CO2驅提高煤層氣開采效果注入參數的實驗研究

郭 輝，李 想，曾 云，王有良，梅光遠

（1. 長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100； 2. 中海石油有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518000；3. 荊州水務集團， 湖北 荊州 434000； 4. 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司， 天津 300200）

CO2驅提高煤層氣開采效果注入參數的實驗研究

郭 輝1，李 想2，曾 云3，王有良1，梅光遠4

（1. 長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100； 2. 中海石油有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518000；3. 荊州水務集團， 湖北 荊州 434000； 4. 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司， 天津 300200）

我國煤層氣面臨低滲、含氣飽和度低和儲層壓力低等問題，CO2具有較好的置換、驅替煤層氣的效果，同時可以減少碳排放量，對CO2注入參數優化至今尚沒有具體研究。采用正交設計原理對影響CH4采收率的參數：注氣時機、注氣方式、注氣速度和溫壓體系進行合理的水平設置和實驗方案設計，通過室內長巖心驅替實驗得到最佳的注氣方式為衰竭式開采采收率為20%時轉注CO2，注入方式采用間歇注入，段塞大小為0.2 PV，注入速度為0.2 mL/min，室溫、壓力9 MPa條件下，注氣約17 PV后衰竭式開采效果最好。注氣時機和注氣方式對CH4采收率有顯著影響，注氣速度影響比較顯著，溫壓體系影響較小。希望對我國煤層氣開采提供一定的借鑒和參考。

煤層氣；注入參數；正交試驗；CO2驅；方案優化

我國的煤層氣儲量豐富，主要成分CH4在煤層中以吸附態、分離態和游離態存在，其中大部分以吸附態吸附在基質微孔隙表面[1]。傳統排水降壓開采通過降低井底壓力使煤層氣從基質中解吸，進入裂縫等通道采出，開采效果差，并且大量煤層受到埋藏深和滲透性差等因素的影響，使得大量煤層氣難以采出[2]。

針對這一問題，目前國內對向煤層氣注入非烴類氣體提高煤層氣開發效果已有大量的室內及現場研究，并取得了較好的效果。研究表明利用煤層對CO2比CH4有更好的吸附特性，通過向煤層中注CO2可以置換大量吸附于煤基質上的甲烷氣體，強化煤層氣的產出，延長煤層氣井的生產期。在取得較好的提高煤層氣采收率的實際經濟效益的同時，更能將引起溫室效應的CO2氣體封存于地下，達到節能減排的目的[3-5]。而關于CO2注入時機、注入量、CO2注入速度和注入方式對煤層氣增產效果的影響尚未有研究報告，本文對此進行了實驗研究，以期對現場采用 CO2驅提高煤層氣藏開發效果提供參考。

1 注CO2提高煤層氣產能的基本原理

我國煤層含氣飽和度低、滲透率低和儲層壓力低，通過注入CO2可以保持煤層壓力，延長煤層氣開采期[6]。從分子角度分析煤層孔隙裂縫內側碳原子受力處于平衡狀態，而表面的碳原子外側不受力的作用具有較大的表面自由能，因而基質對裂縫孔隙中的氣體分子具有吸附作用，不同分子吸引能力各不相同，注入CO2依靠其相比CH4有更好的吸附用，可以促進CH4解吸，從而驅替游離態的CH4盡快流入井底。此外通過注CO2降低CH4的分壓，可以促進CH4從煤基質內表面解吸。游離在孔隙裂縫中的 CO2活塞式驅替煤層裂縫中的甲烷向井底流動，達到純甲烷生產期長，驅替效率高的目標[7,8]。

2 實驗設計及實驗結果分析

2.1 實驗儀器和樣品準備

為避免短巖心驅替過程中存在CO2和CH4競爭吸附、置換和驅替過程不充分及CO2突破快的問題，實驗采用CO2氣體多功能驅替物理模擬系統（如圖1所示）。該裝置可以在體積應力105 MPa、溫度100 ℃的范圍內進行室內長巖心（30 cm）驅替實驗。采用長巖心驅替，CO2有足夠時間和空間競爭吸附、置換驅替，能夠更好的模擬煤層真實情況。通過恒溫箱對溫度的控制及回壓泵對出口壓力控制模擬地層溫壓條件，采用高壓泵對夾持器加圍壓模擬巖心處于地層靜水壓力條件，并通過計量系統對注入和產出CO2、瓦斯氣體準確計量。

實驗采用的巖樣取自山西某煤層，巖心的基本數據如下表1所示，巖心排列順序采用調和平均法，由于巖心數量有限且為了方便比較不同注入方式對瓦斯產量影響，每次實驗結束后對巖心重新抽真空、飽和CH4，進行下一次實驗。

