注熱CO2在煤層氣增產(chǎn)中的技術(shù)研究

崔靜博

摘要：我們知道，煤層作為儲(chǔ)集層是具有復(fù)雜雙孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)集空間，既可以儲(chǔ)存煤層氣，也可以提供煤層氣運(yùn)移通道。我國(guó)煤層氣的開采主要方式為排水降壓，在這一工藝中，如果儲(chǔ)集層壓力下降，會(huì)讓儲(chǔ)層中的流體失去在井筒中的流動(dòng)能力。隨著儲(chǔ)集層中水飽和度的增加，大量產(chǎn)生的水會(huì)嚴(yán)重延遲甲烷產(chǎn)生的時(shí)間，這時(shí)，在煤層中注入CO2可以有效實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)。在煤層中注入熱的CO2進(jìn)行增產(chǎn)的主要原理是借助甲烷解吸和提高甲烷的擴(kuò)散速度。許多的研究結(jié)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(duì)煤層氣增產(chǎn)的技術(shù)還不夠成熟，同時(shí)費(fèi)用較高，僅僅在一些地方開展了先導(dǎo)性試驗(yàn)，離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。這種煤層氣增產(chǎn)技術(shù)需要借助大量的實(shí)驗(yàn)，全面研究煤層氣增產(chǎn)效果和注入CO2的體積、注入CO2的壓力、溫度之間的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，以明確煤層氣增產(chǎn)效果和注CO2的參數(shù)之間的關(guān)系，最終確定最優(yōu)化的注熱CO2的擠注方案，最大限度的進(jìn)行煤層氣增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層氣;熱CO2;增產(chǎn)

1 前言

煤層氣作為優(yōu)質(zhì)清潔能源，具有較大的儲(chǔ)量，根據(jù)相關(guān)資料，我國(guó)淺層（深度不超過(guò)2000m）的煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)到37×1012m3，雖然儲(chǔ)量巨大，但是受各種條件的限制，煤層氣開采效率需要進(jìn)一步提升。如何在安全、環(huán)保及有效利用能源的方面提高煤層氣開采效率，實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)對(duì)加速我國(guó)煤層氣的清潔化生產(chǎn)具有重要作用。當(dāng)前，煤層氣有效開采的手段以儲(chǔ)層壓裂和注氣驅(qū)替為主。通過(guò)壓裂能夠?qū)?chǔ)層進(jìn)行改造，有效提高煤層的滲透率，但是后期煤層氣井單井產(chǎn)量難以保證。注氣增產(chǎn)已經(jīng)成為提高煤層氣單井產(chǎn)量的重要手段，在注CO2增產(chǎn)方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了效果良好的先導(dǎo)性試驗(yàn)，證明了注熱CO2增加煤層氣產(chǎn)量的可行性[1]。但是，從整體來(lái)看，注CO2尤其是注熱CO2增加煤層氣產(chǎn)量的機(jī)理認(rèn)識(shí)和實(shí)踐效果還有待進(jìn)一步深化。

2 注熱CO2提高煤層氣產(chǎn)量機(jī)理研究

根據(jù)煤層氣形成機(jī)理，煤在生成和演化過(guò)程中會(huì)伴隨大量氣體的產(chǎn)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(fù)雜雙孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)集層，雙孔隙結(jié)構(gòu)指的是原生孔隙系統(tǒng)與次生孔隙系統(tǒng)及自然裂縫系統(tǒng)。原生孔隙系統(tǒng)是煤層氣儲(chǔ)存的主要儲(chǔ)集空間，對(duì)煤層的儲(chǔ)集能力起著關(guān)鍵性作用。次生孔隙和自然裂縫系統(tǒng)的主要功能是為煤層氣的運(yùn)移提供有效的運(yùn)移通道，起到控制煤層滲透率的作用。原生孔隙系統(tǒng)一般情況下滲透率都比較低，煤層氣在煤層骨架中通過(guò)解吸附作用實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和運(yùn)移，運(yùn)移速度取決于濃度差。次生孔隙和自然裂縫系統(tǒng)的滲流能力遵循達(dá)西流定理，并且和滲透率及壓力梯度具有緊密關(guān)聯(lián)性。根據(jù)煤層氣的運(yùn)移和吸附解吸特征可以看出，提高煤層氣產(chǎn)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(shí)，隨著儲(chǔ)層壓力的下降，井筒中流體流動(dòng)能力下降甚至失去流動(dòng)能力。當(dāng)儲(chǔ)集層中的水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，水的大量存在導(dǎo)致甲烷產(chǎn)出時(shí)間顯著延遲，通過(guò)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(chǎn)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(kuò)散，主要機(jī)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(shù)值，使得解吸速度及擴(kuò)散速度增加。注入CO2后，獨(dú)特的CO2分子結(jié)構(gòu)特征使得CO2分子對(duì)煤基質(zhì)的吸附作用大于甲烷分子，二者對(duì)煤基質(zhì)的吸附存在競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)完成吸附置換，這樣就能使得甲烷從煤基質(zhì)中解吸出來(lái)。

