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m3，以可采系数50%折算，其可采资源量为15～175万亿m3，

相当于1319～1539亿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H2、O2、N2、He和Ar等气体，以及CH4、C2H4、C

2H2、nCnH2n+2、H2O、CO2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m3

/h。

PSA分离过程的优点为：

（1）产品纯度高，例如可获得纯度为99999%的纯氢；

（2）在室温和低压（005～300MPa）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

O2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

31PSA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-N2PSA-CO2/RPSA-C+2/RPSA-CH4

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）30～60001500～50000200～10000500～20000

净化气纯度（%V）N2≥99CO2＜02C+2＜100ppmC1：

50～95

操作温度常温常温常温常温

操作压力（MPa）0307~2003~080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2PSA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、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

O2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CO2气源及其含量

CO2气源CO2%

石油溶解气微量～90

天然气5～80

天然CO2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

用于ECBM的各种气源成本比较见表3。

表3表明，采用注N2技术提高煤层气

采收率的成本最低，其中PSA法制N2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m3/d。

因此，PSA-N2装置用于煤层气注N２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

N2、CO2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）

N2（PSA法）10

N2（深冷法）20

CO220～60

烟道气40～60

33PSA技术在煤层气净化中的应用

当煤层气中含CO2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CaCl2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CO2和水。

采用PSA－CH4、PSA－C

+2/R、PSA－CO2/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N2、CO2回注煤层，可降低ECBM的生产成本。

当煤层气中同时含有H2S、CO2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H2S、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1kgH2S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H2S含量在01～5g/m3范围的原料气，装置处理量以小于10万

m3/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。

34PSA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0098～3557%（V），四川中梁山、天府

、南桐等瘦焦煤矿区中C+3含量为0058～318%（V），湖南里王庙无烟煤矿

区的坦家冲井田6号煤层中C2～8的平均浓度为4814%（V）。

而在四川中坝

气田的须二天然气中C+3组份仅为27%（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C1+C2，是极不经济

的。

若采用PSA-C+3/R装置脱除煤层气中的C1+C2，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-CO2/T（或PSA-CH4）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+C2，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C1、C2（C1、C2脱除率按90%计），可使煤层气中C+3含量从1633

%上升到6685%，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-CO２/R（或PSA-C

H4）；

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-CO２/R（或PSA-CH4）；

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C1C2C3+C4C1+C5N2H2SCO2

煤层气74825101279354010003362

进口7768529132636701000

出口30682095235145003800

35PSA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（30～60MPa）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CH4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1SDA；2PSA-CO2/

R9或PSA-CH4）；3PSA-C+3/R；4压缩机

5ANG6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-CO2/R装置，除去H2S

、CO2和水份等杂质，净化气再经PSA-C+3/R装置分离得干气（C1+C2）

和富含C+3组份的解吸气。

干气经单级压缩机压缩至60MPa，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C1+C2，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-N2、PSA-CO2/R、PSA

-CH4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-N2、PSA-CO2/R、PSA-CH4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.No5）

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23Mft3（65万m3），FairviewNo4井每天气体

产量为28万m3；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m3，在1995年8月23日完成的PeatⅢ孔，孔

深985m，产气量每日365万m3，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m3。

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073～12

0m。

该煤田开采煤层的气体含量为4～23m3/t，煤田的煤层气资源量约为180～

920亿m3

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242km2，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m3。

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400km2，煤系地层为侏罗纪，含可采煤20层，平均煤厚15～3m，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25m3/t，煤层气资源量为850亿m3。

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01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05°，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。