【正文】 隨著煤化作用的加深，甲烷在壓力的作用下以單分子形成的單分子層越來(lái)越緊密地吸附在煤的內(nèi)表面上。 吸附是煤層的獨(dú)特性質(zhì)，是煤層甲烷的主要賦存形式。 制約煤吸附能力的因素很多，諸如煤質(zhì)、煤階、孔隙結(jié)構(gòu)、水分、灰分及壓力等。釋放的氣量受非線性等溫吸附線的控制。 二、煤層氣含量 煤層甲烷為自生自儲(chǔ)式天然氣資源，其富集特點(diǎn)與常規(guī)天然氣有所不同，它基本上沒(méi)有大規(guī)模的二次運(yùn)移和聚集過(guò)程。1．煤的成分對(duì)甲烷含量的影響 煤，可根據(jù)品位、類型、煤級(jí)三個(gè)不同的特征進(jìn)行分類。這就是通常所說(shuō)的有機(jī)質(zhì)在壓力增強(qiáng)和溫度升高條件下轉(zhuǎn)化成的三種主要煤組分，又稱三煤素質(zhì)。按其生烴能力，最強(qiáng)的是類脂組，鏡質(zhì)組次之，惰性組最差（表21）。甲烷的生成量隨煤變質(zhì)程度的提高而增長(zhǎng)，即隨煤階而改變（煤階是用于確定煤所經(jīng)歷的煤化作用程度的專門(mén)術(shù)語(yǔ)，它是根據(jù)煤的揮發(fā)分含量、碳含量和鏡質(zhì)體反射率見(jiàn)來(lái)劃分的）。根據(jù)計(jì)算，不同煤階的生氣體積，中低揮發(fā)性煙煤的生氣量最大（圖18），分別為75. 89m3/t和61. 16 m3/t ，高揮發(fā)性煙煤為18. 12 m3/t。3．煤層含氣量隨埋深加大而增加 圖28 生氣量與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系 圖29 不同煤階含氣量和深度的關(guān)系 隨著煤層埋深的加大，煤層甲烷的壓力逐漸增大，封閉條件也相對(duì)變好，煤對(duì)甲烷的保存量在一定壓力范圍內(nèi)顯著增加。 根據(jù)國(guó)外學(xué)者對(duì)黑勇士盆地的研究結(jié)果，煤層甲烷的最大潛力是在305m以上的深處。埋深超過(guò)153m時(shí)，煤中的含氣量為煤階和深度的函數(shù)。4．煤層氣含量與煤層頂?shù)装鍑鷰r性能有關(guān) 一般煤層頂?shù)装宓膸r性可分為油頁(yè)巖型、泥頁(yè)巖型、砂泥巖互層型、石灰?guī)r型和砂巖型。煤層圍巖以厚層泥頁(yè)巖和油頁(yè)巖最好；石灰?guī)r為頂?shù)装鍟r(shí)，由于其溶洞發(fā)育、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)甲烷的保存有不利影響；砂巖頂?shù)装逡蚩紫洞?，透氣性?qiáng)，亦不利于煤層甲烷的保存。美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤樣甲烷含量的方法，一般采用美國(guó)礦業(yè)局1972年以來(lái)一直采用的直接測(cè)定法。所測(cè)得的甲烷氣由解吸氣、逸散氣、殘留氣三部分組成。圖210是用直接法測(cè)定含氣量的示意圖。測(cè)定的要點(diǎn)在于取樣要快要準(zhǔn)。取心率達(dá)到73%。6．儲(chǔ)量計(jì)算 煤層氣藏儲(chǔ)量的計(jì)算是制定開(kāi)采計(jì)劃的依據(jù)。第一步估計(jì)原始地質(zhì)儲(chǔ)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單、因?yàn)槊旱捏w積一般較容易確定，煤中甲烷的含量也可準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。較困難的是計(jì)算甲烷的可采儲(chǔ)量。惟—可靠的方法是氣藏模擬法，它可以估算出煤層甲烷氣儲(chǔ)量。后來(lái)在性能上有很大提高。首先估算出煤的儲(chǔ)量，公式為： T=135．868 10－3．H．G式中，T為煤的儲(chǔ)量（t／m2）；H為煤層厚度（m）；G為平均能譜測(cè)井的體積密度（t／m3）。 第三節(jié) 煤層氣選區(qū)地質(zhì)評(píng)價(jià) 進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)的目的在于選區(qū)，選區(qū)的基本要求是高產(chǎn)、長(zhǎng)效。