注熱CO2在煤層氣增產中的技術研究

崔靜博

摘要：我們知道，煤層作為儲集層是具有復雜雙孔隙結構的儲集空間，既可以儲存煤層氣，也可以提供煤層氣運移通道。我國煤層氣的開采主要方式為排水降壓，在這一工藝中，如果儲集層壓力下降，會讓儲層中的流體失去在井筒中的流動能力。隨著儲集層中水飽和度的增加，大量產生的水會嚴重延遲甲烷產生的時間，這時，在煤層中注入CO2可以有效實現煤層氣的增產。在煤層中注入熱的CO2進行增產的主要原理是借助甲烷解吸和提高甲烷的擴散速度。許多的研究結果表明，在煤層中注入的熱CO2中絕大部分都能夠吸附在煤層中，起到提高煤層氣采收率的效果。目前這種注熱CO2對煤層氣增產的技術還不夠成熟，同時費用較高，僅僅在一些地方開展了先導性試驗，離大規模商業化應用還有一定差距。這種煤層氣增產技術需要借助大量的實驗，全面研究煤層氣增產效果和注入CO2的體積、注入CO2的壓力、溫度之間的關聯性，同時進行相應的數值模擬，以明確煤層氣增產效果和注CO2的參數之間的關系，最終確定最優化的注熱CO2的擠注方案，最大限度的進行煤層氣增產。

關鍵詞：煤層氣;熱CO2;增產

1 前言

煤層氣作為優質清潔能源，具有較大的儲量，根據相關資料，我國淺層（深度不超過2000m）的煤層氣地質儲量達到37×1012m3，雖然儲量巨大，但是受各種條件的限制，煤層氣開采效率需要進一步提升。如何在安全、環保及有效利用能源的方面提高煤層氣開采效率，實現煤層氣的增產對加速我國煤層氣的清潔化生產具有重要作用。當前，煤層氣有效開采的手段以儲層壓裂和注氣驅替為主。通過壓裂能夠對儲層進行改造，有效提高煤層的滲透率，但是后期煤層氣井單井產量難以保證。注氣增產已經成為提高煤層氣單井產量的重要手段，在注CO2增產方面，國內外已經開展了效果良好的先導性試驗，證明了注熱CO2增加煤層氣產量的可行性[1]。但是，從整體來看，注CO2尤其是注熱CO2增加煤層氣產量的機理認識和實踐效果還有待進一步深化。

2 注熱CO2提高煤層氣產量機理研究

根據煤層氣形成機理，煤在生成和演化過程中會伴隨大量氣體的產生，一部分氣體賦存于煤層中便形成了煤層氣。前面提到，煤層是一種具有復雜雙孔隙結構的儲集層，雙孔隙結構指的是原生孔隙系統與次生孔隙系統及自然裂縫系統。原生孔隙系統是煤層氣儲存的主要儲集空間，對煤層的儲集能力起著關鍵性作用。次生孔隙和自然裂縫系統的主要功能是為煤層氣的運移提供有效的運移通道，起到控制煤層滲透率的作用。原生孔隙系統一般情況下滲透率都比較低，煤層氣在煤層骨架中通過解吸附作用實現擴散和運移，運移速度取決于濃度差。次生孔隙和自然裂縫系統的滲流能力遵循達西流定理，并且和滲透率及壓力梯度具有緊密關聯性。根據煤層氣的運移和吸附解吸特征可以看出，提高煤層氣產量的有效手段為排水降壓，但是煤層氣采收率仍有待提升。在煤層氣排采時，隨著儲層壓力的下降，井筒中流體流動能力下降甚至失去流動能力。當儲集層中的水達到飽和狀態時，水的大量存在導致甲烷產出時間顯著延遲，通過向煤層中注入熱的CO2可以有效提高煤層氣的采收率，起到增加煤層氣產量的效果。從理論上講，在煤層氣中注入熱CO2提高采收率的原理是加快甲烷解吸和擴散，主要機理包括：在煤層氣注入熱CO2后，使得煤層中總的割理壓力增加，這樣就在局部位置降低了割理中甲烷的分壓數值，使得解吸速度及擴散速度增加。注入CO2后，獨特的CO2分子結構特征使得CO2分子對煤基質的吸附作用大于甲烷分子，二者對煤基質的吸附存在競爭，通過競爭完成吸附置換，這樣就能使得甲烷從煤基質中解吸出來。

3 注熱CO2在煤層氣增產中的影響因素分析

影響注熱CO2在煤層氣增產中的因素較多，可以概況為內部因素和外部因素，前者包括煤的結構特征、煤層的滲透性、煤對甲烷及CO2吸附特征差異等，這些因素都取決于煤自身屬性及特征。后者是能夠人為進行控制的因素，屬于工程因素[2]。

3.1 氣組分影響分析

不同煤階對不同氣組分的吸附能力有差異，隨著氣組分的比例不同，煤階的吸附能力及平衡壓力不是簡單的倍數關系。甲烷與CO2其他混合后在煤上的吸附特征研究結果可以看出，當壓力一定時，煤對混合氣體的吸附能力在單獨的甲烷與CO2吸附能力之間，在混合氣體中，煤對兩種氣體的吸附能力也有不同的特點：煤首先吸附CO2，壓力越高，對CO2的吸附能力越強，對甲烷的吸附能力越低。隨著CO2含量的增加，吸附曲線越靠近CO2曲線方向。如果注入的混合氣體中有氮氣，會降低開采能力。這是由于氮氣的吸附能力低于甲烷的吸附能力，容易發生解吸，會對氣體置換效果產生影響。加上氮氣在煤層中不能長期存在，注入的氮氣會有一部分被開采出來，進而在影響開采效果的同時還會增加采氣成本。

3.2 注入量影響分析

如果CO2注入體積較少，由于注入氣體的分壓下降，會造成氣體吸附能力的下降，這種情況下，氣體會先解吸出來，無法實現置換目的。如果注入的其他體積過多，還會增加煤層氣開采成本和費用。因此，在確定氣體注入體積時，需要從煤層特征出發，綜合各種因素確定注入氣體的體積和數量。

3.3 注入壓力點影響分析

當儲集層確定后，煤儲層的變質程度及構造環境相對固定，煤層氣吸附的動力便是儲集層的壓力。隨著儲集層壓力的增大，煤吸附的氣體數量也就越多，因此，注入壓力的臨界點確定至關重要。當在超過CO2臨界壓力情況下注入氣體時，大量氣體在注入后會發生液化，無法起到置換作用，同時還會形成資源浪費。

3.4 注氣模式影響分析

常見的CO2注氣模式有間斷式注氣和連續性注氣兩種模式，現場最為常用的注氣模式為間斷式注氣模式。這是由于這種注氣模式能夠讓注入煤層中的氣體有效注入到煤層中并能夠實現氣體的相互平衡，也就是能夠充分吸附飽和，進而起到提高置換率的效果，較為常用。

4 結束語

本文重點從注CO2對煤層氣增產影響因素進行了分析，重點從注入成分、注入體積、注入壓力等方面開展研究，對保障注入的CO2在煤層氣增產中起到良好效果提供了思路和借鑒，具有一定的價值和意義。

參考文獻：

[1]馬志宏，郭勇義. 注入二氧化碳及氮氣驅替煤層氣機理的實驗研究[J]. 太原理工 大學學報，2018，32（4）.

[2]高遠文，劉大錳等. 阜新煤田注二氧化碳提高煤層甲烷的研究[J]. 煤炭科學技術，2018，36（1）.