二氧化碳与烟道气按比例混合注入提高煤层气采收率的方法探讨

韩继雷，郑宗学，赵志民

二氧化碳与烟道气按比例混合注入提高煤层气采收率的方法探讨

韩继雷1，郑宗学1，赵志民2

（1.山东黄金集团国际矿业开发有限公司，济南 250101；2.山东省地矿工程勘察院，济南 250014）

煤层气在煤层中的主要有三种赋存状态，当煤层中储存条件发生变化时，煤层气可以在三态之间相互转换。本文通过研究将不同组分含量气体注入同等条件下的煤层中时，煤层气含量的变化曲线得出最有利于提高煤层气产量的气体组分配比，然后通过研究普通烟道气所含各组分气体含量，从而计算得出将二氧化碳（CO2）与烟道气按最佳比例混合后，达到最优配比后注入煤层中，达到既可提高煤层气采收率，又可将废弃气体及CO2埋藏在地下的双重目的。

赋存状态；Langmuir 等温吸附模型；煤层气采收率

1 研究背景

煤层气作为一种非常规天然气，其成分主要为甲烷（CH4），产生于煤层中，并且大部分以吸附状态赋存其中（刘洪林等，2007）。烟道气则是由煤炭、石油等矿产能源燃烧后产生的废弃气体。在煤矿生产中，煤层气是威胁到煤矿安全生产的灾害性气体，但同时，在日常生活中它也是一种可替代天然气的清洁能源。而烟道气作为煤炭、石油等矿产能源燃烧后的废弃气体，如果利用其提高煤层气的采收率的同时，通过充注CO2到煤层中，也可以达到封存CO2的目的（郝定溢等，2016）。既能充分利用洁净能源，保护大气环境，也能改善煤矿安全生产条件。

煤层气增产技术无论在国内还是在国外都是急需解决的关键技术，基于煤层气的生成、储集及运移机理，笔者认为有效提高煤层气采收率可从两方面入手：一是加强对于高阶煤中煤层气的产气机理及产气规律研究，依据其影响因素和制约机制，对应采取措施提高其采收率；二是采收生产过程中，可将日常生产过程中的废弃烟道气经特殊处理后注入煤层中，根据CH4、CO2、N2及其他气体在煤层中的吸附-运移机理不同，达到煤层气增产的目的。

2 煤层气的赋存及解吸机理

2.1 煤层气的赋存机理

煤层气的赋存状主要有三种：吸附态、游离态及溶解态（魏韦，2010）。

在煤层中，大部分甲烷气体以吸附态吸附于煤内表面，少量甲烷气体呈自由态存在于煤层间隙及割理中。吸附过程直接受到压力、温度和煤阶的影响。当埋深增加时，煤层内压力及煤变质程度增加，煤层对甲烷气体的吸附能力也随之上升。 因此，埋深较大的煤层与同煤阶的埋深较浅煤层相比一般会储存更多的甲烷气体（王立辉，2020）。

在煤层的整个煤化过程中，煤层厚度与煤层气含气量成正相关关系（卜范青等，2019），从其中生成的甲烷气量远超过煤层本身对气藏的储存能力，未吸附在煤岩表面的气体则进入煤岩周围的地下水中呈溶解态，当水中溶解的甲烷气量达到饱和时，剩余甲烷气体则会呈游离态进入到煤岩裂隙及割理中，并通过这些通道进入到围岩中。

因此，上述煤层气三种相态存在于煤层及其围岩中。在温度、压力及气体浓度稳定的情况下，此三种状态处于动态平衡之中。

2.2 煤层气的解吸机理

由于煤层气的三种赋存状态处于动态平衡当中，所以当赋存条件发生变化时，三种状态会互相转换。比如，当煤层内气体，在温度不变，而压力降低时，原有的动态平衡会被打破，在煤基质表面吸附的煤层气会解吸出来，向割理、微裂隙中运移，逐步聚集呈游离态。因此总体上来说，煤层气在煤层中的等温解吸与其等温吸附机理基本相同的，符合Langmuir等温吸附模型。因此，我们可以根据煤的Langmuir等温吸附曲线来预测临界解吸压力，估算在生产过程中随煤层中压力的变化的煤层气产量。

