煤层气地质与勘探开发

1、日本夕张煤田注二氧化碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究摘要：采用间歇式注入方式向夕张煤田的目的煤层注入CO2提高煤层气采收率试验。并进行了可行性评价。从2004年5月开始开展了一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验。随着CO2的注入，产气率有明显的提高，但是产水率没有收到明显的影响。实验测试表明：向饱含水的煤层中注入CO2，伴随着CO2量的减低，水饱和度增加。因为煤基质的膨胀使得煤的渗透率下降，CO2的注入量减少。关键词：CO2-ECBM 夕张煤田 CO2注入与封存 一、前言在全球能源需求持续增长以及全球气候变暖已经双重压力下 促使煤层封存技术CO2-E

2、CBM得到迅猛发展 该项技术将CO2从集中源、火电厂以及水泥厂等分离后通过管道输送后将其注入不可采煤层，利用煤对CO2以及CH4吸附能力的差异性将CO4从煤层中驱替出来，在封存CO2的同时能够提高煤层气的采收率从而降低CO2地下封存的成本。 1、注气提高煤层气产能的基本原理不同气体分子与煤之间作用力的差异，导致煤对不同气体组分的吸附能力有所不同。这种作用力与相同压力下各种吸附质的沸点有关，沸点越高，被吸附的能力越强，从CO2、CH4到N2，其被吸附能力依次降低(表1)。煤分子与气体分子之间的作用力包括德拜诱导力和London色散力，由此形成吸引势，即吸附势阱深度Ea。吸附势阱深度与煤层中气体分

3、子的极化率和电离势有关，极化率和电离势越大，诱导力和色散力越大，势阱越深。CO2、CH4和N2的极化率和电离势依次降低，吸附势阱也依次降低。煤对CO2和N2的吸附能力不同，导致它们各自置换甲烷的能力也有所不同。CO2被注入煤层之后，就会与煤基质微孔中的CH4发生竞争吸附，从而将原吸附在煤层中的甲烷置换出来。对于N2只能在等压状态下通过降低游离甲烷的分压来影响其吸附等温线，促使吸附甲烷被置换出来。相比之下，CO2置换煤中甲烷的能力要优于N2。表1 N2、CH4、CO2的吸附能力与其物理化学参数的关系物理化学参数N2CH4CO2沸点/-195.81-161.49-78.48临界温度/-147.0-

4、82.0131.04临界压力/MPa3.3984.7.386临界密度/（kgm-1）314426466电离势/eV13.013.7915.6有效直径/nm0.3740.4140.456三种气体在同等条件下的吸附量之比接近4:2:1（图1）。由于CO2吸附能力大于CH4，当将CO2注入到煤层中，CO2也将置换出煤层内的吸附CH4，迫使CH4吸附相的相对浓度逐渐降低，CO2在吸附相的相对浓度逐渐增高，从而达到既在煤层内储藏CO2，又提高CH4采收率的效果。图1 不同气体在煤岩介质中的吸附曲线二、JCOP项目简介2002年，日本能源中心负责实施了CO2在煤层中地质埋藏项目（JCOP:JAPAN CO

5、2 Geosequestration in Coal Seams Project），开展了一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验，确定日本北海道石狩湾含煤盆地夕张煤田注IW-1井为微型先到性试验的第一口井位。IW-1井试验目的层是有效厚度最大的位于底层的煤层，目的层深度为890m-895m，厚度为5.55m，渗透率为1.0um2，储层压力为10.216Kpa，2004年秋，在IW-1井196m的地面距离处钻了一口生产井PW-1（图2）。PW-1井在420m处开始倾斜钻入以更加接近IW-1井，从而保证尽量少的CO2发生突破。在目的层中两口井的水平距离为67m

6、。图2 现场井位设计图三、现场试验CO2-ECBM 微型先导性试验的工艺技术包括微型先导性试验设计、CO2注入技术和数据采集和分析技术等，从2003年11月开始进行一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验.1、2004年单井微型先导试验2004年7月8，进行了第一次CO2的注入，因为没有进行封隔器封隔，最终在井口发生渗漏，注入的CO2被释放到大气中。与2004年7月22进行第二次CO2的注入试验，并进行井底封隔。套管-油管之间的环状区域被水充填。虽然进行了井底封隔，还是可能发生小部分的泄漏，尽管总的CO2的注入量为7.5吨，但是，只有2-3吨的CO2被注入到

7、煤层中.对比2004年单井微型试验生产过程中气、水产量及气体组分(图3)可以看出，排采开始时存在一个短暂的产气高峰（即第一产气高峰），产气量达到最高值130t/d，之后产气量开始迅速下降，这主要是因为煤储层含气饱和度较高，排水降压不久煤储层中的游离气以及井筒周围高渗带上气体解吸并快速产出，于是伴随着第一产期高峰的出现；然而，另一方面，煤储层存在解吸扩散的滞后效应，井筒附近的气体快速产出后，短时间内缺乏大量解吸气体的供应，所以气产量迅速下降。从气体浓度变化曲线可以看出，开始时CO2浓度较高，之后CO2浓度缓慢降低，CH4浓度开始时相对较低，之后CH4浓度缓慢增高。气体浓度的变化状况反映了这两种气