3 注熱CO2在煤層氣增產(chǎn)中的影響因素分析

影響注熱CO2在煤層氣增產(chǎn)中的因素較多，可以概況為內(nèi)部因素和外部因素，前者包括煤的結(jié)構(gòu)特征、煤層的滲透性、煤對(duì)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(jìn)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(duì)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(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系。甲烷與CO2其他混合后在煤上的吸附特征研究結(jié)果可以看出，當(dāng)壓力一定時(shí)，煤對(duì)混合氣體的吸附能力在單獨(dú)的甲烷與CO2吸附能力之間，在混合氣體中，煤對(duì)兩種氣體的吸附能力也有不同的特點(diǎn)：煤首先吸附CO2，壓力越高，對(duì)CO2的吸附能力越強(qiáng)，對(duì)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?dú)?，?huì)降低開采能力。這是由于氮?dú)獾奈侥芰Φ陀诩淄榈奈侥芰?，容易發(fā)生解吸，會(huì)對(duì)氣體置換效果產(chǎn)生影響。加上氮?dú)庠诿簩又胁荒荛L(zhǎng)期存在，注入的氮?dú)鈺?huì)有一部分被開采出來(lái)，進(jìn)而在影響開采效果的同時(shí)還會(huì)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(huì)造成氣體吸附能力的下降，這種情況下，氣體會(huì)先解吸出來(lái)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)置換目的。如果注入的其他體積過(guò)多，還會(huì)增加煤層氣開采成本和費(fèi)用。因此，在確定氣體注入體積時(shí)，需要從煤層特征出發(fā)，綜合各種因素確定注入氣體的體積和數(shù)量。

3.3 注入壓力點(diǎn)影響分析

當(dāng)儲(chǔ)集層確定后，煤儲(chǔ)層的變質(zhì)程度及構(gòu)造環(huán)境相對(duì)固定，煤層氣吸附的動(dòng)力便是儲(chǔ)集層的壓力。隨著儲(chǔ)集層壓力的增大，煤吸附的氣體數(shù)量也就越多，因此，注入壓力的臨界點(diǎn)確定至關(guān)重要。當(dāng)在超過(guò)CO2臨界壓力情況下注入氣體時(shí)，大量氣體在注入后會(huì)發(fā)生液化，無(wú)法起到置換作用，同時(shí)還會(huì)形成資源浪費(fèi)。

3.4 注氣模式影響分析

常見(jiàn)的CO2注氣模式有間斷式注氣和連續(xù)性注氣兩種模式，現(xiàn)場(chǎng)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?qū)崿F(xiàn)氣體的相互平衡，也就是能夠充分吸附飽和，進(jìn)而起到提高置換率的效果，較為常用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)從注CO2對(duì)煤層氣增產(chǎn)影響因素進(jìn)行了分析，重點(diǎn)從注入成分、注入體積、注入壓力等方面開展研究，對(duì)保障注入的CO2在煤層氣增產(chǎn)中起到良好效果提供了思路和借鑒，具有一定的價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬志宏，郭勇義. 注入二氧化碳及氮?dú)怛?qū)替煤層氣機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太原理工 大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，32（4）.

[2]高遠(yuǎn)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(xué)技術(shù)，2018，36（1）.