澳大利亚清洁能源煤层气

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收藏文章 赞一个 已赞 2016-04-26 矿业澳洲


煤层气既是常规油气资源的接替产品,又是一种优质、高效、洁净、环保、经济的绿色能源,随着世界石油、石化资源的日趋紧张,具有热值高、无污染等特性的煤层气的大规模开发利用前景诱人,被世界各国视为紧缺的战略性矿产资源。


一、澳大利亚的煤层气资源 


目前,世界上有74个国家赋存煤层气资源,根据统计看出,全球陆上煤田埋深于2000m的煤层气资源约为260万亿立方米,是常规天然气探明储量的两倍多。其中约 90%分布在12个主要产煤国,煤层气总资源量在107.8万亿~124.8万亿立方米。俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚等国煤层气资源量均超过10万亿立方米 。


下表为世界主要产煤国家煤层气资源量状况。澳大利亚的煤盆地主要分布在东部沿海地区,而主要城市和工业区也分布在东部沿海地区,因此煤层气的开发和利用具有巨大的潜在市场。澳大利亚估算煤层气资源量为10万亿~14万亿立方米,其潜在开发地区主要在东部4个二叠纪煤盆地:鲍恩盆地、悉尼盆地、加里里盆地和莫尔顿~苏拉特盆地。



澳大利亚具有丰富的煤炭和煤层气资源,黑煤在澳大利亚的煤炭资源中占有很大比重,其产量占世界总产量的7%左右。澳大利亚煤层气资源量为10万亿立方米~14万亿立方米。澳大利亚煤层气开发潜在地区主要分布在东部的悉尼、苏拉特和鲍温三个含煤盆地。


悉尼盆地含煤面积为49000km2,煤层气资源约为4万亿立方米。苏拉特盆地含煤面积14000km2,煤层气资源量1.28万亿立方米。鲍温盆地估算的煤层气 资源量为4万亿立方米,探明煤层气储量已超过283亿立方米,该区煤层水平应力高,渗透率低。


澳大利亚煤层气勘探工作始于1976年,1987~1988年已经用地面钻井方法成功采出了煤层气。2000~2001年,仅昆士兰的鲍恩盆地用于煤层气勘探的费用就 达4440万美元,占该盆地全部1.2亿美元勘探费用的37%。昆士兰天然气公司已经在靠近chinachill的argyle-l井取得煤层气生产成功,日产气量超过28320立方米。煤层气的勘探和生产已经成为昆士兰的石油和天然气工业的基本部分。


澳大利亚是最早开展煤矿区煤层气抽采和利用的国家之一。政府一直大力支持煤层气抽采技术的理论研究,并提供大量资金开展低浓度瓦斯的利用技术研发,同时设立和颁布科研项目计划,鼓励开展和实施抽放和利用项目。目前抽采的煤层气已用于燃料、发电和生产甲醇。阿平矿煤层气发电项目是澳大利亚最大规模的温室气体减排项目之一,装机容量为94×1MW,整套系统利用矿井通风瓦斯作为燃烧空气。该项目自1996年开始满负荷运行,每年减排CO2当量近300万吨。


二、煤层气地面开发井的设计 


在澳大利亚,煤层气地面开发井的设计采用了地质导向井的施工方法,而不是采用石油上施工羽状分支孔的施工方法。施工这种瓦斯抽放井时,首先在预抽工作面的合适位置施工一口垂直井,并将煤层孔段扩大到15~20m,然后下入筛管, 筛管和扩大了的井壁之间填人砾料。这种垂直井的井身结构如图1所示。垂直井施工结束后,沿工作面方向向这口垂直井打中曲率半径(曲率半径200m左右)的定向井,进入煤层后沿煤层钻进,快接近垂直井时在垂直井的煤层孔段放入电磁信号源,装在水平孔定向钻具前端的导向系统接收其信号,测量水平孔的钻孔轨迹,并测出水平孔的钻孔轨迹和垂直井扩大段的相对位置和距离,指导水平孔的定向钻进,确保水平孔在煤层扩大段和垂直井对接。由于采用先进的导向钻进系统和垂直井煤层段孔径扩大,所以相对而言,2口井较容易对接。



如果一次未能贯通,则把水平孔中的定向钻具提离孔底一定距离,在提离孔底的过程中,根据导向系统接收到的电磁信号,重新精确计算水平孔的钻孔轨迹各点和垂直井扩大段的相对位置和距离,然后再在适当位置造斜钻进定向分支孔,确保水平孔和垂直井贯通,其过程如图2所示。正常情况下,一口井8~10天完工。




一般情况下,同方向的3口水平井打到同一垂直井内,水平井口距垂直井的地面距离为1000~1500m。而3口水平井,既可从一个位置施工垂直孔段,在煤层孔段再施工3个水平定向分支孔,并和预先施工的1个垂直瓦斯抽放井贯通,也能在地面施工3个中曲率半径的定向井和预先施工的一个垂直瓦斯抽放井贯通。采用的方式和每个钻井公司的施工习惯以及每个地区的地层、煤层条件有关。同一工作面要打的瓦斯抽放井数根据需要确定。


如果遇到软煤地层塌孔无法钻进时,不会花太高的代价去采煤层气。澳大利亚钻井公司使用的地面定向钻进钻具和导向钻进系统是美国的产品和技术。采用上述技术,某公司已在澳大利亚打了350口煤层气开发井,且全部成功。


