从而提高煤层的透气性和煤层气释放
能力[16]㊂超高压水力割缝装置主要由金刚石复合片钻头㊁水力割缝浅螺旋整体钻杆㊁超高压旋转水尾㊁超高压清水泵㊁高低压转换割缝器㊁超高压软管等组成㊂适用于高地应力㊁高瓦斯㊁低透气性煤层(煤层硬度f >0．4)工作面顺层钻孔㊁穿层钻孔及石门揭煤卸压增
渗等,顺层钻孔割缝深度80~120m,穿层钻孔割缝深度80~140m㊂超高压割缝技术的工作压力可达
100MPa,能实现钻进㊁切割一体化作业,缩短工艺流程时间;通过超高压远程操控装置可实现100m 以上远程操控,装备承压150MPa,清水泵可实现履带自
行走功能
㊂
图13㊀超高压水力割缝装置
Fig．13㊀Ultra high pressure hydraulic slotting device
2．7㊀井下高压空气爆破致裂增透技术
爆破增渗是井下煤层卸压增渗的主要措施之一,但传统的控制爆破㊁深孔爆破等往往面临着爆孔火花诱发爆炸的风险㊂近年来,井下高压空气爆破技术迅
速发展,该技术以高压空气为媒介,通过控制高压空气的释放产生爆轰作用,进而通过连续高压空气爆破产生叠加卸压效应,可以大幅提高中硬及以上煤层的
透气性[17]㊂该技术通过二级增压实现高压(100MPa)空气泵站的国产化㊁小型化;采用单片机控制㊁连接多根爆破管多点起爆,提高了爆破效率;爆破影响范围可达5m,钻孔瓦斯抽采纯量可增加55%以上㊂
3㊀煤矿区煤层气梯级利用新技术进展
受开发方式及开发阶段差异影响,煤矿区煤层气浓度分布范围广(0．8%~90%),这使得对煤矿区煤层气进行分段梯级利用成为了必然需求㊂经过 十一五 阶段及前期的连续攻关,我国在高浓度煤层气脱氧液化㊁中高浓度煤层气发电㊁低浓度煤层气浓缩吸附等方面取得了长足的进步,为煤矿区煤层气利用率的提高奠定了基础,但依然面临着利用成本高㊁利用规模小㊁安全保障较弱等困难,近年的典型创新性成果主要围绕以下几个方面进行㊂
3．1㊀煤层气含氧深冷液化技术煤层气含氧液化技术省略了脱氧流程,降低了工艺成本,但含氧液化过程的安全保障成为了技术成功与否的关键㊂近年来,较高浓度(>30%)的煤层气含氧深冷液化技术获得了较大进展,其以低浓度煤层气深冷直接液化低能耗控制和精馏塔安全保障两项技术为核心[18]㊂该技术在采用氮制冷与
混合冷剂循环制冷结合的方式基础上对各制冷温区合理分配冷量,采用三塔TPSA 工艺㊁冷冻脱水与多吸附剂混合脱水等技术,可实现同规模降能耗
18%;通过采用特殊抑爆材料确保遇火不爆,采用
防雷击㊁防静电㊁防火源等特殊结构设计确保无火源,采用物理卸爆确保爆炸不致灾,实现了含氧煤层气直接液化的压缩㊁净化㊁液化与分离各流程的安全运行,工艺流程如图14所示
㊂
图14㊀含氧煤层气深冷液化工艺流程
Fig．14㊀Process flow of deep cooling liquefaction of
coal bed methane with oxygen
3．2㊀低浓度煤层气变压浓缩吸附技术
煤层气的变压吸附浓缩受分子筛性能和浓缩工
艺技术的影响巨大㊂近年来,低浓度煤层气(<30%)的短流程高效变压浓缩吸附技术获得了快速发展,该技术依托煤基质高性能碳分子筛开发了原料气适用
范围宽的低压短流程提质利用工艺技术[19],在150kPa 下可将浓度15%以上原料气经两级提质浓缩达到95%,CH 4回收率达90%㊂可较常规技术降低能耗15%~20%,技术工艺如图15所示
㊂
图15㊀低压短流程变压吸附浓缩工艺
Fig．15㊀PSA concentration process of low pressure short process
3．3㊀极低浓度煤层气蓄热氧化技术
煤矿区风排乏风瓦斯等极低浓度煤层气(浓度<
1%)总量巨大,对环境影响深远,长期以来缺乏有效
