注热CO2在煤层气增产中的技术研究

崔静博

摘要：我们知道，煤层作为储集层是具有复杂双孔隙结构的储集空间，既可以储存煤层气，也可以提供煤层气运移通道。我国煤层气的开采主要方式为排水降压，在这一工艺中，如果储集层压力下降，会让储层中的流体失去在井筒中的流动能力。随着储集层中水饱和度的增加，大量产生的水会严重延迟甲烷产生的时间，这时，在煤层中注入CO2可以有效实现煤层气的增产。在煤层中注入热的CO2进行增产的主要原理是借助甲烷解吸和提高甲烷的扩散速度。许多的研究结果表明，在煤层中注入的热CO2中绝大部分都能够吸附在煤层中，起到提高煤层气采收率的效果。目前这种注热CO2对煤层气增产的技术还不够成熟，同时费用较高，仅仅在一些地方开展了先导性试验，离大规模商业化应用还有一定差距。这种煤层气增产技术需要借助大量的实验，全面研究煤层气增产效果和注入CO2的体积、注入CO2的压力、温度之间的关联性，同时进行相应的数值模拟，以明确煤层气增产效果和注CO2的参数之间的关系，最终确定最优化的注热CO2的挤注方案，最大限度的进行煤层气增产。

关键词：煤层气;热CO2;增产

1 前言

煤层气作为优质清洁能源，具有较大的储量，根据相关资料，我国浅层（深度不超过2000m）的煤层气地质储量达到37×1012m3，虽然储量巨大，但是受各种条件的限制，煤层气开采效率需要进一步提升。如何在安全、环保及有效利用能源的方面提高煤层气开采效率，实现煤层气的增产对加速我国煤层气的清洁化生产具有重要作用。当前，煤层气有效开采的手段以储层压裂和注气驱替为主。通过压裂能够对储层进行改造，有效提高煤层的渗透率，但是后期煤层气井单井产量难以保证。注气增产已经成为提高煤层气单井产量的重要手段，在注CO2增产方面，国内外已经开展了效果良好的先导性试验，证明了注热CO2增加煤层气产量的可行性[1]。但是，从整体来看，注CO2尤其是注热CO2增加煤层气产量的机理认识和实践效果还有待进一步深化。

2 注热CO2提高煤层气产量机理研究

根据煤层气形成机理，煤在生成和演化过程中会伴随大量气体的产生，一部分气体赋存于煤层中便形成了煤层气。前面提到，煤层是一种具有复杂双孔隙结构的储集层，双孔隙结构指的是原生孔隙系统与次生孔隙系统及自然裂缝系统。原生孔隙系统是煤层气储存的主要储集空间，对煤层的储集能力起着关键性作用。次生孔隙和自然裂缝系统的主要功能是为煤层气的运移提供有效的运移通道，起到控制煤层渗透率的作用。原生孔隙系统一般情况下渗透率都比较低，煤层气在煤层骨架中通过解吸附作用实现扩散和运移，运移速度取决于浓度差。次生孔隙和自然裂缝系统的渗流能力遵循达西流定理，并且和渗透率及压力梯度具有紧密关联性。根据煤层气的运移和吸附解吸特征可以看出，提高煤层气产量的有效手段为排水降压，但是煤层气采收率仍有待提升。在煤层气排采时，随着储层压力的下降，井筒中流体流动能力下降甚至失去流动能力。当储集层中的水达到饱和状态时，水的大量存在导致甲烷产出时间显著延迟，通过向煤层中注入热的CO2可以有效提高煤层气的采收率，起到增加煤层气产量的效果。从理论上讲，在煤层气中注入热CO2提高采收率的原理是加快甲烷解吸和扩散，主要机理包括：在煤层气注入热CO2后，使得煤层中总的割理压力增加，这样就在局部位置降低了割理中甲烷的分压数值，使得解吸速度及扩散速度增加。注入CO2后，独特的CO2分子结构特征使得CO2分子对煤基质的吸附作用大于甲烷分子，二者对煤基质的吸附存在竞争，通过竞争完成吸附置换，这样就能使得甲烷从煤基质中解吸出来。

3 注热CO2在煤层气增产中的影响因素分析

影响注热CO2在煤层气增产中的因素较多，可以概况为内部因素和外部因素，前者包括煤的结构特征、煤层的渗透性、煤对甲烷及CO2吸附特征差异等，这些因素都取决于煤自身属性及特征。后者是能够人为进行控制的因素，属于工程因素[2]。

3.1 气组分影响分析

不同煤阶对不同气组分的吸附能力有差异，随着气组分的比例不同，煤阶的吸附能力及平衡压力不是简单的倍数关系。甲烷与CO2其他混合后在煤上的吸附特征研究结果可以看出，当压力一定时，煤对混合气体的吸附能力在单独的甲烷与CO2吸附能力之间，在混合气体中，煤对两种气体的吸附能力也有不同的特点：煤首先吸附CO2，压力越高，对CO2的吸附能力越强，对甲烷的吸附能力越低。随着CO2含量的增加，吸附曲线越靠近CO2曲线方向。如果注入的混合气体中有氮气，会降低开采能力。这是由于氮气的吸附能力低于甲烷的吸附能力，容易发生解吸，会对气体置换效果产生影响。加上氮气在煤层中不能长期存在，注入的氮气会有一部分被开采出来，进而在影响开采效果的同时还会增加采气成本。

3.2 注入量影响分析

如果CO2注入体积较少，由于注入气体的分压下降，会造成气体吸附能力的下降，这种情况下，气体会先解吸出来，无法实现置换目的。如果注入的其他体积过多，还会增加煤层气开采成本和费用。因此，在确定气体注入体积时，需要从煤层特征出发，综合各种因素确定注入气体的体积和数量。

3.3 注入压力点影响分析

当储集层确定后，煤储层的变质程度及构造环境相对固定，煤层气吸附的动力便是储集层的压力。随着储集层压力的增大，煤吸附的气体数量也就越多，因此，注入压力的临界点确定至关重要。当在超过CO2临界压力情况下注入气体时，大量气体在注入后会发生液化，无法起到置换作用，同时还会形成资源浪费。

3.4 注气模式影响分析

常见的CO2注气模式有间断式注气和连续性注气两种模式，现场最为常用的注气模式为间断式注气模式。这是由于这种注气模式能够让注入煤层中的气体有效注入到煤层中并能够实现气体的相互平衡，也就是能够充分吸附饱和，进而起到提高置换率的效果，较为常用。

4 结束语

本文重点从注CO2对煤层气增产影响因素进行了分析，重点从注入成分、注入体积、注入压力等方面开展研究，对保障注入的CO2在煤层气增产中起到良好效果提供了思路和借鉴，具有一定的价值和意义。

参考文献：

[1]马志宏，郭勇义. 注入二氧化碳及氮气驱替煤层气机理的实验研究[J]. 太原理工 大学学报，2018，32（4）.

[2]高远文，刘大锰等. 阜新煤田注二氧化碳提高煤層甲烷的研究[J]. 煤炭科学技术，2018，36（1）.