試驗(yàn)區(qū)一般選在低位沼澤還原環(huán)境條件下，由木本植物形成的分布穩(wěn)定、厚度適宜、產(chǎn)狀平緩、無(wú)巖漿侵入中等變質(zhì)作用形成的中等煤階中的鏡煤與亮煤區(qū)，在含氣量大、裂隙發(fā)育、滲透性好的大型線形構(gòu)造盆地的最大曲率部位布勘查并。 一、煤層氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ) 美國(guó)煤層氣工業(yè)在近30年來(lái)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的關(guān)鍵是對(duì)煤盆地進(jìn)行了系統(tǒng)全面的地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)，在選擇勘探、開(kāi)發(fā)煤層的有利區(qū)塊進(jìn)行地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮下列一些重要因素，即氣含量、滲透性、煤階、煤層的物理性質(zhì)、煤層厚度、埋深、地溫梯度、地應(yīng)力、頂?shù)装鍘r層特征、沉積環(huán)境及構(gòu)造條件等。1．煤層氣資源量評(píng)價(jià) 煤層氣資源量的含義，與常規(guī)天然氣資源量的含義一致，是指賦存于地下煤儲(chǔ)層及其圍巖中的在現(xiàn)代技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下可供開(kāi)采，并能獲得經(jīng)濟(jì)效益的甲烷儲(chǔ)量。如果煤層含氣量太小，也就失去了開(kāi)采價(jià)值。 煤層氣資源量的大小，可根據(jù)體積計(jì)算法估計(jì)。 實(shí)際上，煤層氣資源量包含兩方面的內(nèi)容，即現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的煤層氣儲(chǔ)量和根據(jù)地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)資料用統(tǒng)計(jì)法或類比法所估算的尚未發(fā)現(xiàn)的煤層氣遠(yuǎn)景資源量。但在開(kāi)采煤層氣時(shí)卻要求煤層有一定的滲透性，因?yàn)槊簩訚B透性差影響氣的解吸和擴(kuò)散，氣排不出來(lái)，不可能作為選區(qū)的對(duì)象，所以應(yīng)綜合考慮。3．埋藏深度 一般說(shuō)來(lái)，煤層理深越大，含氣量越大。在正常情況下，含氣量較高的深度范圍是1000～2000m。因?yàn)槌^(guò)這一深度，常會(huì)出現(xiàn)煤粒流動(dòng)或煤層垮塌，造成堵塞。4．煤層厚度 含氣煤層的厚度范圍以中等厚度為好，美國(guó)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為0．6～5．0m。當(dāng)然，在選區(qū)時(shí)還應(yīng)根據(jù)煤層的具體情況而定。5．煤階 從長(zhǎng)焰煤到焦煤，生氣量達(dá)到高峰，而瘦煤一無(wú)煙煤又是一個(gè)相對(duì)生氣高峰。由于煤層內(nèi)的微孔限隨煤階的上升而增多，造成滲透率降低，所以，這樣的煤層雖然含氣量高，但因滲透率太低，也不能作為選區(qū)目標(biāo)。構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)是煤層氣的主要保存區(qū)，而構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，甲烷分子極易沿孔隙通道或裂隙擴(kuò)散，保存條件較差。一些國(guó)外學(xué)者在評(píng)價(jià)煤層氣資源量時(shí)所使用的聚煤氣系數(shù)Qc在穩(wěn)定區(qū)為20％，而在活動(dòng)區(qū)則為l％。如在同樣熱力條件下，近海型煤的鏡質(zhì)體反射率偏低，揮發(fā)分偏高；在高位沼澤，煤在氧化環(huán)境中形成，殼質(zhì)體和絲質(zhì)體成分多，裂隙不發(fā)育，對(duì)煤層氣形成不利；相反，在低位沼澤，煤在還原環(huán)境中形成，鏡質(zhì)體成分多，裂隙發(fā)育，有利于煤層氣的形成。