CO2-ECBM技術(shù)可行性及存在問題

張 琨 桑樹勛 劉世奇 劉長江

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 221116；3.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 266580)

CO2-ECBM技術(shù)可行性及存在問題

張 琨1桑樹勛1劉世奇2劉長江3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 221116；3.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 266580)

本文總結(jié)概括和評述了注入CO2強(qiáng)化煤層氣采收率技術(shù)(CO2-ECBM)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、理論基礎(chǔ)、儲層條件及其對儲層改造作用產(chǎn)生的問題。已有的理論分析與工程實(shí)踐表明，向煤層中注入CO2提高煤層氣采收率技術(shù)具有巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)中國2000m以淺煤層氣產(chǎn)量累計(jì)增產(chǎn)3.751×1012m3，該技術(shù)在理論和實(shí)際方面均有很廣闊的應(yīng)用前景，但其對儲層的改造情況尚不明確，仍需要進(jìn)一步研究。

CO2-ECBM 理論基礎(chǔ) 可行性 研究現(xiàn)狀

1 國內(nèi)外先導(dǎo)性工程試驗(yàn)

1.1 國外先導(dǎo)性工程試驗(yàn)

CO2-ECBM技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它是指通過在煤儲層中注入CO2促進(jìn)煤層氣產(chǎn)出，提高采收率。目前，世界范圍內(nèi)很多地區(qū)都在進(jìn)行微型先導(dǎo)性試驗(yàn)，多井先導(dǎo)性試驗(yàn)技術(shù)也正在逐步開發(fā)，但還沒得到商業(yè)化應(yīng)用。

美國是最早進(jìn)行CO2-ECBM現(xiàn)場測試的國家。1993年12月，美國的BP-Amoco公司在黑勇士盆地首先進(jìn)行了注CO2提高煤層瓦斯采收率的現(xiàn)場試驗(yàn)(White et al.,2005a)；1995年，又對Allison和Tiffany兩個(gè)煤層進(jìn)行純CO2和純N2注入試驗(yàn)，并成功進(jìn)行了煤層氣的多井聯(lián)合開采。研究結(jié)果表明，CO2注入煤層提高了煤層氣的采收率，但由于儲層吸附膨脹作用，注入CO2后煤層的孔隙度和滲透率均有所降低，在井筒附近尤為明顯(Reeves,2004)。

1997年，加拿大阿爾伯達(dá)研究理事會的煤層氣研究團(tuán)體在阿爾伯達(dá)省Fenn Big Valley地區(qū)的Mannville煤層中采用注入CO2和N2的混合氣體，進(jìn)行了四個(gè)微型先導(dǎo)性試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過注入CO2，提高了該地區(qū)的煤層氣產(chǎn)量，并且發(fā)現(xiàn)隨著CO2的注入，CO2的注入難度逐漸增加，但關(guān)井一段時(shí)間后又會有所恢復(fù)(王曉鋒等,2010)。這是由于煤儲層在CO2注入后煤層發(fā)生了吸附膨脹，尤其是在井筒周圍的地層滲透率快速減小，當(dāng)CO2向遠(yuǎn)離井筒的方向擴(kuò)散時(shí)，井筒周圍滲透率就會恢復(fù)。

2001年，由荷蘭TNO公司在波蘭的上西里西亞盆地實(shí)施開展了歐洲第一個(gè)CO2-ECBM技術(shù)項(xiàng)目試驗(yàn)；2002年，美國Consol能源公司在美國West Virginia的不可開采煤層中，進(jìn)行了提高煤層氣采收率和CO2埋存試驗(yàn)；2004年，意大利在Sulcis盆地合作CO2-ECBM的前期可行性調(diào)查；2008年美國Conoco Phillips公司在Pump Canyon進(jìn)行了大規(guī)模的CO2注入煤層提高采收率的工程(Godec et al.,2014)；日本也啟動了“CO2含水層儲存技術(shù)研發(fā)計(jì)劃”(2000～2005)，進(jìn)行了從IGCC示范電廠捕獲CO2并儲存到廢棄天然氣田的整個(gè)系統(tǒng)的可行性研究(葛秀珍,2012)。

