CO2驱煤层气关键技术

李全,白帅

摘要；CO2-ECBM技术利用煤层气资源开采和应对温室效应的需求，可以提高煤层甲烷的采收率，并实现大量CO2的地下封存，具有广阔的应用前景。然而，对储层的改造情况仍需深入研究。

关键词：O2驱煤层气；关键技术；问题

引言

我国煤炭主要能源地位和现有技术设备的不完善导致煤层瓦斯浪费和环境污染严重，因此研究煤层气增产技术，提高采收率变得至关重要。

1 C02-ECBM机理
1.1增能作用
煤层气生产过程中存在的问题主要有以下几个方面：第一，负压区形成：由于排采操作，使得井底附近形成了负压区域，减小了地下煤层的压力，导致煤层气的释放受阻。第二，煤层脆性：煤层本身是脆性材料，其弹性恢复能力相对较弱。在生产过程中，压力波动会导致煤层破碎和变形，进而影响煤储层的压力传导能力。第三，地层亏空：由于气体的开采和排放，地层中的煤层气会逐渐减少，导致地层产生亏空，无法及时得到补充，进而影响煤层气的产量和稳定开采。第四， 压敏效应：在上覆岩层的压力作用下，煤层的压敏效应很强，即容易发生破碎和变形。这种压敏效应会导致煤层破坏，产生大量的煤粉，进而阻塞气井的孔道和裂隙，使煤层气的渗透率降低。实践证明，通过注气操作，可以在煤层中形成较高的气体压力，使地层中的煤层气释放得更加充分。同时，通过压缩和膨胀过程，注入的气体能够快速传递压力，促进煤层气的渗透和流动，提高气体的产出速度，这种注气操作的优势在于能够有效地改善煤层气井的开采效率和产能。

1.2吸附置换

注入CO2可以改变煤表面的化学环境，使煤表面对CH4的吸附引力降低。这是因为CO2与煤表面的大分子结合更为容易。当CO2被注入到煤层时，它会置换在煤表面的CH4分子，并促使更多的CH4从煤表面解吸。此过程可以平衡煤的表面能，使得更多的CH4从煤层释放出来。值得注意的是，CO2与煤表面的相互作用是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，如CO2浓度、温度、压力等。此外，煤的孔隙结构和组成也会影响CO2和CH4的吸附解吸行为。因此，在实际应用中，需要综合考虑不同因素来优化CO2注入的工艺参数，以实现最佳的煤层气开采效果。注入CO2降低了煤表面对CH4的吸附引力，促使更多的CH4从煤表面解吸，实现了煤的表面能的平衡。这为煤层气的开采提供了一种潜在的技术方案，有助于提高产量和可持续利用煤层气资源。

1.3驱替作用
煤层气注气驱替是一种常用的提高煤层气产能的方法。。注入的驱替气体充当了一种携带媒介的角色，利用其较高的压力和流速，促使煤层气中的轻质组分被带出。这种流体携带效应在煤层气注气驱替中具有重要的作用。它可以增加煤层气的采集效率，将煤层气中的可利用组分有效地捕集和回收。此外，其中一部分注入气体的残留也可以在煤层中形成一种压力缓冲，维持较高的地层压力梯度，进而保持煤层气的稳定产量。煤层气注气驱替通过注入适当的驱替气体，维持较高的地层压力，并利用流体携带效应，实现了提高煤层气产能的目标。这种方法的实施对于优化煤层气的生产和开采具有重要的意义，为煤层气产业的持续发展提供了有效的技术支持。
2C02-ECBM的优势

