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非傳統油氣資源:地下煤層中的天然氣–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。
 
 
 
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。
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