這一系列的CO2-ECBM先導(dǎo)性試驗(yàn)都開展順利，基本上取得了很好的預(yù)期效果，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。以圣胡安Allison區(qū)塊試驗(yàn)為例：通過儲層模擬方法，驗(yàn)證了煤層氣采收率得到了很大的提高，CO2被埋存于煤層中的同時(shí)促進(jìn)大量的CH4產(chǎn)出，CO2/CH4的注采比大約為2.5(朱和保,2010)。

1.2 國內(nèi)先導(dǎo)性工程試驗(yàn)

CO2-ECBM技術(shù)在我國仍處于試驗(yàn)探索階段。中國和加拿大政府在2002年至2006年聯(lián)合開展了國內(nèi)第一個(gè)的CO2-ECBM的現(xiàn)場試驗(yàn)——中國煤層氣技術(shù)開發(fā)/CO2埋存項(xiàng)目。他們在山西沁水盆地進(jìn)行了單井的CO2-ECBM微型先導(dǎo)性試驗(yàn)，連續(xù)13天內(nèi)共向3號煤層注入192.8t液態(tài)CO2后關(guān)井，在悶井63天后，重新開井，TL-003井的氣產(chǎn)量穩(wěn)定在1015～1231m3/d，產(chǎn)水量是0.2～4.4m3/d(朱和保,2010)；之后又對沁水盆地南部柿莊北區(qū)SX-001井進(jìn)行了CO2-ECBN的實(shí)驗(yàn)，每天注入20t CO2，研究發(fā)現(xiàn)：注入CO2后SX-001井的產(chǎn)氣量是注入前的2.45倍，烴類氣體總的置換效率達(dá)到14.18cm3/g(葉建平等,2012)。

中國煤炭資源豐富，煤層分布廣泛，其中不可開采煤層占有很大比例，是采用CO2-ECBM方法進(jìn)行煤層瓦斯抽采的良好地質(zhì)體。目前，對于山西、陜西、內(nèi)蒙古等主要煤層分布區(qū)的調(diào)查估算，我國主要煤層區(qū)可埋存的CO2約為120×108t(張洪濤等,2005)。單從環(huán)境保護(hù)，限制CO2排放的角度考慮，CO2-ECBM技術(shù)就很有意義；同時(shí)，CO2-ECBM技術(shù)可以很大程度上改善我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理、能源利用率低的現(xiàn)狀。所以說，CO2-ECBM技術(shù)在我國擁有廣闊的應(yīng)用前景。

2 理論研究

2.1 理論基礎(chǔ)

煤層中發(fā)育很多孔裂隙結(jié)構(gòu)，其對氣體分子存在吸附性，其吸附作用的本質(zhì)是煤基質(zhì)表面分子與氣體分子間的相互作用力(降文萍等,2006)，由于氣體分子的差異導(dǎo)致煤對不同分子的吸附能力有所不同。研究表明(Reeves,2004)，煤基質(zhì)與氣體分子之間作用力的大小與相同壓力下氣體的沸點(diǎn)有關(guān)，沸點(diǎn)越高，則其被吸附的能力越強(qiáng)，CO2比CH4沸點(diǎn)高，所以煤基質(zhì)對前者的吸附能力強(qiáng)于后者(Cunningham,1980; Parkash等,1986)。這使得在煤層中注入CO2促進(jìn)CH4解吸，增加煤層氣采收率的CO2-ECBM技術(shù)有了理論基礎(chǔ)。

2.2 作用過程及效果

在實(shí)際生產(chǎn)過程，當(dāng)CO2注入煤層中時(shí)，CO2會沿著煤中孔裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入煤層內(nèi)部，一方面降低煤中CH4分壓，迫使吸附態(tài)CH4的解吸轉(zhuǎn)化呈游離態(tài)(高遠(yuǎn)文等,2008)，并沿裂隙向外運(yùn)移流向井筒；另一方面煤對CO2的吸附能力要強(qiáng)于對CH4的吸附力，煤儲層內(nèi)實(shí)際發(fā)生了CH4和CO2的競爭吸附，結(jié)果是吸附能力更強(qiáng)的CO2將原有的CH4驅(qū)替出來從生產(chǎn)井中排出，而CO2則會儲存在煤層中(張慶玲等,2005)。隨著CO2的不斷注入，當(dāng)CO2氣體到達(dá)了生產(chǎn)井的井筒突破產(chǎn)出時(shí)(唐書恒等,2004)，CO2-ECBM過程結(jié)束。