顯然，低位沼澤相形成的煤所占的比例大，對(duì)煤層氣的形成有利。前期投資費(fèi)用國(guó)選區(qū)地理位置和地質(zhì)情況的不同會(huì)有所差異；同時(shí)，還會(huì)因設(shè)備和處理措施的不同而存在差異。由于煤層氣井產(chǎn)出水的成分不同，含鹽度也不同，且產(chǎn)水量變化也很大。美國(guó)圣胡安盆地，處理排出水的方法是將水由注入并注入地下或注入蒸發(fā)池。 （3）計(jì)算煤層氣和水的產(chǎn)量、最大儲(chǔ)氣量。傳統(tǒng)的計(jì)算方法，如模擬、遞減曲線或物質(zhì)平衡法已不再適用。常用的模擬模型有用于單井分析的COMET－PC和用于多井、多層分析的 COMET－PC 3D。目前，合同價(jià)格與現(xiàn)貨價(jià)格之間存在著較大的價(jià)格差，各產(chǎn)氣盆地之間也存在著較大的價(jià)格差。這樣，有利于用標(biāo)準(zhǔn)條件（考慮通貨膨脹）和實(shí)際條件（不考慮通貨膨脹）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。由于非常規(guī)氣減稅對(duì)經(jīng)濟(jì)前景有著重要影響，因此，要研究有和沒(méi)有減稅兩種情況下的結(jié)果，以確定一旦減稅終止，再進(jìn)行非常規(guī)氣田開(kāi)發(fā)能否滿足公司財(cái)政上的收益標(biāo)準(zhǔn)。有三種財(cái)務(wù)度量適宜于煤層氣的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。 （7）環(huán)境問(wèn)題。如果產(chǎn)出水中固相和鹽的含量較低，可以將它們排放到地面，甚至用于農(nóng)業(yè)和牲畜飲用。但是，對(duì)于一些干旱缺水的地區(qū)，水是極為珍貴的。 煤層氣的其他環(huán)境問(wèn)題是井場(chǎng)、交通道路和集輸系統(tǒng)對(duì)陸地的破壞。但在環(huán)境敏感地帶，如潮濕地區(qū)，應(yīng)在一定面積內(nèi)少布些井。本章主要根據(jù)美國(guó)黑勇士盆地和圣胡安盆地的商業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐，介紹煤層氣生產(chǎn)工藝和流程，以期為未來(lái)我國(guó)煤層氣的試氣排采和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。由于煤層的這些特點(diǎn)，在進(jìn)行煤層氣的開(kāi)采時(shí)，涉及到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是最大限度地排水以降低儲(chǔ)層壓力；二是對(duì)所排出的氣水進(jìn)行地面分離；三是將采出氣壓縮到輸送壓力；四是對(duì)采出水的處置或處理。 本章將簡(jiǎn)要介紹煤層氣的開(kāi)采機(jī)理，確定開(kāi)采這類儲(chǔ)層所使用的設(shè)備類型。此外，本章還將討論煤層氣井的投產(chǎn)方法，同時(shí)，提出優(yōu)化煤層氣開(kāi)采的一些建議。上述過(guò)程發(fā)生的前提條件是，煤儲(chǔ)層壓力必須低于氣體的臨界解吸壓力。因此，在實(shí)際的煤層氣生產(chǎn)井中，氣體是與水共同產(chǎn)出的，煤層流體的運(yùn)移可分為單相流階段、非飽和單相流階段及兩相流階段。圖3l為典型的煤層氣生產(chǎn)井的氣、水產(chǎn)量變化曲線，可分出如下三個(gè)階段：（l）排水降壓階段。在儲(chǔ)層條件相同的情況下，這一階段所需的時(shí)間，取決于排水的速度。繼續(xù)排水作業(yè)，煤層氣處于最佳的解吸狀態(tài)，氣產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定而水產(chǎn)量下降，出現(xiàn)高峰產(chǎn)氣期。產(chǎn)氣量達(dá)到高峰的時(shí)間一般隨著煤層滲透率的降低和井孔間距的增加而增加。 （3）氣產(chǎn)量下降階段。