变压吸附技术在煤层气中的应用

李杰春

针对我国煤层气储层属于低渗透、压力封闭型。亦有人提出在大规模开发煤层气时采用水平井技术。水平井的主要优点是垂直于煤体的最大渗透方向，可增加煤层气的产量。但是，在钻水平井时必须考虑钻井液对煤层的污染问题，否则将得不偿失，在油气行业已经出现过钻井液严重污染油气层而导
表1  可用于煤层气开发的PSA技术
装    置    PSA-N?   2 PSA-CO?  2/R PSA-C+2/R PSA-CH4
原 料 气空    气    各种含CO ? 2混合气 天然气 煤矿瓦斯
处理量(m?3/h) 30～6000  1500～50000  200～10000  500～20000
净化气纯度(%V) N?2≥99 CO?2＜0?2 C?+?2＜100ppm C?1：50～95
操作温度 常    温 常    温 常    温 常    温
操作压力(MPa) 0?3 0?7~2?0 0?3~0?8 0?4~0?8
    在煤层气开发中的应用:煤层气钻井，提高煤层气采收率 提高煤层气采收率，煤层气净化 煤层气净化，轻烃回收 煤层气净化。致油气井报废的教训。因此，为防止煤层污染，可采用空气钻井技术。
     空气钻井是用空气作循环介质的一种低压钻井技术，与钻井液钻井比较，它具有成本低，机械钻速提高3～4倍，钻头寿命长，能有效开发低压低渗透储集层和很好地保护储层等优点。但空气钻井存在着难以克服的危险性，钻遇煤层时可能发生井底着火。煤层气和压缩空气的混合物引起井底着火能熔化钻头、钻铤、钻杆和其它井底工具，造成事故。因此，为防止空气钻井的危害，可采用空气雾化钻井和天然气钻井。空气雾化钻井减少了井底着火的可能性，但又增加了发泡剂、防腐剂和水等的费用，缩短了钻头寿命，降低了钻进速度。用天然气钻煤层气井可避免井底着火，但不经济，且存在气源和安全问题。
      目前，美国、加拿大已将一种空心纤维聚合物薄膜装在专为油田设计的橇装氮气生产设备(NPU)上，生产的氮气用于水平钻井、垂直井和负压钻井，比用空气雾化钻井和天然气钻井的成本低得多，完全克服了钻井液钻井、空气雾化钻井和天然气钻井的缺点。当采用移动式PS－N?2装置制氮用于煤层气水平井钻井时，其成本仅为天然气的1/8和空气深冷法制氮的1/2。
    此外，PSA－N?2装置用于煤层气水平井钻井时，还副产了含氧量≥40%的富氧空气，将其供给钻井用柴油机，可使柴油在气缸内进行富氧燃烧，以提高柴油机功率、降低油耗和CO、HC与碳烟等有害物质的排放，从而改善钻井所用柴油机的性能，提高机械钻速，降低钻井成本。例如，四冲程非增压柴油机和四冲程涡轮增压柴油机使用35%的富氧空气，二者指示功率增加51%，机械效益分别提高6～14?4%、3?7～8?5%，油耗下降5?6～12?6%、3?6～7?8%。
3?2  PSA技术在提高煤层气采收率中的应用
      我国的煤层气储层属于压力封闭型，煤层渗透率低，这使得煤层气在煤孔隙中解吸和流动的 阻力远大于水力封闭型的煤层气储层。为了提高我国煤层气的采收率，可采用注入增产法(ECBM)，这是Amoco公司开发的一项提高煤层气采收率新技术。ECBM将N?2、CO?2和烟道气注入煤层，降低甲烷在煤孔隙中的分压，有利于CH?4从煤基质中解吸；对煤具有比CH?4更大亲合力的注入气体(如CO
?2)，会导致CH?4的置换解吸作用(即竞争吸附作用)；注入气体还增加了煤层气向气井流动的推动力(压力能)，有利于压力封闭型煤层气克服在低渗透煤层中的流动阻力。Amoco公司在室内进行的注N?2试验，已获得100%的CH?4采收率；在圣胡安盆地西北部采用5点井网进行的注N?2试验，亦可使煤层气产量提高3倍。这表明ECBM提高了产层能量，加速了煤层气的解吸和运移，从而提高了煤层气采收率。
      使用ECBM开采煤层气，必须拥有充足的N?2、CO?2或烟道气。N?2可从空气中获取，可作为CO?2资源的气源较多(见表2)，但部分CO?2气源需经浓缩和净化才能用于ECBM。回收CO?2的常用方法是溶剂吸收法，如Catacarb法、Benfield法、G－V法、MEA法、ADIP法、Fluor法等，它们存在的问题是：工艺流程长，设备复杂，能耗高和许多吸收溶剂对设备有腐蚀。当采用PSA技术从各种富含CO2的气源中回收CO?2时，其节能降耗显著，可完全克服溶剂法的缺点。例如，PSA法替代Benfield法、MEA法、低温甲醇法、常温甲醇法、Fluor法和Selexol法脱碳，其综合能耗仅各为原来的4.2%、4.7%、7.2%、2%、47%和40.1%。
表2  各种CO2气源及其含量
CO2气源 CO?2%
石油溶解气 微量～90
天然气 5～80
天然CO2气井 80～99.5
烟道气 10～16
合成氨工业 98～99
石油化工过程 98～99

                               
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孙晋涛

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