深煤层井组CO2注入提高采收率关键参数模拟和试验

深煤层井组 CO2 注入提高采收率关键参数模拟和试验
(1. 中联煤层气有限责任公司,北京㊀ 100011;2. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验,江苏 徐州㊀ 221116)
叶建平1 ,张㊀ 兵1 ,韩学婷1 ,张春杰2
摘㊀ 要:深部煤层井组注入 CO2 开采煤层气技术主要通过 CO2 的强吸附效应, 能够置换出更多的 CH4 ,同时实现 CO2 的长期大量的埋藏㊂ 通过试验分析, 柿庄北地区 CO2 的吸附能力是 CH4 的 2 倍,随着解吸压力的降低,CH4 比 CO2 会更快的解吸, 能够有效的置换 CH4 ㊂ CO2 的注入引起煤储 层物性的变化,主要是由于 CO2 的吸附和解吸引起的基质膨胀与收缩效应造成渗透率的变化, 并 且呈现随着压力的降低先降低后迅速增加的变化规律㊂ 基于渗透率变化规律, 应用模拟软件建立 地质模型和数值模型,分析了 CO2 注入量㊁频率和注入方式对井组或单井的产量㊁采收率和 CO2 埋 藏量的影响㊂ 模拟结果认为注入量 10 ~ 15 t / d,连续注入 90 d,关井 90 d,反复实施 2 a 后,可以实 现采收率的提高㊂ 通过现场试验验证,该区 3 号煤层吸附 CO2 的能力在 8 t / d, 井组的埋藏潜力约 为 12 616 t㊂ 关键词:深煤层;采收率;二氧化碳;数值模拟;沁水盆地 中图分类号:P618． 11㊀ ㊀ ㊀ 文献标志码:A㊀ ㊀ ㊀ 文章编号:0253 -9993 ( 2016 ) 01 -0149 -07
YE Jian-ping1 ,ZHANG Bing1 ,HAN Xue-ting1 ,ZHANG Chun-jie2
Abstract:CO2 -ECBM technology in deep coal seam is that CO2 can replace more CH4 and be buried in a long-term because of its strong adsorption effect. Experimental analysis in northern Shizhuang shows that the CO2 adsorption capacity is two times of CH4 . With desorption pressure decrease,CH4 has higher desorption speed than CO2 so that it can be displaced effectively. CO2 injection causes the change of the physical property of coal reservoir,mainly refers to perdecreases at first and increases rapidly with the decrease of pressure. By applying the permeability change rule,the gemeability variation caused by matrix shrinkage and swelling during CO2 adsorption and desorption,and the permeability ological model and numerical model were established. The influences of CO2 injection quantity,frequency and injection mode on the yield,recovery ratio and CO2 burial of the well group or single well were analyzed. The simulation results show that the gas recovery increases after two years CO2 injection with the injection rules such as the injection rate of
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煤㊀ ㊀ 炭㊀ ㊀ 学㊀ ㊀ 报
2016 年第 41 卷
藏,但是开井后会有部分 CO2 随着 CH4 产出㊂ 为了 实现 CO2 的长期大量埋藏,2011 地柿庄北区块开展了深煤层井组 ( SX006 井组 ) 注入 CO2 的现场试验, 共由 11 口井组成, 注入井 3 口, 生 产井 8 口,目前累计注入 3 963 t CO2 , 少量井实现了 CO2 的突破,具体如图 1 所示㊂ 2015 年在沁水盆
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㊀ ㊀ 单位压降下解吸率越大, 说明解吸效果越好, 由
第1 期
叶建平等:深煤层井组 CO2 注入提高采收率关键参数模拟和试验
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Fig． 2㊀ Component variation of adsorption phase in CO2
(1 . China United Coalbed Methane Corporation,Ltd. ,Beijing㊀ 100011,China;2 . Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Process,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou㊀ 221116,China)
胡安盆地的 Allison 区块的注入项目是第 1 个 CO2 注
1㊀ CO2 注入后气体置换特征
显大于甲烷㊂ 注入混合气体后, 在解吸过程中,CO2 在 CO2 与 CH4 混合条件下,CO2 的吸附能力明
始到 2001 年 8 月, 注入大约 6 a 的时间, 共计注入
