在世界各地都已发现这种清洁能源产品的一些主要的矿源。CBM消费者所体验的一些应战是要在煤矿井口停止精确的气体流量丈量的同时，在丈量系统的两端要坚持一个低的差压值，应战还包括在流量计的丈量管段中的湿气体问题，对它也请求妥善处置。近年来，在世界范围内经过增加煤层甲烷的开采而使传统的能源供应得以增加。在世界各地的薄煤层中都很容易采集到这种煤层甲烷。本文将引见本文作者的一些实验数据和经历。特别是关于运用差压式流量计的经历，在这种差压式流量计中运用双V锥体作为发作差压的一次传感器。

煤层甲烷（CBM）；“这种东西到底是什么？”

自然气的主要成分就是一种被称为甲烷（CH4）的物质。煤层甲烷（CBM）就是存在于薄煤层中的甲烷。

CBM的产生是十分不同的，因而固然销售和运用它就好像传统的自然气一样，CBM却是以一种非传统的方式产生的。发作CBM是基于以下两个不同的过程：或者是一个由于微生物（细菌）的作用而引发的生物过程；或者是一个由于随着煤层深度增加热量增加而引发的热过程。

通常是以下状况：薄煤层被水所渗透。借助于水的压力，甲烷被容纳和保管在煤之中。目前，从煤和煤层所取得的自然气约占世界自然气总产量的7%。

   在美国，CBM都在什么中央？

依据阿拉巴马州CBM协会的材料，在美国，纬度低于48度的土地中，有13%的土地的下面都有煤。其中的一些煤矿都含有甲烷，其存在的方式或者是以如我们所知的传统的自然气的方式，或者是以CBM的方式存在。

依据美国地质调查，落基山脉区域具有宽广的煤矿层，该煤矿层估量具有30至58万亿（即30×1012到58×1012）立方英尺（TCF）的可回收的煤层甲烷（CBM）。在令人惊叹的同时应该指出：以上的贮量仅为落基山脉区域自然气总贮量184万亿立方英尺（TCF）的1／3。（Decker 2001）。

在落基山脉区域内，未开采的CBM矿源在怀俄明州和蒙大拿州的Powder河流域有，在怀俄明州、科罗拉多州和犹他州的大绿河流域也存在。

科罗拉多州和犹他州的“Uinta－Piceance”河流域、科罗拉多州和新墨西哥州的San Juan河流域正在成为被关注的区域。

在蒙大拿和怀俄明州的Powder河流域的下面估量可能有24TCF（万亿立方英尺）的可回收CBM的矿源。（Decker 2001）。

初步预算：在将来的8年到10年中，在落基山脉区域内就将要钻3万个煤矿的CBM气井。

这是一个关于该能源消费地的具有严重意义的数目，它将在将来的几十年中辅助美国经济。为满足该地域税收微风险管理的需求，首先就请求有精确的丈量。美国主要CBM储藏在Powder河流域甲烷气的预算总量在变化并且经常被重新预算。

为预算从薄煤层中可回收的CBM气体的总量有几种算法，一切这些算法都有变化的精确度。

依据2001年美国地质调查的结果，在Powder河流域可回收的CBM气体的总量是在8.24 TCF到22.42 TCF之间。（注：TCF－万亿立方英尺）。

仅在怀俄明州的Powder河流域，由怀俄明油气维护委员会预算的可回收的CBM气的总量就有31.8 TCF。

蒙大拿州矿业与地质局和美国能源部曾分别对蒙大拿州Powder河流域中的可回收的CBM气体作过预算，预算结果为0.8至1.0 TCF。

关于在蒙大拿州的Powder河流域中开发煤层甲烷气的环境影响阐明书中报告有2.5 TCF的可回收气体。

在方程式中一个主要术语是钻井和完成气井中“可回收”的投资，但它们并不一定意味着就真有如此宏大的利润与报答。

但是，如在各个气井之间坚持正确的距离，并且在管道敷设中采用正确的设计理念（例如，逐渐增大管径），这样就会使各个气井都能更短地被衔接到消费管线。如能做到以上各点似乎就有更好的时机产生某些可回收的利润与报答。

  我们有几？

为预算从薄煤层可回收的甲烷气量，通常采用以下两种盛行的算法：

为预算甲烷的储量，有一种办法是对薄煤层停止钻孔，然后从煤层中取出芯子。应用从这个煤芯子中回收到的甲烷气量来预算每单位体积煤中所含的气量。假如有许多煤芯子被钻探出来，而且观测到有甲烷气被释放出来，人们就能预算在该地域能够回收的气体总量。此法的局限性有：（a）在丈量气体释放物之前，可能会有对煤芯子的干扰；（b）此法价钱高；（c）并不是一切有CBM开发潜力的地域都已钻探过。