在澳大利亚,目前正在进行TRD (极小半径钻进)技术的工业性试验。这项技术的关键是利用高压水的能量来完成钻孔过程。施工这种钻孔时,首先施工一个直径不小于200 mm的垂直孔并穿过煤层,将煤层段的孔径扩大至2m,再用双壁钻杆将TRD钻具的引导柄下到扩孔位置,用液压油将引导柄打开,使引导柄完成90的变向,而带有高压管(耐压120MPa,由大型绞车驱动)的喷射头从双壁钻杆的中心下到孔底,通过引导柄,使钻孔由垂直方向转到水平方向,再通过高压水利用喷射头来完成碎岩成孔工作。这套装置的关键是利用高压水的巨大能量,向前喷水,用水力切割煤层或岩石;向后喷水则利用喷射反力推动喷射头而带动其后的高压胶管向前运动;向侧面喷水则使喷头产生偏斜力,从而改变钻孔轨迹的方向。经过喷射头的水及切削下来的岩煤粉,经双壁钻杆的外环间隙返回地面,水经沉淀后再重复利用。


一个钻孔结束后,用高压胶管将喷射头提到引导柄内,通过在地面转动双壁钻杆使引导柄方向发生变化,从而为同一煤层下一个钻孔的施工创造条件。装置的测量传感器装在喷头部位,用电池供电,用电磁波传输测量信号,整个设备的运行情况及数据采集工作全部由计算机监控。设备的工作水量为235L/min,工作水压为80~90MPa,孔径不小于100mm ,现最大孔深230m,正常钻进速度2m/min。目前在硬煤中取得了较好的使用效果,但在软煤中的钻进效果则不理想。 


三、煤矿井下瓦斯抽放钻孔的设计与施工 


澳大利亚煤矿井下瓦斯抽放一般采用本煤层钻孔的设计。在煤矿井下,一般设计有3种类型的煤层瓦斯抽放钻孔:一种是为巷道掘进服务的水平定向长钻孔,一种是为煤层回采服务的水平定向钻孔,还有一种是为煤层回采服务的普通钻孔。


为巷道掘进服务的水平定向长钻孔一般深度较大,在可能的情况下,尽量向深部钻进,有的孔深可能达到1000m,以便减少巷道掘进过程中的打孔次数。而为煤层回采服务的瓦斯抽放钻孔,无论是定向钻孔还是普通钻孔,一般沿工作面倾向布置,为了减少施工难度,提高工作效率,钻孔穿过本工作面和下一条巷道,进入下一个工作面十余米后终孔,深度在400m左右。这类钻孔中,水平定向钻孔使用孔底马达配DGS导向钻进系统施工,在一个钻孔中可以钻进几个甚至十几个定向分支孔,以满足瓦斯抽放的需要;而普通钻孔则采用钻机动力回转钻进方法成孔,钻孔深度也在400m左右,以满足瓦斯抽放需要的间距施工一组平行的直孔。


在澳大利亚,煤矿井下瓦斯抽放钻孔的施工一般采用近水平全液压履带式钻机。该钻机采用全液压动力头,油缸-链条给进,既能进行孔口回转钻进,也能满足孔底马达定向钻进的需要。


定向钻进所需的孔底马达一般从美国进口,DGS导向钻进 系统由澳大利亚自行研制生产。图3为 DGS导向钻进系统的整体连接示意。仪器外管及其两侧的无磁钻杆材料为铍铜合金,它可以保证在受到冲击时 不产生火花,满足煤矿井下的防爆要求。该仪器所测量的钻孔倾角、方位角、孔底马达的工具面向角、钻孔轨迹的上下和左右偏差均可实时显示在导向钻进系统的显示屏上。




四、煤层气及其抽放水的利用 


澳大利亚的煤层气开发,一般由专门的煤层气公司进行。正常情况下,他们取得某一煤矿的煤层气开采权后,便设计煤层气抽放井,然后由专业的钻井公司来施工。施工完成后,将地面煤层气井及有关煤矿抽出的瓦斯收集起来,建立供气管网,然后批发给分销商销售或用来发电。煤矿井下瓦斯抽放孔,一般沿煤层倾向设计,多数情况下,孔深为300~400m;而地面煤层气定向开发井,一般沿煤层走向设计,孔深为1000~1500m。


由于垂直井的费用较低,所以多数情况下,煤层气开发商设计垂直井,而在煤层段把孔扩大,在相应位置下入套管或筛管后在管外下入砾料,从而保持煤层气的正常抽放,然后下泵抽水采气,煤层气进入管道,而抽出的水则进入井旁的小水库。尽管澳大利亚四面环洋,但干旱少雨,所以水资源奇缺,一般情况下,都在煤层气井旁建一个小水库,抽放煤层气时抽出的地下水送入小水库,来满足生产、生活或灌溉的需要。


五、总结


澳大利亚具有丰富的煤层气资源,而且通过几十年的煤层气技术研究和实践,它的开发已经慢慢步入成熟阶段,是将来一项重要的战略资源。尤其,2016年以来,中国国土资源部的一些相关政策慢慢倾向于煤层气的开发,澳洲作为中国的重要矿业进口原料国,煤层气必将成为将来中国的一项重要开发资源,它的增长是注定的。


——煤炭科学技术

 

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