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非傳統油氣資源：地下煤層中的天然氣–煤層氣

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林琨和｜臺灣中油公司探採事業部

蕭羽絜｜成功大學資源工程學系

什麼是煤層氣

煤層在地下形成的過程中，有機物質經過化學熱解作用後，存在於煤層中的天然生成氣體稱為煤層氣，主要成分是甲烷，以及少量的丙烷、丁烷、二氧化碳、氮氣等，其成分會因不同煤層而稍有差異。

煤層氣無色、無味且無毒，熱值高，燃燒時不會產生灰渣，因此汙染度很低，是優質的化工和能源燃料，還可用於發電。目前各國已積極開發煤層氣，未來它在能源結構中的比率會越來越高。

與一般天然氣不同

煤層氣從地下的煤層生產，一般天然氣則由地下的砂岩地層生產，兩者的氣體組成相似，都以甲烷為主，但生產層的地層特性相異，最大的差別是氣體的儲存方式。一般天然氣儲存在砂岩層的孔隙中，而煤層氣大部分儲存或附著在煤基的孔隙表面。煤層的煤基可以儲存的氣量比儲存天然氣的地層多，因為在煤基中有特別的儲存方式—吸附在煤基孔隙的表面上，使儲存量大大提升，且壓力越高，可吸附氣體的量越大。

一般天然氣地層（砂岩層）與煤層氣地層都有水的存在。在砂岩層中，會有氣－油－水三相或氣－水二相，在生產時，儘量避免產出沒有經濟價值的水。而煤層氣地層較不一樣，原始煤層氣地層中的裂縫通常含有100％的水，煤層中的水如同一道門，把煤層氣關在煤基孔隙中，也因為有這些水，煤層才能維持住高壓，使氣體吸附在煤基中。

反過來講，當想從地層中生產出煤層氣時，就必須先產水來打開這道門。在產水的同時也能使煤層壓力降低，煤基孔隙表面因壓力降低，使得吸附煤層氣的量減低，這些無法繼續吸附的煤層氣就會脫離煤基表面，脫離的過程稱為脫附。煤層的壓力降得越低，脫附的煤層氣越多，可生產的煤層氣就越多。

煤層的地質特性

一般天然氣層只有單一的孔隙結構，而煤層屬於雙孔隙地層。雙孔隙是指煤層中含有煤基孔隙與裂縫孔隙兩種不同的孔隙結構，在成煤過程中生成的孔隙稱為煤基系統，另外有自然形成的大小裂隙，稱為裂縫系統，這兩種系統的特徵也與生產息息相關。

煤基系統中的孔隙是由非常細的微孔組成，滲透率很低，流動性很差。這些微孔中有大量的煤塊表面，有大量的氣體吸附在微孔中或煤塊的表面上，僅有少量氣體存在於孔隙中。由於滲透率很低，這些被吸附的氣體脫附後，必須藉由擴散的方式在微孔系統中傳輸。換言之，若利用傳統油氣生產方法生產煤基內的天然氣，其產率非常小，無法達到經濟規模。

裂縫系統的孔隙系統以大孔存在於煤層縫隙中，這孔隙系統又稱為割理結構，可分為面割理及端割理。面割理的裂隙與地層層面幾乎平行，連續性較好。端割理的裂隙則與面割理的裂隙垂直，連續性較差。煤層氣在裂縫中流動快速，是煤層氣從地層流動至生產井的主要通道。

流動方式

煤層氣從地層流動至生產井有兩種不同的方式，分別是從煤基系統到裂縫系統的擴散，以及從裂縫系統至生產井的達西流動。由於煤層的煤基孔隙過小，因此比一般天然氣生產多了擴散的形式。

當壓力下降時，煤基孔隙表面可吸附的煤層氣量減少，使煤層氣從煤基孔隙表面脫附至煤基孔隙，因為煤基的孔隙過小，所以滲透能力很低，流動性也低。當吸附氣脫附後，無法如同一般天然氣生產一樣，以壓力差驅使的流動進行氣體傳輸，而是以濃度差驅使的擴散進行傳輸，一般用菲克第一定律（Fick's First Law）來描述煤層氣在煤基中的傳輸行為。

煤層氣從煤基系統擴散至裂縫系統後，由於煤層裂縫的孔隙較大，煤層氣在裂縫中有較好的流動能力，因此裂隙中的水和煤層氣以壓力差驅動的方式流動至生產井。一般用達西定律（Darcy's Law）來描述煤層氣在裂縫中的流動行為。

開採技術

在開採煤層的天然氣前，須先鑽井再裝設生產管線，使流體由地層流向井底後，再經由管線流向地表。由於煤層氣受到水的影響生產困難，為了加速生產煤層氣，通常鑽鑿很多口生產井。換言之，煤層的鑽井密度一般比傳統天然氣層高。

水的存在也讓煤層氣的生產過程較複雜，可分為4個階段：產水（排水）—藉著排水使煤層降壓；脫附—煤層壓力降低後，氣體從煤基表面脫附至煤基孔隙；擴散—氣體從煤基孔隙擴散至煤層裂縫；產氣—氣體從煤層裂縫流動至生產井。

在生產煤層氣時，除了增加鑽井密度外，還會利用水的壓力使生產井邊的地層產生人造裂縫，稱為液裂。液裂所產生的裂縫使煤層中的天然氣及水流向生產井的通道增加，因而增加煤層氣的產量。

另外一個增進採收的方法是把二氧化碳注入煤層中，利用煤對二氧化碳的吸附能力優於煤層氣的原理，讓二氧化碳搶走煤層氣在煤基孔隙表面上的吸附位置。換言之，二氧化碳吸附在煤基孔隙表面上，使煤層氣脫附，達到增加煤層氣產量的目的。此外，在增加煤層氣產量的同時，能把二氧化碳封存在地底的煤層中，減少大氣中溫室氣體的含量。這方法除了增加煤層採收的價值外，也有助於地球暖化的減緩。

煤層氣的分布

存在於地底的石油與天然氣的總量稱為資源量，考慮現今的開採技術與經濟價值，能生產出來的石油與天然氣稱為蘊藏量。有時候，資源量雖多，但由於開採技術不足而無法全部生產出來，導致蘊藏量不高。

現今非傳統油氣資源的資源量，煤層氣僅次於頁岩氣，約84～262兆立方公尺，但這只是推測值，不確定性很大。由於煤層氣地層只要降壓就有煤層氣生產，比其他非傳統油氣資源容易開採。加上開採得到的煤層氣的甲烷成分高，熱值也高，是一種高效率且環保的能源，因此近幾年逐漸成為許多國家的重要能源。

全世界煤層氣主要分布在美洲、亞洲及澳洲，其中，美國、俄羅斯、中國、澳洲及印度都已有商業開採。目前，歐洲的煤層氣較少，且都是在淺層的煤層氣，深層煤層氣還待探勘。南美洲及非洲煤層氣的礦區最少，目前還在研究能否商業開採的階段。

煤層氣的開發始於美國，後來才有澳洲、中國等開始發展，現在世界上約有70個國家有煤層氣的礦區，其中有20個左右的國家已在積極開發。但因為煤層氣的吸附特性，無法把壓力降至近乎常壓而達到完全採收。近年來的研究指出，煤層氣的採收率僅有20～60％，未來設法增進採收率勢在必行。

資料來源

《科學發展》2013年10月，490期，16 ~ 20頁

天然氣(42) 甲烷(40) 達西定律(1) 科發月刊(5221)

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