表1 煤層巖心基本物性參數Table 1 Seam core basic physical parameters

實驗采用工業用 CO2、CH4氣體溶度都達到99.99%。

2.2 驅替實驗流程建立

①檢查體系封閉性。將巖心放入夾持器中，設定圍壓3 MPa，回壓1 MPa，控制入口壓力1 MPa注入CH4，待系統穩定后，以0.5 MPa的梯度交替增加圍壓、入口壓力和回壓，至圍壓22 MPa、入口壓力20 MPa和回壓20 MPa，檢查整個過程是否有泄漏現象；②抽真空，飽和。用真空泵抽取煤樣中的雜質氣體，設定圍壓為3 MPa、回壓0 MPa和入口壓力1 MPa，注入CH4，以0.5 MPa的梯度交替增加圍壓、入口壓力和回壓達到預定值，待系統穩定后，將回壓提升至與入口壓力相等，老化24 h使煤樣充分吸附CH4，并記錄CH4注入量V0；③將回壓降低1 MPa，利用壓差生產至注氣階段；④采用實驗方案所設計的注入方式注入 CO2，至產出氣體中CO2含量達到 99%，停止實驗，實驗過程中記錄每個時間段注入和產出 CH4、CO2體積；⑤重復②～④，完成剩余的實驗方案。

圖1 巖心驅替流程圖Fig.1 Core drive flow chart

2.3 實驗方案設計

我國煤層埋藏深淺不一，隨著煤層深度的增加溫壓體系增大，當地層溫度超過31.1 ℃，壓力超過7.38 MPa時，處于超臨界狀態的CO2具有表面張力低、粘度低和擴散能力強的特點，實驗研究不同溫壓體系，用來模擬不同深度煤層特征下CO2驅替效果。單位時間流量影響CO2在裂縫孔隙中的分布和與CH4的競爭吸附，因此注入速度也是需要考慮的因素之一。按注氣方式可以分為連續注氣可間歇注氣，其中不同間歇周期對注氣、置換有影響。開發階段中煤層CH4溶度不同也會對注入CO2后，兩者間的競爭吸附產生影響。

對此將注入時機、注入速度、注入方式和溫壓體系甄選出來，作為影響 CH4采收率的因素[9]。研究不同因數下CH4采收率，優選出最佳的注氣方式。對于多因素多水平實驗，采用常規試驗法，工作量大某些參數下的實驗難以實現。對此，采用正交試驗法[10]，選取對CH4產量有較大影響的參數：溫壓體系、注入壓力、注氣方式和CH4含量選擇有代表性的水平（因素水平取值見表2）進行合理的正交設計。

表2 影響因素水平取值Table 2 Factors affecting level value

既能減少試驗次數，又能達到較好的統計效果，找到最優CO2驅方案（實驗方案見表3）。

表3 影響因素正交設計表Table 3 Factors influencing design table

2.4 實驗結果分析

對正交試驗結果分析通常有兩種，一種是極差分析法，通過對各因素不同水平引起采收率增加值變化的極差進行分析，確定最優的注入方案；另外一種是方差分析法，通過將因素水平變化與試驗誤差兩者對采收率增加值的影響區分開，對影響采收率的各因素的重要程度進行定量估計。兩種方法在實際應用中各有特點，相互補充。

（1）比較同一因素不同水平的均值可以看出各水平的優劣，由于K21＞K11＞K31，所以衰竭式開采采收率達到20%左右時采用CO2驅效果最好，同樣可得到其他因素的最優水平。因此采收率增加最大的方案是：衰竭式開采采收率20時轉注CO2，注入方式采用間歇注入，段塞大小為0.2 PV，注入速度為0.2 mL/min時效果最好，而地層溫度壓力大小對開采效果沒有很大的影響，分析原因可能是因為實驗采用的巖心不是取自不同深度對應溫壓體系下媒階的巖樣。

（2）通過分析各因素水平變化引起的極差大小對采收率的影響程度進行定性的分析，由于R1＞R3＞R2＞R4，所以各因素對采收率的影響大小分別為注入時機、注入方式、注氣速度、溫壓體系。

（3）由因素-采收率關系圖可以看出：選取高產期注入CO2效果較好，原因在于過早的注入造成儲層壓力過大，后續氣體難以注入，造成CH4解吸不充分，并且存在部分CO2在煤層氣未達到高產前突破進入生產井，進而導致CH4產量降低，而煤層氣進入衰竭式開采期后大量孔隙裂縫通道含氣量少，注入CO2沿著這些高滲通道流動，進入微孔縫中的CO2明顯減少，相同的注入量置換出的CH4含量大大減少，這不利于注CO2提高煤層氣產量。采用段塞式注入 CO2效果也明顯比連續注入效果要好，連續注氣氣體容易過早突破，影響開發效果，采用間歇注氣一方面可以補充地層壓力，增加開采的壓力梯度，滲流速度變大，衰減時間延長，此外間歇注氣造成的滲流速度變化引起孔裂隙中煤層氣分壓的變化，使得更多的煤層氣解吸和重復注氣的實施。注入速度較小，在0.2～0.4 mL/min時，CO2可以更廣泛的分布在煤體內的孔裂隙中，從時間和空間上能夠進入更多微裂縫孔隙中和CH4發生競爭吸附，置換出更多的CH4。溫壓體系的影響在（1）中已經給出說明，這里不再贅述（圖2）。