這一階段延續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)10年以上。 氣體自煤儲(chǔ)層中的解吸量與煤儲(chǔ)層壓力有關(guān)。例如，在黑勇士盆地Deerlick Creek采區(qū)，將井口壓力從520 kPa降至100 kPa，氣產(chǎn)量可增加25％，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。1．生產(chǎn)布局煤層氣開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)布局與?，F(xiàn)油氣有較大差異。在確定井徑、地面設(shè)施與井筒的位置關(guān)系時(shí)，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、儲(chǔ)層特征、地形及環(huán)境條件等因素。該系統(tǒng)中各部分密切配合，才會(huì)使得煤層氣生產(chǎn)順利進(jìn)行。一般井筒應(yīng)鉆至最下部產(chǎn)層之下，以產(chǎn)生一個(gè)鉆井工程稱之為的“口袋”。二是煤層氣產(chǎn)出的煤粉和較大的固體顆粒沉積在“口袋”內(nèi)，定期清除，防止埋掉產(chǎn)氣層。 煤層氣生產(chǎn)井的結(jié)構(gòu)是將油管置于套管之內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)是由常規(guī)油氣生產(chǎn)并演化而來(lái)的。一般情況下，產(chǎn)出水通過(guò)內(nèi)徑為60mm或73mm的油管泵送至地面，氣體則自油管與套管的環(huán)形空間產(chǎn)出。 除排水產(chǎn)氣外，井筒的設(shè)計(jì)還應(yīng)盡量降低固體物質(zhì)（如煤屑或壓裂砂等）的排出量。在泵的入口處，可安裝帶濾砂裝置的篩管，減少進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)中的碎屑物質(zhì)。 第二節(jié) 排采方法 用于煤層氣開(kāi)采的排水系統(tǒng)包括有桿泵、螺桿泵、氣舉和電潛泵。目前應(yīng)用最多的是有桿泵和螺桿泵。在許多情況下，無(wú)論是有桿泵還是螺桿泵都能很好地工作。 一、幾種常見(jiàn)的機(jī)械排水方式 煤層氣機(jī)械排水常用的舉升設(shè)備可分為地下和地面兩部分：地下部分是泵，常用的有管式泵或桿式泵、螺桿泵和潛油電泵；和各種泵相配套使用的地面部分是抽油機(jī)（游梁式或鏈條式等）、驅(qū)動(dòng)裝置和配電系統(tǒng)。潛油電泵是一種無(wú)桿泵，它是通過(guò)葉輪產(chǎn)生的壓力將液體舉升到地面。（一） 、游梁式抽油機(jī)+管式泵1．游梁式抽油機(jī)+管式泵構(gòu)成及工作原理 這種組合如圖33所示，由以下幾部分構(gòu)成：地面部分為游梁式抽油機(jī)，由電動(dòng)機(jī)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)組成；井下部分為抽油泵（管式泵或桿式泵），它懸掛在套管內(nèi)油管的下端；泵的柱塞由一或幾種直徑和鋼級(jí)的抽油桿和地面抽油機(jī)相連接。當(dāng)抽油桿上行時(shí)，柱塞作上沖程運(yùn)動(dòng)，固定凡爾打開(kāi)，游動(dòng)凡爾此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，泵從井中吸入水，柱塞將它上面油管中的液體上舉到井口，完成抽油泵的排出過(guò)程；當(dāng)抽油桿下行時(shí)，杜塞作下沖程運(yùn)動(dòng)，固定凡爾關(guān)閉而游動(dòng)凡爾打開(kāi)，柱塞下面的液體通過(guò)游動(dòng)凡爾向上排泄，完成抽油泵的吸入過(guò)程。為保證連 續(xù)抽排，選擇抽油機(jī)應(yīng)遵循下列步驟： ①根據(jù)煤層氣井預(yù)測(cè)的最大產(chǎn)水量初步確定泵徑、沖程和沖次。 ③由已選出的泵徑、沖程、沖次組合及抽油桿柱計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷和減速箱輸出軸扭矩。 ⑤初選后，再進(jìn)行參數(shù)配合及抽油機(jī)和抽油桿柱的校核，如校核不合格，則調(diào)整后重新進(jìn)行校核。由于煤層氣排水的特殊性，如出煤粉、水的腐蝕性和磨阻大于油、井斜等因素，在選擇時(shí)要適當(dāng)增加安全系數(shù)。而煤層氣排采要求抽油機(jī)工作參數(shù)隨時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)連續(xù)、勻速穩(wěn)定降液的要求。⑧為防止在上下沖程對(duì)煤層的激動(dòng)，應(yīng)盡量選用長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，靠大沖程代替大沖次。（2）種類 根據(jù)活塞外徑（泵筒內(nèi)徑）大小可分為φ38mm、φ44mm、φ56mm、φ70mm、φ83mm、φ95mm等。其中，φ70mm以上泵屬于大泵，在選擇使用時(shí)考慮其活塞是否能通過(guò)油管，如不能通過(guò)，需要隨泵筒一起下井，然后用脫接器對(duì)接。 表31 常見(jiàn)管式泵參數(shù)表38 44 56 70 83 95 0。0 15 （3）泵掛結(jié)構(gòu) 一般泵掛結(jié)構(gòu)包括油管結(jié)構(gòu)和抽油桿結(jié)構(gòu)。 抽油桿結(jié)構(gòu)自下而上為：活塞+（脫接器）+拉桿+抽油桿（帶扶正器）+拉桿二、 螺桿泵 圖34 典型的螺桿泵裝置示意圖 螺桿泵也是一種有桿泵，在油氣工業(yè)中是一種相對(duì)較新的泵。螺桿泵主要由地面驅(qū)動(dòng)裝置、抽油桿和井下泵三部分組成。轉(zhuǎn)子是一單外螺旋體，截面是圓形，由高強(qiáng)度鋼加工而成。泵抽作用是通過(guò)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子與定子之間連續(xù)的密封，使得流體能夠始終以與泵的旋轉(zhuǎn)速度和空穴體積成正比的速率向上運(yùn)移。在正常操作條件下，螺桿泵與有桿泵相差無(wú)幾。但螺桿泵在抽空的情況下容易燒泵，必須格外當(dāng)心。 3．氣舉 在黑勇士盆地和圣胡安盆地，氣舉應(yīng)用雖然不如有桿泵和螺桿泵普遍，但在沒(méi)有電力和電力費(fèi)用較高的地方，卻是一種頗受歡迎的人工舉升方法。有兩種氣舉方法可以采用，一是通過(guò)油管注氣，由套管產(chǎn)出水和氣；二是由套管注氣，通過(guò)油管采出煤層氣和水，這是最常用的方法。水一氣在地面進(jìn)行分離，水被送往水處理系統(tǒng)，氣要么重新注入地下用于連續(xù)氣舉，要么送往集輸系統(tǒng)。 氣舉的最大特點(diǎn)是能夠處理固體顆粒，不受出砂的影響，幾乎不存在機(jī)械方面的問(wèn)題；同時(shí)，它能適應(yīng)開(kāi)采初期的大排量采液。此外，最初運(yùn)行時(shí)需要壓縮氣派。 根據(jù)黑勇士盆地的使用經(jīng)驗(yàn)，采氣的初期階段，使用氣舉方法比使用常規(guī)泵抽方法更經(jīng)濟(jì)有效。4．電潛泵 電潛泵無(wú)論在淺并還是在深井都能大排量排液。當(dāng)流體進(jìn)入離心泵時(shí)，穿過(guò)電機(jī)，提供冷卻。電潛泵主要用在無(wú)法采用其他方法的場(chǎng)合。而且經(jīng)過(guò)改進(jìn)，它還能較好地進(jìn)行氣、液分離，處理固體顆粒。但它也有兩個(gè)不利的因素，一是費(fèi)用高（包括投資、安裝和修井），二是如果供液不足，有燒泵的可能性。有些地方水是從滲透性非煤層區(qū)流入井內(nèi)的。同樣，如果不使用大排量的泵，要排掉高滲透煤層的水也是很難的。有兩口邊界并，產(chǎn)水量很高，幾乎不產(chǎn)氣。使用電潛泵后，由于連續(xù)地大排量排水，產(chǎn)氣量大幅度提高。在生產(chǎn)的初期因壓裂砂、煤粉、煤顆粒及井斜的影響，檢泵周期較短，常見(jiàn)的檢泵原因是抽油桿磨斷、泵被卡死。根據(jù)煤層氣井的深度確定抽油機(jī)的大小，使抽油機(jī)的功率得到充分的發(fā)揮。它也受到井斜的影響，抽油桿和油管之間的摩擦，使油管偏磨造或抽油桿磨斷。泵深與排量有關(guān)，排量越大，泵的深度越小。 螺桿泵在煤層氣井的生產(chǎn)上應(yīng)