煤层气变压吸附技术的应用及研究.docx
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煤层气变压吸附技术的应用及研究
煤层气变压吸附技术
变压吸附技术在煤层气开发中的应用探讨
唐晓东〔1〕孟英峰
摘要本文简单介绍了变压吸附(PSA)技术的原理、特点、用途和国内外开发
现状。
针
对我国煤层气开发的特殊性,提出了将PSA技术用于煤层气水平钻井,提高压力
封闭低渗透煤层中煤层气采收率,以及煤层气净化、轻烃回收和贮运的技术思路
。
进一步分析表明,在煤层气开发中应用PSA技术具有技术先进和经济优势。
最
后得出了PSA技术在我国煤层气开发中推广应用的几点建议
〔1〕西南石油学院化工系,讲师,637001四川省南充市1引言
我国有着极为丰富的煤层气资源,据估算,埋深2000m以浅的煤层气资源量
达30~35万亿m3,以可采系数50%折算,其可采资源量为15~175万亿m3,
相当于1319~1539亿t原油,按现有原油开采速度,可供我国开采100年以上
。
因此,我国煤层气开发前景巨大。
目前,制约我国煤层气开发的主要问题是技
术问题,例如煤层渗透率低、单井产量低和不能形成工业生产规模等,这使得我
国不能照搬美国开发煤层气的成功经验,必须研究适合我国煤层气工业发展的技
术。
本文正是针对我国煤层气开发的特殊性,提出将PSA技术用于煤层气水平钻
井,提高煤层气采收率,煤层气净化、轻烃回收和贮运,以促进我国煤层气工业
的技术进步。
2PSA技术简介
PSA技术是60年代发展起来的一种气体分离技术,它是以固定床吸附,在连
续改变体系平衡的热力学参数(压力)下,使吸附和解吸再生循环进行,既具有固
定床吸附的优点,又是一种循环过程。
它广泛用于石油、天然气、化工的气体分
离工业,例如H2、O2、N2、He和Ar等气体,以及CH4、C2H4、C
2H2、nCnH2n+2、H2O、CO2和CO等组分的分离、回收和精制。
到1986年国内外已有500余套大型PSA装置在运转,最大处理能力已达到10万m3
/h。
PSA分离过程的优点为:
(1)产品纯度高,例如可获得纯度为99999%的纯氢;
(2)在室温和低压(005~300MPa)下操作,不需外加热源,设备简单;
(3)可单级操作,原料气中的几种组分可在单组中脱除,原料气中的水分和C
O2等不需要预处理;
(4)吸附剂寿命长,对原料气质量要求不高,装置操作容易,操作弹性大;
(5)自动化程度高,操作费用低,节能降耗显著。
我国PSA技术的研究始于70年代初,由西南化工研究院率先开发PSA技术,至
今已在内外开发350余套PSA装置,涉及九个方面的应用。
表1列出了该院开发的
可用于煤层气开发的部分PSA技术。
3PSA技术在煤层气开发中的应用
31PSA技术在煤层气钻井中的应用
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-N2PSA-CO2/RPSA-C+2/RPSA-CH4
原料气空气各种含CO2混合气天然气煤矿瓦斯
处理量(m3/h)30~60001500~50000200~10000500~20000
净化气纯度(%V)N2≥99CO2<02C+2<100ppmC1:
50~95
操作温度常温常温常温常温
操作压力(MPa)0307~2003~0804~08
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-N2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-N2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
~144%、37~85%,油耗下降56~126%、36~78%。
32PSA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N2、CO2和烟道气注入煤层,降低甲烷在煤孔隙中的分压
,有利于CH4从煤基质中解吸;对煤具有比CH4更大亲合力的注入气体(如CO
2),会导致CH4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N2试验,已获得100%的CH4采收率;
在圣胡安盆地西北部采用5点井网进行的注N2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N2、CO2或烟道气。
N2可从空
气中获取,可作为CO2资源的气源较多(见表2),但部分CO2气源需经浓缩和