圖2 因素-CH4產量關系圖Fig.2 Factors -CH4yield

（4）通過方差分析對各因素進行顯著性檢驗，注氣時機對煤層氣產量的影響是顯著的，注入方式和注入速度的影響比較顯著，而溫壓體系的影響不顯著。

2.5 注氣量優化

理論上注入CO2時間越長、注氣量越多，煤層氣產量越大，實際施工要考慮回收周期、注氣成本等因素，目前CO2補集技術還不夠成熟，長期注入CO2使得成本增加；另一方面煤層對 CO2的吸附能力有限，隨著CO2與CH4吸附置換的進行，當兩者煤層中吸附和游離相達到平衡狀態時，繼續注入CO2置換效果較差。為此在優選的注入條件下對注氣量進行研究，以便找出最有利注入量，為現場施工提供可靠指導。

由圖3可見：初始注氣階段，采收率增幅不明顯，注入氣體5～15 PV增幅較大，之后采收率又緩慢增加。采用CO2驅替煤層氣時，由于煤層對CO2的吸附使得開發初期見效慢，當吸附達到平衡后，CO2將孔裂隙中大量游離的 CH4驅向井底，產氣量迅速上升，兩者煤層中吸附和游離相達到平衡狀態時，繼續注入 CO2置換效果較差，CH4增幅大大降低，大量產出 CO2，使得注氣開發效果差。因此在注入CO2約17 PV后應停止注氣，利用地層能量衰竭式開采。

圖3 注入CO2量與CH4產量關系Fig.3 The amount of CO2injection and CH4yield

3 結論和建議

（1）通過將 CO2注入煤層可以提高煤層氣產量，同時也可以實現對CO2的地質埋存；

（2）利用煤層氣天然能量開采高產期時，注CO2效果最好，最佳的注氣方式是間歇式注入，注氣周期約0.2 PV，注氣速度為0.4 mL/min，注氣17PV后停注，衰竭式開采效果最好；

（3）采用該方式驅替各因素對產量影響大小為：注氣時機＞注氣方式＞注氣速度＞溫壓體系；

（4）建議建立相應數學模型進行分析，能夠更為準確的確定注入參數及各因素對實驗結果的影響，為現場煤氣田提供更合乎實際的參考。

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Experimental Study on Injection Parameters for CO2Flooding to Enhance the Recovery of Coal Bed Methane Extraction

GUO Hui1，LI Xiang2，ZENG Yun3，WANG You-liang1，FENG Guang-yuan4
（1. Petroleum Engineering College of Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China；2. China National Offshore Oil Corporation Shenzhen branch, Guangdong Shenzhen 518000，China; 3. Jingzhou Water Group Co. ,Ltd，Hubei Jingzhou 430000 , China; 4. China Petroleum Group Bohai Drilling Engineering Co., Ltd, Tianjing 300200，China）

There are the problems of low permeability, low saturation of gas and low reservoir pressure in the coal bed methane extraction of our country. Based on previous researches, we can know that CO2has good replacement, displacement effect of coal bed gas, and can reduce carbon emission. However, there is no specific research on the optimization of injection parameters for CO2flooding. Through the orthogonal experiment method, the parameters of the recovery of CH4including the time of gas injection, the gas injection method, the gas injection rate and the temperature pressure system, were designed. Indoor and long core displacement experiments showed that the best way of gas injection for CO2recovery was to inject CO2when depletion development recovery reached 20%, injection method was intermittent injection, injection slug size was 0.2 PV, injection rate was 0.2 mL/min. Under the condition of room temperature, pressure 9 MPa, after gas injection about 17 PV, gas injection effect of depletion development was the best. Gas injection time and injection gas injection rate had significant effect on CH4recovery, gas injection rate had significant effect, and the influence of temperature and pressure system was relatively small.

coal bed gas; injection parameters; orthogonal test; CO2drive; scheme optimization

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2585-04

2016-05-03

郭輝（1992-），男，湖北潛江市人，在讀研究生，研究方向：提高采收率。E-m ail：756144822@qq.com。

李想（1991-），男，助理工程師，研究方向：鉆完井工程。E-m ail：736296596@qq.com。