3 烟道气驱提高煤层气采收率技术

烟道气是煤炭、石油等有机物在完全燃烧后生成的产物，通过奥氏气体分析仪，采用气体吸收法测定烟道气（张圣麟等，2008），可知其主要组分有N2、CO2、O2和水。据世界自然基金会中国气候变化与能源项目的一项研究报告显示，中国电力行业燃烧几乎90%来自煤炭，如此大量地燃烧煤炭排放废弃烟道气势必造成严重的大气污染，加重全球温室效应。同时，研究表明（马涛等，2007），煤层对多元混合气体与单组分气体的吸附存在明显差别，但其等温吸附曲线都符合Langmuir方程，多元气体的吸附量介于强吸附质与弱吸附质之间，通过竞争吸附作用（周来诚，2015），将吸附性强吸附质（CO2）与弱吸附质（N2）按一定比例混合注入煤层中，将吸附态的CH4气体驱替出来，同时将CO2贮存在煤体中。

3.1 理论机理

根据实验测定（李增学等，2003），烟道气的主要成分为N2（约占80%）、CO2加CO（约15%）、O2及其他杂质（约占5%）。利用CO2混注烟道气来提高煤层气采收率，主要是利用煤层对各类气体的吸附性质不同，来探讨通过调节充注到煤层中的烟道气内各气体组分比例及充注到煤层中的气体压力，来达到最佳的解吸煤层气效果，提高煤层气采收率。

3.2 各气体组分在煤层中的吸附—运移机理

对于煤层对各类气体的吸附性质研究，前人采用了HCA型高压容量法吸附实验装置来模拟测量煤层对CH4、CO2、N2及其多元气体的吸附效果（周军平，2011），其装置示意图如图1所示，其实验结果如下：

图1 HCA型高压容量吸附系统示意图

（1）CO2/CH4二元气体吸附结果。从图2可以看出，在恒定温度条件下，当将不同配比的CH4和CO2混合注入后，煤样对此类混合气体的吸附量介于纯CO2与CH4之间。由等温吸附量曲线可以看出当混合气体中CO2百分含量增加时，煤样的总吸附量随之增加，同时也说明煤样对CO2的吸附能力大于CH4。

（2）CH4/N2二元气体吸附结果。从图3可以看出，在恒定温度条件下，当将不同配比的CH4和N2混合注入后，煤样对此类混合气体的吸附量介于纯N2与纯CH4之间。由等温吸附曲线可以看出，混合气体中的N2含量越高，煤样的总吸附量越高，同时也说明煤样对N2的吸附能力大于氮气。

（3）CO2/CH4/N2三元气体吸附实验结果。从图4可以看出，在恒定温度条件下，当将三种气体混合注入煤样后，煤样对混合气体中的CO2吸附量最多，其次是CH4，最少的是N2。同时从等温吸附曲线也可以看出，在该实验条件下煤样对CO2的吸附能力是随着混合气体压力增大而增多，压力较低时吸附量增加趋势极为明显，当压力增加到一定程度时增加趋势变缓；而煤样对CH4和N2的吸附量则先随实验压力增大先增大，达到峰值后降低。说明随实验压力的增大，煤样对不同气体的吸附能力差异较大，当压力增大到一定程度时，会出现煤样对气体的选择性吸附。因此，可以通过混合注入CO2来调节烟道气中的N2及CO2的比值，同时调整气体压力，达到最佳配比后注入煤层中，将煤层中吸附状态的CH4解吸出来，达到提高煤层气开采率的目的。