净化才能用于ECBM。
回收CO2的常用方法是溶剂吸收法,如Catacarb法、Benfi
eld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C
O2的气源中回收CO2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42%、47%、72%、2%、47%和401%。
表2各种CO2气源及其含量
CO2气源CO2%
石油溶解气微量~90
天然气5~80
天然CO2气井80~995
烟道气10~16
合成氨工业98~99
石油化工过程98~99
用于ECBM的各种气源成本比较见表3。
表3表明,采用注N2技术提高煤层气
采收率的成本最低,其中PSA法制N2的成本仅为深冷法的一半,其经济生产能
力国外已达到120万m3/d。
因此,PSA-N2装置用于煤层气注N2开发是完全
可行的。
但是,采用ECBM法,虽然提高煤层气采收率,但也增加了采出煤层气中
N2、CO2的含量,因此必须脱除才能满足管输和用户要求。
表3用于ECBM的各种气源成本比较
气源成本(相对值)
N2(PSA法)10
N2(深冷法)20
CO220~60
烟道气40~60
33PSA技术在煤层气净化中的应用
当煤层气中含CO2和水时,一般采用溶剂吸收法脱碳和脱水,以及固体吸
附法(变温吸附TSA)脱水。
溶剂法脱碳见前述。
目前可用于煤层气脱水的主要方
法有:
TEG法、DEG法、分子筛法(TSA)和CaCl2水溶液法,它们不同程度存在投
资和操作费用高、间歇操作和有废液排放等问题,采用PSA法脱水可消除这些不
足。
事实上,PSA法可同时脱除煤层气中的CO2和水。
采用PSA-CH4、PSA-C
+2/R、PSA-CO2/R装置净化煤层气,优于深冷法脱氮和溶剂吸收法脱碳。
脱除的N2、CO2回注煤层,可降低ECBM的生产成本。
当煤层气中同时含有H2S、CO2和水时,可在PSA法脱碳操作装置前增加
一套脱硫装置,考虑到我国煤层渗透率低和单井产量低,以采用固体脱硫剂(SDA
)装置为好。
这种脱硫剂可选择性地脱除H2S、RSH,工艺设备简单,不需公用
设施,一次性使用,硫容量可达12%左右,脱除1kgH2S需耗费用50元;脱硫后
的废脱硫剂不需任何处理,可直接弃于旷野、农田,对环境无害,可促进植物生
长;它适用于H2S含量在01~5g/m3范围的原料气,装置处理量以小于10万
m3/d为宜,对低含硫天然气脱硫是一种有效的方法。
最近,四川泸州天然气研
究所已研制出了CT8-4、CT8-4A、CT8-4B三种常温氧化铁脱硫剂,它们在活性
、硫容量和脱硫剂费用方面明显优于Sulfatreat脱硫剂。
因此,采用SDA法和PSA
法净化煤层气完全可行。
34PSA技术在回收煤层气轻烃中的应用
在我国相当多的煤层中,含有丰富的C+3资源。
例如(于良臣等,1981年
),北票矿区的焦肥煤中C+3含量为0098~3557%(V),四川中梁山、天府
、南桐等瘦焦煤矿区中C+3含量为0058~318%(V),湖南里王庙无烟煤矿
区的坦家冲井田6号煤层中C2~8的平均浓度为4814%(V)。
而在四川中坝
气田的须二天然气中C+3组份仅为27%(V)对其进行轻烃回收还具有相当好
的经济效益。
所以,从煤层气中回收轻烃具有较高的经济价值。
目前,透平膨胀致冷回收轻烃是天然气深加工的主要方法,将其直接用于回
收煤层气中的C+3组份,须脱除煤层气中70~95%的C1+C2,是极不经济
的。
若采用PSA-C+3/R装置脱除煤层气中的C1+C2,不仅能降低投资和操
作费用,而且可大幅度提高装置的生产能力。
PSA法用于回收煤层气中的轻烃有两种工艺路线,原理流程如图1和图2所示
。
在图1中煤层气依次进入SDA和PSA-CO2/T(或PSA-CH4)装置脱硫、脱碳和脱
水(采用ECBM开采煤层气时,还包括脱氮),然后进入PSA-C+2/R装置除去C
1+C2,最后采用传统轻烃回收工艺回收液化石油气(LPG)和轻油,从而提高了
装置的处理量。
例如,某煤层气(组成见表4)经净化后进入PSA-C+2/R装置除
去C1、C2(C1、C2脱除率按90%计),可使煤层气中C+3含量从1633
%上升到6685%,将装置处理量提高3倍多。
图2所示的原理流程与图1的不同之
处是用压缩机和分离器替代传统轻烃回收装置,简化了工艺流程,降低了设备投
资。
图1PSA系统+传统转烃回收工艺的原理流程1:
SDA;2:
PSA-CO2/R(或PSA-C
H4);
3:
PSA-C+2/R:
4:
传统轻烃回收工艺。
图2PSA法用于轻烃回收的原理