CO2驅(qū)替CH4的效果可以用CH4的解吸率來表征。CH4的解吸率是指在解吸過程中CH4解吸量占CH4總吸附量的百分比。劉向東(李向東等,2009)對不同方式下CH4氣體解吸情況做了對比研究，分別記錄下煤樣在純CH4氣體解吸和進(jìn)行CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)時(shí)單位壓降下的CH4解吸率，如表1所示。

表1 純CH4解吸試驗(yàn)和CO2驅(qū)替試驗(yàn)中單位壓降下的CH4解吸率(劉向東等，2009)

從表1可以看出，煤層CH4在純CH4解吸時(shí)單位壓降下的解吸率為6.02%/MPa，而使用CO2驅(qū)替CH4時(shí)，單位壓降下的CH4解吸率為10.7%/MPa，解吸率提高約78%(李向東等,2009)，這證明了CO2-ECBM技術(shù)可以在理論上大幅度增加煤層CH4的產(chǎn)出。

3 CO2-ECBM儲層條件及存在問題

3.1 儲層條件

綜合分析CO2-ECBM的技術(shù)特性，在選擇適合開展該技術(shù)的儲層時(shí)，必須考慮下列因素：

(1)煤儲層連續(xù)，煤儲層應(yīng)該是在水平方向連續(xù)、垂直方向相互獨(dú)立的(Smith等,2013)，保證CO2運(yùn)移順暢且不易散失，有利于CO2與CH4充分作用；(2)構(gòu)造條件，煤儲層應(yīng)該少發(fā)育或者不發(fā)育斷層和褶皺，這是由于開啟性斷層和裂縫會導(dǎo)致大量的CO2沿著裂隙運(yùn)移散失，而減少了與CH4相互作用的量，降低了CO2作用效果；(3)滲透率(王杰祥等,2014)，滲透率越大，注入效果越好，過小的滲透率則會導(dǎo)致CO2難以注入，使工程難度增加；(4)合適的埋深，埋深過淺會導(dǎo)致注入的CO2突破，而埋深過大盡管CO2的吸附能力沒有很大程度降低，但增加深度會降低煤巖的滲透率，導(dǎo)致注入不易實(shí)施;(5)氣體飽和度，研究表明(殷代印等,2015)CH4飽和度高的煤層比飽和度低的煤層在煤層氣開發(fā)后期的效果更好。

3.2 存在問題

在工程實(shí)踐中，假設(shè)地溫梯度為3℃/100m，正常儲層壓力梯度為0.98MPa/100m，恒溫帶深度為20m，溫度為10℃，而對于2000m埋深以淺的深部不可采煤層，其儲層溫度和壓力均很容易超過CO2的臨界溫度(31.06℃)和臨界壓力(7.4MPa)。因此，注入深部煤層中的CO2將處于超臨界狀態(tài)(White等,2005b)，這會對煤儲層性質(zhì)產(chǎn)生一系列影響。

3.2.1 煤基質(zhì)膨脹

一般來說，吸附導(dǎo)致膨脹，而解吸導(dǎo)致收縮(Plummer等,1976)。隨著CO2的注入，其與煤層中CH4存在競爭吸附的關(guān)系。如前文所述，煤基質(zhì)對CO2的吸附能力大于CH4，因此煤基質(zhì)在解吸CH4和重新吸附CO2的過程中，必然會發(fā)生膨脹和收縮。但值得注意的是，不同氣體導(dǎo)致煤基質(zhì)的膨脹收縮程度不同(Larsen,2004a)。已經(jīng)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，CO2、CH4、N2和He四種氣體引起的煤基質(zhì)膨脹效應(yīng)依次遞減，而氦氣吸附所引起的煤基質(zhì)體積變化則可以忽略不計(jì)(Nishioka等,1990a)。雖然由于注入氣體的吸附膨脹作用導(dǎo)致的體積應(yīng)變只占總孔容的4%左右，孔隙度的變化也只有2%左右(Mirzaeian等,2006)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中會導(dǎo)致滲透率的顯著變化(Pan等,2012)，CO2注入煤層會導(dǎo)致的煤體膨脹和裂隙閉合，使?jié)B透率發(fā)生一個(gè)數(shù)量級程度的變化(Oudinot等,2011)。