(1)保压开采是一种重要的煤层气开发方式，通过注入CO2为煤层提供压力维持。当进行煤层气开采时，地层压力会下降，导致煤层膨胀和破碎，从而降低了煤层的渗透性和产能。而通过注入CO2，可以维持地层的能量，补充地层中缺失的压力，提高煤层的压力传导能力，从而实现保压开采。这有助于降低煤层压敏效应对煤层的影响，减少煤层的破碎和变形，提高煤层气的采集效率和产量。通过CO2的注入，可以维持较高的地层压力，减少煤层的压力波动。这有利于维持煤层的渗透性和稳定性，降低煤层的变形和损伤。保持地层能量对于煤层气的长期持续开采非常重要，可以确保煤层气的稳定产量和经济效益。

(2)煤储层对CO2的吸附能力较高，即CO2分子可以在煤层孔隙中吸附并与煤表面发生相互作用。在注入CO2的过程中，当CO2与煤表面接触时，一部分CO2会被吸附到煤储层中，形成吸附层或溶解于煤基质中。这种吸附和溶解作用能够将注入的CO2在煤储层内保持一段时间，延长其滞留时间。由于煤储层对CO2的吸附能力强，CO2在煤层中的质量浓度较高，可以在较低的注气压力下实现注采平衡。这意味着在注入CO2的过程中，煤层能够吸收与产出相平衡的CO2，使得注入和采出的CO2量相对稳定。注采平衡的实现有利于控制注入量和采出速度，避免过度注入或过快采出而导致开采过程的不稳定。

(3)在CO2注入过程中，CO2与地层中的煤和黏土矿物之间的化学反应较为有限。这是因为CO2在地层条件下通常是一种惰性气体，不易与其他元素或化合物发生很强的化学反应。因此，注入CO2不会引起严重的化学变化或矿物的溶解，从而避免了对储层的不可逆性损害。特别是对于煤储层来说，煤通常是一种疏水性的材料，其表面具有较低的化学活性。这使得煤在与CO2接触时更难发生化学反应。而且，煤层中的有机质主要是碳的聚合物，与CO2的相互作用主要是物理吸附过程，而非化学反应。

3CO2-ECBM储层条件及存在问题

3.1储层条件

选择适合开展CO2-ECBM的储层需要考虑煤储层的连续性、构造条件、渗透率、合适的埋深以及气体饱和度等因素，以保证CO2的顺畅运移和充分作用，提高CO2-ECBM的效果。

3.2存在问题

在工程实践中，当注入深部煤层的CO2温度和压力超过其临界值时，CO2将处于超临界状态，对煤储层的性质产生一系列影响。

3.2.1煤基质膨胀

CO2注入煤层会引起煤基质的膨胀和收缩，不同气体导致的膨胀收缩程度不同，CO2的吸附膨胀效应最大。这会导致煤体体积变化、孔隙度变化和渗透率显著变化，对煤层气的产能和渗流性能产生影响。

3.2.2超临界CO2增塑作用

煤在室温条件下是一种玻璃质，而加热或与溶液发生反应后会转化为具有塑性的橡胶质状态，CO2的注入可以降低煤的软化温度和增加其塑性，从而促进气体在煤中的迁移扩散。CO2的注入会导致煤样的弹性模量和强度降低，单向抗压强度和杨氏模量明显下降，使煤软化和增塑，改变其机械性能和物理性质。此外，在CO2的地质储存过程中，注入的CO2与地层水反应生成H2CO3，增加地层水的酸性，可能溶解煤中的矿物，导致元素迁移和区域孔隙度、渗透率增大，但也可能引起沉淀结晶和孔裂隙堵塞，对煤层气抽采产生负面影响。

结束语

通过分析CO2-ECBM技术的研究现状和理论基础，得出以下结论：我国煤层气资源丰富但采收率低，CO2-ECBM技术具有潜力，但在选择和应用时需考虑储层条件、技术条件和进行先导性实验，并研究CO2对煤层结构的影响和作用机理。

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第一作者：李全（1983-），高级工程师，长期从事煤系天然气勘探开发研究工作。地址：（830000）新疆乌鲁木齐市沙区西山东街63号新疆煤田地质局一六一队。

项目名称：新疆“天山英才”培养计划