流程1:
SDA;2:
PSA-CO2/R(或PSA-CH4);
3:
PSA-C+2/R:
4:
压缩机;5:
一级分离器;6:
二级分离器表4PSA-C
+2/R装置进、出口气的组成(%)
组份C1C2C3+C4C1+C5N2H2SCO2
煤层气74825101279354010003362
进口7768529132636701000
出口30682095235145003800
35PSA技术在煤层气贮运中的应用
大规模的煤层气开发可采用管线输送煤层气,但对于单井产量低、气井远离
输气系统和就地无用户的小规模煤层气开发,则不宜采用常规天然气管输和液化
作为贮运手段。
近年来,继压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)作为汽车燃料之后,一种新
的天然气贮存方式——吸附天然气(ANG)用于开汽车已逐渐受到人们的重视。
ANG
技术系在贮罐中装入高比表面的天然气专用吸附剂,利用其巨大的内表面积和丰
富的微孔结构(孔径<30),在常温、低压(30~60MPa)下将天然气吸附贮
存的技术。
ANG与LNG比较,具有投资低、无蒸发损失等优点;与CNG比较,其投
资和操作费用降低50%,贮罐形状和用材选择余地大,质量轻,压力低,使用方
便,安全可靠。
ANG技术在国内已由石油大学开发成功。
因此,小规模的煤层气
开发,可采用ANG作为煤层气的贮运手段。
但是,ANG用于贮运煤层气时,C+3组份的存在会抑制吸附剂对CH4的
吸附能力,应在充装前除去。
采用PSA-C+2/R装置净化煤层气,可以保证煤
层气纯度满足ANG的要求。
若将比净化过程与轻烃回收工艺结合,不仅能同时降
低ANG原料气净化费用和轻烃回收的操作费用,还可提高传统轻烃回收装置的处
理能力,原理流程如图3所示的的流
图3PSA法用于ANG原料气净化和轻烃回收的原理流程1SDA;2PSA-CO2/
R9或PSA-CH4);3PSA-C+3/R;4压缩机
5ANG6传统轻烃回收装置;7一级分离器;8二级分离器。
程一和流程二。
流程一表明,煤层气依次经SDA、PSA-CO2/R装置,除去H2S
、CO2和水份等杂质,净化气再经PSA-C+3/R装置分离得干气(C1+C2)
和富含C+3组份的解吸气。
干气经单级压缩机压缩至60MPa,充入内装吸附
剂的钢瓶贮存,即制得ANG,由汽车运输ANG钢瓶至用户,可直接用于开汽车或家
用。
富含C+3组份的解吸气经传统轻烃回收装置分离处理,可得到LPG和轻油
;LPG可作为家用燃料和汽车燃料,轻油可作为汽油的调合组份或生产30号、60
号和120号溶剂油。
流程二不同于流程一之处是:
从PSA-C+2/R出来的富含C
+3组份的解吸气经压缩机加压后,再经一级分离器脱除残余C1+C2,最
后经二级分离器获得LPG和轻油。
4结束语
我国煤层气工业的进展,取决于适合我国煤层气开发特点的技术进步。
本文
正是针对我国煤层气开发的特殊性,提出了将PSA技术用于煤层气水平井钻井,
与ECBM结合提高压力封闭低渗透煤层中煤层气的采收率,以及用于煤层气净化
轻烃回收和贮运的观点。
进一步分析表明,PSA这一成熟的化工分离技术与石油
、天然气开发技术相结合,在煤层气开发中具有广阔的应用前景。
它具有技术先
进和经济优势,但要投入实际运用,笔者认为还应做三个方面的工作。
首先,对
国内现有的PSA技术在煤层气开发中的应用应做深入的技术和经济论证。
其次,
煤炭、油气和化工行业应加强合作,对技术成熟的PSA-N2、PSA-CO2/R、PSA
-CH4和PSA-C+2/R等技术用于煤层气开发,进行整体技术的配套研究。
最
后,应开发不同规模处理量的PSA-N2、PSA-CO2/R、PSA-CH4和PSA-C+
2/R等装置,以满足煤层气开发的需要。
▲
地矿部华北石油地质局
对外合作勘探开发煤层气项目简表
合作区合作
期限预计
勘探费用投资方式
联合国计划开发署(UNDP)山西柳林3年130万美元对华援助
澳大利亚路伟尔公司山西柳林30年380万美元中外合资
美国安然公司山西永和30年750万美元中外合资
美国阿莫科公司山西大宁30年1000万美元中外合资
(摘自华北油气勘查开发总公司规划设计研究院“煤层气特刊”1995.No5)
一些国家煤层气开发动态
1澳大利亚
澳大利亚是目前世界上开发和利用煤层气最活跃和成功的国家之一。
现煤层
气勘探和开发活动仅位于昆士兰州和新南威尔士州。
目前在新南威尔士州进行煤
层气勘探的公司,主要有Amoco澳大利亚石油公司、太平洋电力公司(PacificPo