的利用技术㊂近年来,极低浓度煤层气蓄热氧化利用技术获得了较快发展,该技术以低浓度煤层气输送保障技术㊁不同浓度煤层气的智能混配技术㊁多床式低浓度煤层气蓄热氧化装备(图16)等为核心㊂智能混配技术实现了瓦斯浓度自动㊁均匀混配,解决了瓦斯浓度波动大的难题[20-21];蓄热氧化装备解决了两床式憋气㊁串气和氧化床内煤层气浓度波动大的难题,
提高了装置的运行稳定性,平均甲烷氧化率可达98%以上
㊂
图16㊀五床式煤层气蓄热氧化装备
Fig．16㊀Five bed coal bed methane thermal storage
and oxidation equipment 4㊀煤矿区煤层气开发利用面临的新问题及发
展趋势
㊀㊀ 十二五 以来煤矿区煤层气井上下开发技术装
备的快速发展和不同浓度范围煤层气利用技术装备性能的提高为我国煤层气产业的发展奠定了坚实的基础㊂但是,煤与煤层气耦合伴生,煤矿区煤层气开发与煤炭资源的开采紧密相关,煤与煤层气的协调开
前,煤炭生产集中度日益提高,我国80%以上的煤炭
产能集中在了晋陕蒙新的大型矿井,千万吨级矿井将
成为煤炭供应的主体,这对煤层气井上下开发的区域
化㊁高效化提出了更高的要求;东部区域煤炭开采深
度日益提高,深部开采中面临的高地应力㊁高煤层气
压力㊁高地温等现象日益明显,井下煤层气开发的难
度和面临的风险日益提高;南及西南部区域的小煤矿
逐渐淘汰,未来关停范围将进一步扩大,废弃矿井数
量急剧增加,废弃矿井赋存了巨量的优质煤层气资
源,其高效开发利用已经成为煤矿区煤层气开发利用
的重要一环;另外,煤矿区煤层气开发分布范围广泛,
产气点分散㊁产气量变化大成为其核心特点,如何使
得煤层气利用技术装备适应这一需求,成为亟待研究
的方向㊂
因此,在未来10~15a,我国煤矿区煤层气开发
面临的主要问题是煤炭生产方式变革条件下的煤层
气高效开发和利用问题,应重点从以下6个方面进行
技术突破:①待建矿井碎软突出煤层煤层气地面区
域化高效排采;②煤矿采动区煤层气分区联动地面
井连续抽采;③废弃(关闭)矿井煤层气 甜点 资源
区评判及高效抽采;④井下长钻孔分段高效压裂增
渗;⑤井下钻孔机器人自适应钻进及封孔抽采;⑥
低浓度煤层气资源化高效利用㊂
同时,经济性是煤层气开发利用的重要指标,我
国煤层气赋存条件复杂多样,导致煤层气常规排采效
果长期维持在单井1000m3/d左右,这与煤层气发展的需求是不相适应的;而我国煤炭基础能源的地位
又决定了煤炭开采在国家能源供给中的决定性作用,
因此,将煤层气开发与煤炭开发相结合,将煤层气抽
采的资源属性和煤炭开采的安全属性充分结合,进行
煤矿区煤层气与煤炭协调开发,既降低了煤层气开发
的单井成本又实现了煤矿安全生产的保障,这将是我
国未来煤矿区煤层气开发的主体方向和煤层气+煤
炭联合规划布局的根本需求㊂
5㊀结㊀㊀论
(1) 十二五 以来,煤矿区煤层气开发利用技术及装备发展迅速,瓦斯富集地质理论方法㊁碎软煤层高效抽采技术㊁分层控压联合排采技术㊁采动区地面L型顶板水平井抽采技术㊁100t地面车载钻机及穿越采空区钻井技术㊁井下千米长钻孔技术㊁松软煤层全孔段护孔钻进技术㊁地面遥控智能钻机㊁井下顺层钻孔水力压裂技术㊁井下超高压水力割缝技术㊁井下高压空气爆破致裂增透技术㊁煤层气含氧深冷液化技术㊁低浓度煤层气变压浓缩吸附技术和极低浓度煤层气蓄热氧化利用技术等为煤矿区煤层气开发量的提升和利用率的提高提供了强大的技术装备支撑㊂
(2)煤矿区煤层气与煤炭协调开发是必然之路,随着我国煤炭开采向着深部化㊁大型化㊁集约化的快速推进和淘汰落后产能㊁关闭落后小煤矿的持续实施,难抽煤层的井上下区域化增渗和排采技术㊁废弃矿井煤层气资源的准确评估和高效开发技术㊁井下钻孔机器人自适应钻进及封孔技术㊁低浓度煤层气资源化高效利用技术等将是未来的重大技术需求㊂(3)煤矿区煤层气与煤炭协调开发及煤炭开采+煤层气开发联合规划将是未来煤矿区煤层气发展的主要方向㊂
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