3.2.2 超臨界CO2增塑作用

在室溫條件下，煤是一種玻璃質(zhì)，具有一定脆性和堅(jiān)硬，具有拉張性的、相互聯(lián)結(jié)的大分子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)，氣體如CH4和CO2等在其中的遷移擴(kuò)散相對較慢，而當(dāng)被加熱或者與某種溶液發(fā)生反應(yīng)使其熱能超過了分子間作用能時(shí)，煤會變的具有一定的塑性，具有了橡膠質(zhì)特性，此時(shí)氣體在煤中的運(yùn)移速度就會相對變快(Giri等,2000; Larsen,2004b; Nishioka等,1990b)。注入的CO2在有地層水的存在條件下生成的碳酸與煤中的礦物發(fā)生反應(yīng)從而扮演塑性劑的角色。具體表現(xiàn)為，CO2溶解在煤中會導(dǎo)致煤物理結(jié)構(gòu)的重組，分子之間的作用力降低，從而降低了煤的從玻璃紙轉(zhuǎn)化為橡膠質(zhì)的軟化溫度(Larsen,2004c)。實(shí)驗(yàn)表明：CO2注入煤中會使煤樣的彈性模量降低19%，煤體強(qiáng)度降低20%(Masoudian等,2014)，單向抗壓強(qiáng)度降低了79%，楊氏模量降低了74%(Perera等,2013)。所以，CO2的注入會導(dǎo)致煤的軟化和增塑，引起煤機(jī)械性能和物理性質(zhì)的改變(Day等,2008; Siemons等,2007)。

3.2.3 CO2酸性影響

煤中的元素主要包括常量元素如Na、Mg、Al等以及微量元素如Be、Sc、V、Cr、Mn等。在CO2的地質(zhì)儲存過程中，各種元素將會發(fā)生不同程度的遷移，其遷移的能力大小以及遷移的方式與其在煤中的賦存方式和狀態(tài)密切相關(guān)(Larsen,2004b)。CO2注入煤層后，將與煤層中的水生成H2CO3，從而使得地層水酸性增加，溶解煤中的礦物，導(dǎo)致賦存在中的元素發(fā)生遷移，同時(shí)增大附近區(qū)域煤層孔隙度和滲透率，但溶解的礦物有可能會在距離注入井較遠(yuǎn)的區(qū)域沉淀結(jié)晶，堵塞孔裂隙，對煤層氣抽采產(chǎn)生不利影響。

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Technical Feasibility and Existing Problems of CO2-ECBM

ZHANG Kun1, SANG Shuxun1, LIU Shiqi2, LIU Changjiang3

(1. Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation Process, Ministry of Education, School of Resources and Geosciences, CUMT, Jiangsu 221116; 2. School of Safety Engineering, CUMT, Jiangsu 221116; 3. School of Geosciences, China University of Petroleum, Shandong 266580)

The paper summarizes and reviews the research status at home and abroad, the theoretical basis, reservoir conditions, and problems caused by the reservoir reconstruction effect of CO2Injection technology to enhance the recovery rate of CBM(CO2-ECBM). The present theoretical analysis and practice shows that the CO2-ECBM technology has great potential and it will help to the CBM production with the burial depth lower than 2000m to accumulatively increase by 3.751×1012m3. This technology is of broad application prospect in both theory and practice aspects. However, the influence of reconstruction on the reservoir is still unclear and requires further research.

CO2-ECBM; theoretical basis; feasibility; research status

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41330638、41402135)

張琨，男，在讀研究生，研究方向?yàn)槊簩託忾_發(fā)地質(zhì)與工程。