第二种办法是基于该地域的煤的已知材料和CBM开发的可行性剖析材料，经过一系列计算而停止预算的办法。

例如，蒙大拿州矿产与地质局就是应用了以下的材料来预算Powder河流域中可回收CBM气的总量：

1．薄煤层将具有有利的储量，假如每吨煤产生50～70立方英尺气。

2．假如薄煤层有20英尺厚或更厚些，每吨煤可产生50立方英尺气，则将CBM抽出是经济的。

3．煤层甲烷仅存在于下述地域：在该地域薄煤层中的水的主要化学成分是碳酸氢钠，而且该薄煤层是被水吞没得足够深，从而可坚持有足够的水压力，以便坚持气体在煤中而不会释放出来。这种气井会有丈量问题，本文在后面将讨论这些问题。

关于在Powder河流域内开发CBM项目的环境影响阐明书是依据在该区域内所报告的煤的总吨位乘以每吨煤50立方英尺甲烷来预算CBM的总量。在停止上述预算时，不论薄煤层的厚度及其深度或它能否接近矿脉的露头。

甲烷是如何被抽出的？

由于CBM是由于薄煤层中的公开水而挪动，抽出CBM的工作包括有将煤层中的水泵出的操作，这样能够降低水压，从而使甲烷气得以从煤层中逸出。

CBM在水中的溶解度很低，当水的压力减小时，它就会很容易地别离出来，允许经过管道从井中抽出而与水别离。水会从薄煤层流向井中所钻的孔这样就促使气体流向井中。

消费者试图不从薄煤层抽出水，而是以一种非控制的方式设法降低煤层中水的压力，特别是就在煤层的顶部设法降低水的压力。

但是有时水位会降到煤层之中，此时的办法是在取得最大产气量与因井被抽水到某种水平而使消费量降落这两者之间寻觅均衡点。

水是经过裂痕而流入薄煤层的，假如是一个完好构成的裂痕体系并且有足够的水供水泵泵出，同时产生一个经济性明显而又可行的供水体系，此时，这个薄煤层能够是一个蓄（含）水层。在Powder河流域薄煤层是地域连续的地质结构，它具有蓄水层的特性，此特性同等于以至优于砂石岩的蓄水特性。因而，常是打水井的目的地。在怀俄明的一些中央，水是纯洁的，能够饮用。在含有大量杂质的其他地域，这可能会形成环境问题。

典型的CBM气井的采气法。

运用车载的钻探安装（采用的是一套便携式水力钻探设备）钻了一口简单的井，如图2所示。采用这种车载安装有助于较快地完成一个工作周期并且以低本钱，便当地转移该套设备。

用于一口全功用的消费气井的本钱约为8万5千美圆，而每口井钻探的完成本钱约为3万5千美圆。这种消费CBM气的气井深度能够在400英尺到1000英尺之间。

在空中上装有一套井口多支管安装，它带有两套管道返回系统，详细包括：

（a）     抽水管线，在其顶端有计量仪表，在其底部有变速式潜水泵；

（b）    抽气管线，该管线或者带有井口就地计量的单个流量计，或者接至一个侧向（横向）管道，经过它衔接到一个由多个流量计组成的计量系统（豆荚式计量系统）和豆荚式计量系统室。

只需发明一个作用于井下水柱的分压降就能形成CBM气体的正常消费条件。经过从井筒中用泵抽水，气体就会被释放出来而进入井的空穴中，然后该气体就会经过气体管路进入流量计量系统或进入单个的井口流量计。被抽出的水会自然地流回井筒，即经过当地地层中的含水层而流回到井中。随着小型可编程控制器（PLC）的进步，已能使此办法胜利地具有液位监测与控制功用。为了具有此功用，采用了底部带孔的变速驱动的水泵以及液位传感技术。

 丈量的根本原理

目前运用两种计量办法并且已在本地取得认可。一种是单井丈量法，它带有小的仪表外壳（防冻箱），另一种是多股气流的计量系统，它具有较大的豆荚式计量系统室，和多个计量管道。

为什么在井口停止丈量？

在坚持平安、使系统风险最小化和使因走漏所形成的损失最小化方面，分配计量或如某些人称为的反向配置（back allocation）会是很有效益的。具有独立见解的人有时会对装在井口的流量计的理由提出质疑？特别是在下游就有用于销售的流量计来丈量流入管线的流体时，更会问其缘由。更应特别指出的是：当独立的法人本人具有这一切的井时，为何还要在各个井口装流量计？在美国各处都是由担任收取烃税收的管理员来答复这个问题。事实上他是将各种法规强加于消费者头上以维护其税源。这样的管理员可能是但不只限于是如下机构的一员：如BLM、MMS，得克萨斯铁路委员会。（BLM：美土地管理局）。

气体丈量的根本原理

采用口径为2英寸（50mm）和3英寸（80mm）的流量计，V锥或孔板（由多个孔板组成的豆荚式计量系统）

被测的体积流量：250至1000 MSCF／天／井，B.L.M批准或关于美国65%的区域内是不坚持请求的。（注：MSCF－千规范立方英尺，或百万规范立方英尺）。

在此范畴曾经运用V锥流量计。固然有水存在，关于一定的气体组分停止井口吻体分配丈量。通常请求的精确度：±1.5%，反复性：±0.1%；气井的消费寿命通常为5到10年（从启动，投运开端计算）。BLM＝美疆土地管理局。