和 CH4 组分浓度变化均具有相同的变化规律, 即甲 CO2 和甲烷气体发生了置换作用, 将更多的 CH4 从 煤的表面解吸出来㊂ 对潞安矿高阶煤实验,CO2 的吸 附量是 CH4 吸附量的 1． 84 ~ 2． 63 倍,CO2 对 CH4 的 置换能力随着压力的增加而小幅度降低㊂ 压力对置 换效率没有明显的影响( 图 2) ㊂ 计算出解吸过程中单位压力下解吸量的大小,即单位 压降下的解吸率来比较置换的效果㊂ 单位压降下气 体解吸率的计算公式为 解吸率 = 初始吸附量 - 解吸后吸附量 ˑ 100% 解吸初始压力 - 解吸过程中的压力 为了更好地说明 CO2 对甲烷解吸的影响, 通过
Well group carbon dioxide injection for enhanced coalbed methane recovery and key parameter of the numerical simulation and application in deep coalbed methane
㊀ 第 41 卷第 1 期 ㊀ 2016 年 1月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
煤㊀ ㊀ 炭㊀ ㊀ 学㊀ ㊀ 报
Vol. 41㊀ No. 1㊀ Jan. ㊀ 2016㊀
13225 / j. cnki. jccs. 2015. 9033
叶建平,张㊀ 兵,韩学婷,等. 深煤层井组 CO2 注入提高采收率关键参数模拟和试验[ J] . 煤炭学报,2016,41(1) :149-155. doi:10. Ye Jianping,Zhang Bing,Han Xueting,et al. Well group carbon dioxide injection for enhanced coalbed methane recovery and key parame-
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10 -15 tons per day,continuous injection for 90 days,closing well for 90 days. Field test indicates that the CO2 adsorption capacity of No. 3 coal seam is 8 tons / day. The group well burial potential is about 12 616 t. Key words:deep coal seam;recovery;carbon dioxide;numerical simulation;Qinshui Basin ㊀ ㊀ CO2 的地质埋藏越来越引起人们的关注,它能够 有效的减少温室气体的排放㊂ 而煤层中埋藏 CO2 不 同于常规油气藏或者盐水层中的埋藏㊂ 煤层中埋藏 主要靠 CO2 强的吸附效应㊂ 常规煤层气的开采主要 通过排水降低煤储层内的压力,使得甲烷从煤的表面 解吸出来,通过扩散作用,甲烷扩散到大的裂隙中,随 水运移到井筒, 排出井口㊂ 常规的排采符合等温吸 附 Langmuir 曲线规律,当压力降低到一定程度, 煤层 中甲烷很难再解吸出来,单井的采收率很难提高㊂ 地提高煤层气的产量和采收率 [1] ㊂ 通过注入 CO2 或 者 N2 能够降低甲烷的分压, 避免储层在较低的压力 下渗透率迅速降低 [2] ㊂ 混合气体中的 N2 最能够降 低 CH4 的分压,因为它的吸附能力比甲烷弱, 它更多 的存在于孔隙当中㊂ 而 CO2 的分压作用较小, 但是 CO2 的吸附能力比甲烷要强很多,它能够有效的让甲 烷解吸出来 [3] ㊂ 倍,因此注入 CO2 提高煤层气井的产量, 同时能够实 现 CO2 在深部非开采煤层中的埋藏 [4] ㊂ 了煤层中注入 CO2 开采煤层气的现场试验㊂ 美国圣 入开采煤层气的现场试验 [5] ㊂ 圣胡安盆地是美国煤 层气开发比较成熟的地区,这个注入项目有 9 口生产 井和 4 口注入井, 总占地 1． 3 km2 , 从 1995 年 4 月开 263 000 t 的 CO2 ,最终有很少的 CO2 产出㊂ 在注入的 过程中,一个突出的问题就是 CO2 注入到深部非开 采煤层中,基质膨胀引起的渗透率的迅速降低, 使注 入效率低下㊂ 开采煤层气的现场试验㊂ 试验从浅部煤层单井吞吐 开始,2004 年在沁水盆地南部的 TL -003 井成功的实 施了 CO2 注入试验㊂ 共计注入 CO2 190 t, 经过 4 个 月的生产,产量达到原来日产量的 2 倍
10. 13225 / j. cnki. jccs. 2015. 9033
ter of the numerical simulation and application in deep coalbed methane[ J] . Journal of China Coal Society,2016,41(1) :149 -155. doi:
单井吞吐虽然可以实现产量的提高和 CO2 的埋
早在 20 世纪 90 年代就认为注入 CO2 能够有效
通过实验认为,CO2 的吸附能力是甲烷的 2 ~ 10
目前, 美国㊁ 加拿大㊁ 中国㊁ 波兰和日本已经开展
图 1㊀ 沁水盆地柿庄北区块 SX-006 试验井组井位分布 Fig． 1㊀ Distribution of SX-006 pilot wells in North Shizhuang Block
收稿日期:2015 - 10 - 10㊀ ㊀ 修回日期:2015 - 11 - 28㊀ ㊀ 责任编辑:韩晋平 ㊀ ㊀ 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05042-003) ㊀ ㊀ 作者简介:叶建平(1962 ) ,男,浙江宁海人,教授级高级工程师,博士㊂ E-mail:yejp01@ 163. com
烷含量下降,CO2 含量上升, 这说明在解吸过程中,
中联公司在沁水盆地已经开展了 3 次 CO2 注入
CO2 的长期埋藏,2009 年又开展了深部煤层的单井 230 t,最终试验有效地实现了单井产量的提高和 CO2 的埋藏 [7-8] ㊂ 吞吐试验,深部煤层渗透率明显降低, 注入 CO2 共计
㊂ 为了实现