注CO2煤层气采收率技术

注CO2煤层气采收率技术

[摘要]：中国煤层气总资源量约为36.8x10 12m3，埋深2 000 m

以浅的煤层气资源潜力巨大。研究表明，向煤层中注入co2提高煤

层气采收率技术具有巨大潜力，能够实现中国2 000 m以浅煤层气

产量增产3.751×1012 m3。

[关键词]：煤层气竞争吸附吸附膨胀渗透率压裂

中图分类号：o552.2 文献标识码：o 文章编号：1009-914x（2012）32- 0337-01

一、前言

煤层气是煤层中所生成的以甲烷为主（甲烷含量一般为90%-

99%）的天然气，也是人们常叫的瓦斯气。煤层气抽排最初是以防

害为目的进行的，而将煤层气作为一种资源进行大规模开发利用则

始于美国。

我国煤层气总资源量约为36.8x10 12m3。由于我国的天然气缺

口将长期存在，据预测，到2015年天然气产量加上天然气的进口

量，与需求相比缺口达500x

108m3，左右。煤层气是补充这个缺口的重要非常规气源。中国

2008年煤层气产量50x108m3，纯煤层气产量5x108m3。目前，纯煤

层气开发生产能力约20x108m3，按“十一五”计划，2010年煤层

气产量达到100x108m3，煤层气利用量80x108m3，2020年产量达到

400x108m3。2009年4月，中国政府又确定新的目标，大力发展安

全、环保的煤层气作为煤的替代品。

研究证明，向煤层中注入co2可以提高煤层甲烷气的采收率，甲烷气产出的同时co2被永久埋存在煤层中，这一技术叫做注入co2提高煤层气采收率技术。作为提高煤层气采收率的一个手段，该技术已经成为煤层气领域的研究热点之一。据估算，若采用这一技术，我国2 000 米以浅煤层强化注人co2所提高的煤层气产量为3.751×108 m3。由此可见，煤层埋存co2的同时提高煤层气产量的潜力巨大。

二、煤层气co2增产技术

尽管应用水力压裂工艺技术对煤层进行强化改造，取得了一定的效果，但是由于煤层的特殊物理性质，部分实施的常规的水力压裂技术增产效果不理想，因此.寻找更有效的煤层强化增产技术显得十分重要。经过近几年的探索和研究，认为利用co2泡沫压裂工艺技术和co2吞吐工艺技术可以有效地改善煤层的原始结构，提高煤层的有效渗透率，促进ch4的解吸。增加煤层气井的产能。提高煤层气开发的经济和社会效益。20世纪90年代，斯伦贝谢公司将co2泡沫压裂工艺技术成功地应用于煤层改造，使一批低产煤层气井的产量得到大幅度的提高，给煤层气的开发提供了强有力的支持。

三、煤层气储层对c02和甲烷吸附差异性

煤体吸附气体能力差异主要受控于温度、气体运动的剧烈程度。在相同条件下，甲烷气体比co2气体运动更剧烈导致co2：气体更容易被吸附。

四、c02增能压裂增产机理

co2增能压裂增产主要表现在以下几个方面：

1）减少煤层伤害。co2增能压裂中，co2作为压裂液进入煤储层。这时，co2溶解于水，并与水反应生成弱酸性的碳酸（co2

+h20=h2co2 ），该反应可以降低压裂液的ph值，有效防止了煤层中粘土矿物的膨胀，大大减少了压裂液对地层的伤害，进而提高煤储层的渗透性。

2）增加煤储层能量。co2体积膨胀系数是1：517，注入的co2，液体转化为气体后膨胀的气体可以使煤储层的能量增加，有利于压裂后压裂液的返排，缩短了压裂液与煤储层的接触时间，减少了压裂液对煤储层的伤害；同时，煤储层能量的增加有利于气体的产出，尤其对一些压力低的煤储层，效果更显著。

3）降低压裂液的滤失。co2增能流体滤失系数低，这是由泡沫的气相和液相之间的界面张力造成的。当泡沫流体进入微细孔隙时，需要有较大的能量以克服表面张力和气泡的变形。伴注co2增能从某种程度上弥补了活性水压裂液粘度低、携砂能力差的缺点，使支撑剂携带更远，进而提高煤储层的裂隙导流能力。

4）竞争吸附促进甲烷解吸。相同条件下，煤层对co2的吸附能力大于甲烷气体。伴注co2增能，当co2气化以后，co2与甲烷开始进行竞争吸附，在竞争过程中co2逐渐被吸附，在表面积一定条件下，就会对应有甲烷解吸，随解吸过程的进行，co2的分压逐渐降低，直到达到动态平衡，甲烷和co2在煤体上的吸附量才达到稳

定。与普通压裂相比，这就在一定程度上促进了甲烷的解吸。

五、吸附膨胀

煤对气体的吸附分为两种：一种是表面吸附，即气体以分子状态吸附在煤基质和孔隙表面，称为吸附（adsorption）；另一种是气体分子进入煤基质内部，称为吸收（absorption）。

六、co2吞吐工艺技术的可行性

co2在低于临界温度和高于临界压力条件下，能够以液体的状态用专用的泵注入煤层。泵注的排量、压力、流体温度在一定范围内可调。进入煤层的co2可能是纯液体，也可能有一部分溶于地层水中。随着泵注量的不断增加，co2将沿煤层的孔隙和裂隙进入到煤层的深部。由于co2溶于水形成的水溶液呈弱酸性，且具有较低的表面张力和界面张力。所以它具有一定的溶蚀能力.可以解除部分矿物质的堵塞，有效防止粘土矿物的膨胀和运移，能改善和提高煤层的渗透率。

七、需要解决的问题

经过多年的发展，在注入co2提高煤层气采收率这一领域，我们已经在其控制因素和置换机理上取得了一些新的认识，现场测试结果也证明了这一技术的可行性。但是，我们必须清醒的认识到尚有一些关于基础理论的问题亟待解决。

1）多元气体在煤中的竞争吸附与煤体结构和组分之间的关系有待进一步了解。研究发现，煤内部复杂的物质组分和化学结构对竞争性吸附有很大影响。目前，运用统计热力学和量子化学的理论和

方法，虽然已经对co2和ch4在煤表面的竞争性吸附机制进行了研究，但是这些研究几乎全部集中在煤的吸附势和分子结构上，却很少深入研究二者之问的关系，弄清这一关系将有助于我们进一步理解多元气体的竞争吸附。

2）注入co2之后煤体将发生吸附膨胀，而膨胀将引起煤储层渗透率的减小，这一点对co2的继续注入和煤层气的开采影响巨大。但是co2的注入量、注入压力、注入制度、煤变质程度和区域地质等诸多因素究竟如何影响煤层膨胀量，目前还没有一个普遍适用的结论。

3）煤层气开发目前在我国更多的是规划“先采气，后采煤”，用注co2提高煤层气采收率技术会使煤层产生吸附膨胀，从而引起其力学性质诸如抗压强度和杨氏模量发生不同程度的变化。那么这些变化将会不会对煤矿后期采煤作业方式和安全产生影响？产生多大程度的影响？这个问题尚不得而知。

八、结论

煤层气垂直井co2增能压裂可以通过向地层注入co2增加地层能量，通过竞争吸附可以促进煤层气的解吸，同时能一定程度上提高储层导流能力。对储层能量低、吨煤含气量低、煤层气解吸压力低的煤层气井具有较好的增产效果。

参考文献：

1、吴建光，叶建平，唐书恒.注入co2提高煤层气产能的可行性研究[j].高校地质学报，2004，10（3）：463—467