注气驱替提高煤层气采收率实验研究

注气驱替提高煤层气采收率实验研究

石强;陈军斌;黄海;熊鹏辉;邓好;王汉青

【摘要】通过进行单一组分N2、CO2以及不同比例混合气驱替的对比实验,探究不同气体、不同比例条件下的煤层气驱替规律.研究结果表明,N2随驱替压力升高,驱替效率先增后减,置换效率越来越差,驱替渗透率越来越低,但仍高于原始煤岩渗透率;CO2随驱替压力升高,驱替效率一直增加,置换效率变化不大,驱替渗透率先降后升,整体低于原始渗透率;混合气(CO2∶N2=1∶4)和混合气(CO2∶N2=1∶9)驱替规律接近于N2,混合气(CO2∶N2=1∶1)驱替规律接近于CO2;N2恒压驱替优于间歇驱替,CO2间歇驱替优于恒压驱替.

【期刊名称】《煤矿安全》

【年(卷),期】2018(049)005

【总页数】4页(P10-13)

【关键词】气驱煤层气;驱替效率;置换效率;渗透率;煤层气抽采

【作者】石强;陈军斌;黄海;熊鹏辉;邓好;王汉青

【作者单位】西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;陕西省煤层气开发利用有限公司,陕西西安710119;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065

【正文语种】中文

【中图分类】TD712

我国埋深2 000 m以浅煤层气地质资源量约36.81×1012m3，居世界第3 位[1]，但由于开发起步晚，煤层地质条件复杂，具有“三低一高”（低饱和度、低渗透性＜1×10-3μm2、低储层压力、高变质程度）的特点，国外众多开采技术引进到我国并不能达到预期效果，传统水力压裂开采效果也并不理想[2]。针对这一问题，

目前国内外开展了一系列实验研究，主要向煤岩注入非烃气体，驱替置换煤层气，此举已取得一系列重要成果[3-10]。研究表明，气驱煤层气主要利用其吸附作用和分压作用，煤对气体的吸附性CO2＞CH4＞N2，但驱替渗透率却与煤对气体的吸附性相反，因此，单纯考虑1种气体驱替置换开采煤层气并不能普遍适合我国低

渗透煤层，如何结合N2和CO2各自的优点因地制宜开采煤层气才是真正适合我

国煤层气开采的关键。

研究通过对填砂管中煤样进行注N2、CO2和3种不同比例混合气

（CO2∶N2=1∶1，CO2∶N2=1∶4，CO2∶N2=1∶9）以连续和间歇2种方式

驱替煤岩CH4实验，真实地模拟煤层气驱替开采过程，从驱替效率、驱替置换比

和驱替渗透率3方面综合分析研究，以期对现场提高煤层气采收率工艺技术提供

参考。

1 室内物理模拟

1.1 注气置换煤层气基本原理

煤对气体的吸附性 CO2＞CH4＞N2。CO2到达煤体表面时，吸附能大于CH4吸附能，与煤体表面结合的能力更强，可将CH4分子置换出它的吸附位，发生分子

置换[11]。N2进入煤层通过分压作用，达到新的压力平衡，促使CH4解吸，N2

也可使煤层渗透率变大，利于煤层气渗流到井口[12]。

1.2 实验样品准备

实验煤样取自彬长矿区，选取物性好的煤岩进行砸碎研磨，筛选出不同目数

（10～120目（120～1 700 μm））的煤粒按一定比例混匀，调节液压仪至30.0 MPa，把混合均匀的煤样压实到长1.00 m、直径0.04 m的填砂管中，测出填砂管中煤岩渗透率为2.5×10-3μm2。

1.3 驱替方式

N2、CO2和 3 种不同比例混合气（CO2∶N2=1∶1，CO2∶N2=1∶4，

CO2∶N2=1∶9）共 5 种气体采用连续注气（控制注气压力）和间歇注气（控制段塞量和间歇时间）2种不同注气驱替方式。

1.4 实验步骤：

1）设置恒温箱温度为33℃，整个实验在恒温中进行。

2）填砂管抽真空24 h。

3）填砂管中煤样通过中间容器饱和2.5 MPa CH4气体12 h，计算煤样中CH4体积。

4）注气驱替煤样中CH4气体，利用排水采气法收集气体，用潜水泵把气体压入气体采样袋中。

5）使用便携式气相色谱仪测量气体组分，计算驱替出CH4体积。

6）改变气体种类以及驱替方式，重复实验。

2 实验结果与分析

2.1 驱替效率实验结果与分析

首先，研究了5种气体连续恒压驱替效率（图1），N2、CO2和不同比例混合气连续恒压驱替时，随着驱替压力增加，N2驱替效率先增后减，3.5 MPa时驱替效率最高，因为当压力小时，N2流动速度慢，分压效果不好，当压力过大时，由于CH4吸附性大于N2，更多的CH4吸附在煤体表面，不利于CH4解吸；CO2随驱替压力增加，驱替效率一直增加，且增加明显，因为CO2吸附性强于CH4，压力越大，竞争吸附越明显，越有利于CH4解吸；3种混合气驱替效率居于N2和

CO2之间。

N2连续恒压驱替和间歇2 h驱替效率对比如图2。N2恒压驱替效率一直高于间

歇驱替，N2恒压驱替明显好于间歇驱替，原因是煤对CH4的吸附性强于N2，间歇驱替平衡后部分CH4又重新吸附到煤体上，而连续恒压驱替可以把解吸出的

CH4及时携载采出。

图1 不同气体恒压驱替压力-驱替效率对比图

图2 N2连续和间歇驱替压力-驱替效率对比图

N2和CO2驱替压力为4.5 MPa时恒压和间歇驱替效率对比如图3。N2间歇驱

替效率低于恒压驱替，CO2间歇驱替效率高于恒压驱替；同一压力下，N2间歇驱替效率整体低于CO2，且间歇时间越久，N2驱替效率越低，CO2驱替效率越高，因为吸附性CO2＞CH4＞N2，间歇时间越久，煤岩孔隙中气体竞争吸附越久，置换作用越明显。

图3 N2和CO24.5 MPa恒压和间歇驱替时间-驱替效率对比图

3种不同比例混合气2.5 MPa时恒压和间歇驱替效率如图4。混合气恒压驱替效

率低于间歇驱替；混合气间歇驱替时，随着间歇时间增加，3种混合气驱替效率小幅增加；混合气中N2含量越高，间歇驱替效率越低。混合气间歇驱替时，3种气体在煤基质和孔隙中同时发生竞争吸附作用，CO2强吸附性起到置换CH4的主要作用，导致同一种混合气体，间歇时间不同，驱替效率变化幅度不大；N2分压解吸起到置换CH4次要作用。

图4 不同比例混合气间歇驱替时间-驱替效率图

2.2 驱替置换比实验结果与分析

5种气体恒压驱替置换比如图5。置换比：CO2＜混合气（CO2∶N2=1∶1）＜

N2＜混合气（CO2∶N2=1∶4）＜混合气（CO2∶N2=1∶9），CO2驱替置换比最小，且压力对其置换比影响不大，混合气（CO2∶N2=1∶9）置换比最高，N2