8、体的吸附解吸特性。由于CO2吸附能力大于CH4，CO2不断降低，CH4浓度不断升高。同时也证明在煤基质中存在置换/竞争吸附机制。另外，通过对比气、水产量两条曲线，煤层气井的产水量在注气增产过程中存在着2个产水高峰时期，第2个产水高峰后，产水量呈逐渐下降的趋势，第2产水高峰对应产气量最小值。图3 注入量、含气量及产水量曲线2、2004年多井微型先导试验自2004年11月份开始进行了多井微型先导试验，既从IW-1井进行CO2的注入，PW-1进行煤层气的生产。在注入CO2之前，利用不发生煤基质膨胀的仿真模型来模拟CO2注入过程，来预测每天CO2允许注入量，模拟实验结果显示每天可向煤层中注入的CO2量

9、为为15.5 -25.3 t。然而，在向实际煤层中注入CO2过程中，实际的CO2的注入速率最大也只能达到2.9t/d，造成低的CO2速率可能有两方面的原因，一是在筒附近因流线发生改变的流动限制而存在正表皮系数，二是因为吸附CO2引起煤基质的膨胀，最终引起煤储层渗透率减低，注入量也随之减少。此次多井试验的试验技术流程如下：(1)预生产阶段：关闭注入井IW-1，对煤层进行单层排采。预生产阶段共30 d。(2)第一次压力恢复试验阶段：关闭注入井IW-1和生产井PW-1，对关井期的井底压力和温度数据进行了分析和评价，计算了储层压力和渗透率。历时9d。(3)注CO2 及阶段：采用间歇式注入方式，每日向煤

10、层注入液态CO2 为2.3t。一般需要 8 10 h。注入完成后，关井使其压力恢复。连续进行了4d，CO2 注入压力低于煤层破裂压力。(4)注CO2及生产试验阶段：注入井注入CO2的同时，生产井开始进行生产。确定井的生产能力、井底压力和温度的变化以及气体组成。历时12d。(5)纯生产试验阶段：共5d。 图4 2005年注入量、产气量及掺水量曲线绘制出了试验过程中的CO2注入量的变化及生产量的变化曲线图（图4）。在未注入CO2预生产阶段，因为原始储层被水饱和，产水不久后就开始产气，经过短暂的产气高峰后产气量迅速减少，由最大值300m3/d迅速下降到50m3/d。从11月13号开始注入CO2焖井过

11、后的生产试验阶段，从产期曲线可以看出，随着CO2的注入，产期两得到迅速的提高。产气量的最高值达到250m3/d，但是随着CO2注入停止，产量也随之减少，最终达到稳定产量150m3/d，是预生产阶段产气量的3倍。3、2005年多井微型先导试验在进行了注水降压试井确定此阶段煤层CO2的可注入量之后，与2005年8月26号又开始为期42天的CO2注入阶段，开始阶段CO2的注入量只有1.6t/d。明显低于2004年注入试验过程中的CO2的注入量，但是随着注入过程的进行，CO2的注入量呈现上升的趋势，最终注入量达到3.5t/d，如图5。图5 CO2注入量曲线CO2的注入量与储层的渗透率呈正相关关系了，在

12、CO2注入之前，在储层原始状态下割理裂隙被水100%饱和，随着CO2的注入及产气井的抽放，井周围煤层的含水饱和度降低，于是CO2的相对渗透率增加。另一方面，随着生产井的生产抽放，是储层压力降低，基质收缩效应逐渐加强，也会引起储层渗透率的增加，最终导致CO2注入量呈上升的趋势。图6 注入量、产气量及产水量曲线图此次试验时通过边注入边生产的方式进行的，观察注入量和产气量动态变化（图6）：从8月26号开始进行CO2的连续注入，甲烷的产量随CO2的注入有很大的提高，分析产期曲线可以看出，在试验生产的开始阶段，曲线较陡，随着生产的进行，在接近最大生产量处，曲线变得平滑，这种曲线斜率由大变小的趋势，说明注

13、CO2对气产量影响在初始阶段较明显，在试验生产的最后阶段，注入量对产气量影响变小。在CO2注入结束后，生产率逐渐平稳到130 m3/d。 四、结论在夕张煤田注入CO2，不仅能够提高煤层气采收率,而且具有CO2埋藏潜力。夕张煤层具有很好的封存CO2的能力，约有90%以上的CO2被封存在煤层中；因为置换/竞争机制的存在，CO2被封存的同时，CH4的采收率被升高。影响CO2-ECBM效果的关键因素是煤储层的渗透率，而煤层本身在注入CO2之后发生的吸附膨胀和基质收缩都将引起煤储层渗透率的变化。进一步弄清渗透率的变化规律和影响因素，将对CO2-ECBM技术的成败有重要的意义。参考文献1 唐书恒,韩德馨.

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