图2 不同组分配比CO2/CH4气体等温吸附曲线

图3 不同组分配比CH4/N2二元气体等温吸附曲线

3.3 煤岩吸附混合气体后对渗透率的影响

已有研究表明（Karacan CO，2007），煤岩吸附CO2、CH4、N2会产生差异性膨胀应变，这种差异性膨胀必然会改变煤岩孔隙率，从而改变煤岩渗透特性（梁卫国等，2014）。通过研究吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响（方志明，2009），由图5可以看出当煤层中孔隙压力增大时，三种气体的渗透系数都会降低，其中以CO2最为明显，呈陡坡状；其次是CH4；影响最小的为N2。说明当煤层中注入CO2时，会导致渗透系数明显降低，影响煤层中气体的解吸及吸附运移，而在CO2中混入N2则会可以增加渗透系数，达到增渗的作用（王立国，2013）。

图4 CO2/CH4/N2三元气体等温吸附曲线

3.4 混注烟道气驱替煤层气方法

综合上文及前人研究发现，当将烟道气中的N2、CO2注入煤层以后，在煤层中压力达到一定数值后，CO2可以有效置换出煤层中吸附的甲烷气体，使煤层气由吸附态转变为游离态，同时由于N2的作用，使煤层渗透率提高，及其有利于游离态的煤层气向上运移扩散，从而达到提高煤层气采收率的目的。综合前文实验数据中煤层对不同比例CO2的吸附量曲线及各气体对渗透系数的影响，本文初步认为，将烟道气进行除尘去硫等处理以后注入CO2（图6），将混合气体的比例调整为CO2含量80%，N2含量20%后，充注到煤层中，可以充分驱替其中的CH4达到采收增产的目的，又可以将大量CO2贮存在地下煤层中。

1.烟道气发生装置；2.带有自动断路的氧和易燃物分析记录仪；3.除尘装置；4.催化处理装置（降低02、CO含量至小于2mg/L)；5.冷却塔；6.二氧化碳；7.二级压缩机组；8.干燥装置；9.三级压缩装置

4 总结

通过对煤层气赋存状态及解吸机理的研究，可以看出CH4在煤层中是处于动态平衡状态中的，当储存条件发生变化时可以使CH4在吸附态与游离态之间互相转换。而通过研究煤层对不同气体的吸附量及渗透系数研究发现，煤层对CO2的吸附量最大，可以有效驱替出煤层中的煤层气，但当CO2注入量较大时，会导致渗透系数大幅度降低，而N2的注入则可以有效达到增渗的目的，这样就可以在保证渗透系数不会降低太多的前提下，将更多的CO2储存在煤层中，将煤层中的CH4驱替出来。

因此，本文初步认为可以充分利用工业产生的烟道气，通过净化处理后注入CO2，调整混合气体中气体组分比例至CO2为80%，N2为20%，充注至煤层中，达到提高煤层气采收率的前提下，充分利用废弃气体减少温室气体排放的目的。

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A Discussion on the Method of Improving Recovery Ratio of Coalbed Methane (CBM) by Proportional Mixed Injection of CO2and Flue Gas

HAN Ji-lei1ZHENG Zong-xue1ZHAO Zhi-min2

(1-Shandong Gold Group International Mining Development Co. , Ltd., Jinan 250101; 2- Shandong Institute of Geological and Mineral Engineering Investigation, Jinan 250014)

There are three main occurrence states of CBM in coal seams. When the storage conditions change, CBM can transform among the three states. This paper has a discussion on the change curve of CBM content when gases with different component contents are injected into coal seams under the same conditions from which the best method for increasing CBM production is obtained. Then, the best ratio of CO2/ flue gas in mixing by the gas content of each component contained in ordinary flue gas and the mixture with the best ratio is injected into coal seams Which can not only improve the recovery of CBM, but also bury waste gas and CO2underground.

occurrence state; langmuir isothermal adsorption model; CBM recovery ratio

P618.11

A

1006-0995（2022）02-0317-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.026

2021-06-19

韩继雷（1989— ），男，山东济南人，地质工程师，主要研究方向：煤层气地质，矿产地质勘查