      配管的新概念和压力降（压力损失）

关于相当低的井口吻体压力，例如只要5磅／平方英寸（即5×6.895＝34.475kpa），决议性的一条是要使压力降（即压力损失）和差压式流量计所产生的差压（DP）尽可能的到达最小值。

由于由系统中的摩擦阻力和差压损失所形成的对流量计和管线的固有约束，在取得最佳消费中有一个最好的均衡点。

目前想出的处理计划是采用一种所谓依次逐渐递增管径的配管办法，以便取得最大的消费量，同时此计划还有助于避免井之间穿插影响或者通常因一个止回（单向）阀有毛病，气领会反注射到左近的气井中。（图20示出了管道配置的新概念）。采用V锥流量计的优点是它的压损小，即压力恢复较高，在相同的差压（DP）下，V锥的压力恢复比典型的孔板节流安装要高出20%，还有V锥流量计能在小差压下工作，并取得很好的精确度。

在怀俄明州在多个井上，在类似的地质条件下曾作过一系列的实验，经过实验发现：在相同的地质区域内，单个的井口计量系统会比采用多孔板的豆荚式计量系统消费出更多的气体。在一些状况下约高出15%到20%。

实考证明，V锥流量计除上述优点外，还有所请求的直管段较短的优点。

a） 有活动调整才能（相当强！）。

b）不像孔板安装那样需求有30倍D（D－管道直径）的直管段。

c） 无活动死角，液领会在V锥流量计中自在流过而不会像孔板那样，在孔板前有液体积存。

d）            V锥具有低噪声才能，从节能上看是经济的（在1／10英寸水柱差压下，即2.54mm水柱差压下，V锥仍能正常工作）。

e） 可将V锥流量计装置在狭小的空间内，整机外壳也较小。（见图3a）。

9.0          V锥流量计是如何调整活动的？

V锥流量计的主要组成局部是在一个带压管道（封锁管道的精细丈量管）内的中心轴线上同轴装置的平截头圆锥体形的差压发作器（即产生差压的V锥体）和在其下游的另一个平截头圆锥体（即担任压力恢复的下游V锥体）。下游V锥体尾部的压力是借助于一个内孔通道系统取得的。产生差压V锥体上游的压力是经过开在上游管壁上的取压口取得的。经过这两个取压口就能够取得两个平截头圆锥体界面两端的压力差（差压）。

V锥体能重新散布V锥流量计环形喉部两端的速度散布（剖面）（见图7a）。

上述的这种取压方式能够确保在封锁管道的中心处测得V锥体下游的压力P2。（目前有某些构造紧凑型仪表是经过管壁取压来丈量P2）。

上游的压力P1是在上游管壁上开取压口而测得。（如图4.0所示）。

上述的应用中心孔来采集下游的压力具有比传统的差压式流量计都优越的一系列优点，如下所述：

（a）     活动调整功用。

（b）    较大的量程比（假如管道中的压力足够，量程比约为10:1）。

（c）     静态混合功用。

（d）    可测湿气体（有一定优势）。

  V锥流量计流量方程式中的数学常数

将普通性的质量连续性方程式用于这种差压式流量计就会得出以下公式：

                     式中： ；At= ) ；

只需以下两条成立，则能够以为构造上的几何类似性将是显然的：

（a）     两个平截头圆锥体的角度和长度与原始的V锥体类似。

（b）    一切的比率数据与原始V锥流量计的比率数据组相同。同时V锥体与丈量管道有很好的同轴度。

只需几何类似性的事实成立，则在设计中允许运用如图5所示的V锥流量计的流量方程式。

为修正气体密度的变化，在以上公式需求引入ε因子（系数），依据Dr.M.Reader－Harris和Dr.Robert Peters在NEL的研讨工作，得出了如下的ε系数方程式：

在许多流量计算机中都采用此ε系数的方程式，在其它，如Barton等其它在市场上可买到的小型流量计算机／器中更是采用该ε公式作为规范。

10.0    活动调整的效能与结果

众所周知，应用同轴装置在一个封锁管道中的V锥体，经过对速度散布的重新散布（整形）容易获得活动调整效能。在一个相当宽的雷诺数范围内都能产生此功用，并且似乎是当远离过渡区时，这种活动调整效能就更显著。所谓过渡区是指在这个ReD区间流型会发作改动。（通常是指ReD为8000到10000之间的过渡）。

为展现活动调整功用，于2005年在圣安东尼奥的气体研讨院西南分院（SWRI），曾对一个4英寸（口径为100mm）的V锥流量计停止了测试，测试时将不在同一平面的双弯头装置在V锥流量计的上游和下游。将活动调整的效果与基线的数据停止比拟。在以下的图9至图11示出了不在同一平面的双弯头和流量计的装置图及测试结果的数据。从图9和图10能够看出：气流从安装经单弯头后先流经孔