wer)、澳大利亚煤层气集团有限公司(AustralianCoalbedMethanePtyLtd)和
澳大利亚BHP集团有限公司。
在昆士兰州进行煤层气勘探与开发的公司有Conoco澳大利亚集团有限公司,
1995年7月和8月钻进了三口试井;安然(Enron)澳大利亚集团有限公司,主要在
加里里盆地进行煤层气开发,1995年7月钻进了两口井进行生产试验;三星公司(
Tristar)1994年8月以来钻进了15口井在鲍恩盆地中,其中13口井是洞穴完井,F
airviewNo6井每天气产量23Mft3(65万m3),FairviewNo4井每天气体
产量为28万m3;CRA勘探集团公司(CRAExplorationPtyLtd),1995年3月
完成了一口钻井,气体日产量达7万m3,在1995年8月23日完成的PeatⅢ孔,孔
深985m,产气量每日365万m3,BHP集团有限公司在鲍恩盆地的蒙雷矿(Moura
)煤层气利用技术上试验投资约2800万澳元,并建立了一条21km长,直径为20
3cm煤层气管道,于1995年底开始煤层气生产,该矿日产量达43万~45万m3。
2捷克
捷克的俄斯特拉发·卡尔维纳煤田[OstravaKarvina(OKR)],面积1600km
2,是波兰上西里西亚煤田在捷克的延伸部分,煤炭储量约120亿t,煤牌号为
高挥发烟煤~无烟煤,晚石炭世的煤系地层,含煤255层,平均煤厚073~12
0m。
该煤田开采煤层的气体含量为4~23m3/t,煤田的煤层气资源量约为180~
920亿m3
捷克的DPB公司于1990提开始进行煤层气的开发活动,现已在煤田中未开采
区获得政府同意十个区块煤层气勘探和开发许可权,面积约242km2,煤炭储量
约41亿t。
1993年DPB公司在该区进行煤层气生产试验阶段,准备打4~5口生产试
验井,1993年底完成了第一口试验井;1994~1995年钻进了二口试验井VA-1号井
已钻完,TR-2号井于1995年5月2日才开始钻进,预计整个试验阶段于1996年底结
束。
预计煤层气的生产阶段还需钻一些钻井,估计总的生产阶段投资费用约2亿
美元,整个生产阶段准备工作至少5~6年。
3法国
法国的一些硬煤煤田具有良好的煤层气开发条件,其中洛林煤田是法国最大
硬煤田之,它是德国的萨尔煤田的西延部分,煤田地质储量约40亿t。
洛林煤田
煤层气资源量较大,为1600亿m3。
目前在洛林煤田中已有三块租借地获得煤层
气开发许可权。
但目前法国生产的煤层气是从废弃矿井抽取的。
同时对一些小型
煤田正进行煤层气的评价和开发准备工作。
法国煤层气开发进展较快,预计将来
开发生产出的煤层气可直接并入气体供应网。
4匈牙利
位于匈牙利南部的梅塞克煤田(Mecsek)是匈牙利唯一含气量高的煤田,面积
约400km2,煤系地层为侏罗纪,含可采煤20层,平均煤厚15~3m,煤种从长
焰煤~贫煤,煤炭地质储量约38亿t。
梅塞克煤田煤层的甲烷含量大于25m3/t,煤层气资源量为850亿m3。
匈
牙利政府对梅塞克煤田开发煤层气资源已颁发了特许权。
现该地区不论城市和乡
镇均无天然气供应,如建立起管道系统,将会是个良好的市场。
AMT集团公司新成立两个定向钻进分公司AMT集团公司于1995年春季新成立了两个
分公司,其中一个位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的AMT国际钻探公司(AMTDI),另
一个位于澳大利亚新南威尔士州伍伦贡的AMT澳亚钻探公司(AMTDA)。
这两个分公
司可向全球的采矿业和建筑业提供最先进的定向钻进技术,钻孔深度可达1500m
。
目前AMT集团公司采用了世界最先进的随钻测量(MWD)钻进系统,该系统称为PR
OFILR,具有数字测量和孔内监视器装备,这是AMT集团公司的专利产品。
它可以
提供钻孔精确的方位角、地层倾角和地层厚度等,其精确度可达01度。
同时,
AMT集团公司也正在开发新的钻机导向系统(DGS)和研制高转速、高扭拒的孔内马
达以及几种高效新型钻头。
AMT国际钻探公司目前正为美国钢铁采矿公司(USM)的Pinnale煤矿打瓦斯抽
放孔,已完成的3个钻孔孔深分别为1280m、1157m和1146m。
钻孔定向钻进误差3
个孔均小于05°,钻孔的平均钻进效率是每班61m。
AMT澳亚钻探公司现在正为新南威尔士州的Northcliff煤矿和Appin煤矿以
及昆土兰州的Moura煤矿进行瓦斯抽放钻孔的施工,在Moura煤矿打了3个较深的
定向孔,平均孔深1219m,平均每班进尺100m。
AMT集团公司正准备不断开发新的
钻进设备和技术,使更加提高定向钻进的精确度。