煤層氣升溫解吸特征分析與應(yīng)用

馬東民 藺亞兵 張遂安

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 710054;2.中國石油大學(xué) (北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心煤層氣研究中心,北京 102249)

大量研究成果表明,溫度與吸附量呈負(fù)相關(guān),與解吸量呈正相關(guān)。由此在業(yè)界提出了升溫解吸的概念。在煤層氣排采中,隨著排采時(shí)間的延續(xù)和排采強(qiáng)度的加大,井底溫度明顯降低,同時(shí)儲(chǔ)層還面臨滲透率降低的問題,嚴(yán)重阻礙了煤層氣解吸的持續(xù)進(jìn)行。為了探討升溫解吸效果,本文以AST-2000型煤層氣吸附/解吸大樣量仿真實(shí)驗(yàn)裝置為依托,設(shè)計(jì)了高中低三種煤級(jí)的變溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)力滲透率、氣-水相對(duì)滲透率、多相介質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)作用等的物理模擬與數(shù)值模擬研究成果,對(duì)升溫解吸機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

吸附/解吸實(shí)驗(yàn)按照 G B/T19560-2004《煤的高壓容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法》、采用AST-2000型吸附/解吸仿真實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行。當(dāng)前煤層氣試井結(jié)果表明,煤儲(chǔ)層溫度主要集中在19～28℃,因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度為15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

1.1 采樣與實(shí)驗(yàn)樣品制備

煤樣分別采自煤層氣勘探較為活躍地區(qū)的山西柳林寨崖底9#(JM)、晉城寺河3#(WY),按照全層樣的采樣原則實(shí)施。室內(nèi)經(jīng)過破碎、粉碎、篩分過程將原煤樣制成符合G B/T19560-2004要求的60～80目的空氣干燥基煤樣。

1.2 平衡水實(shí)驗(yàn)

60～80目的空氣干燥基煤樣平衡水分處理參考ASTM(美國試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)American Society for Testing Material)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。經(jīng)過稱樣、浸水、抽濾、濕度平衡等步驟,最后計(jì)算平衡水分含量。

實(shí)驗(yàn)樣品的平衡水分含量為1.32%(JM)和1.89%(WY)。

1.3 吸附/解吸實(shí)驗(yàn)

不同壓力下溫度變化實(shí)驗(yàn)難以控制并且無規(guī)律性,由此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同溫度的等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程為：等溫升壓-平衡-升壓過程的吸附實(shí)驗(yàn)與同溫的降壓-平衡-降壓解吸實(shí)驗(yàn),在另一溫度點(diǎn)的吸附-解吸過程,重復(fù)過程。最后,根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行不同平衡壓力下吸附/解吸過程含氣量的計(jì)算。

1.4 實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性

實(shí)驗(yàn)皆為一式三份相同樣品的平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明JM與WY吸附解吸實(shí)驗(yàn)皆具有一致性與數(shù)據(jù)再現(xiàn)性,對(duì)吸附/解吸結(jié)果數(shù)據(jù)分別進(jìn)行P-P/V關(guān)系分析,P-P/V皆呈直線相關(guān) (誤差皆小于0.014,擬合度皆大于0.996)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重復(fù)再現(xiàn)性與準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)分析選用JM與WY的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)擬合

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣品的吸附/解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處與處理結(jié)果(散點(diǎn)所示)如圖1、圖2所示。

圖1 寺河吸附/解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

圖2 寨崖底吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

2.2 數(shù)學(xué)擬合

甲烷的解吸滯后于吸附,不完全是升壓吸附的逆過程。用Langmuir方程來準(zhǔn)確擬合時(shí)誤差大,擬合度不高。而采用V=a·bp/(1+bp)+c來擬合收到良好的效果,將其命名為煤層氣解吸方程。

式中 V——煤層氣解吸到p壓力下的煤層氣殘余吸附量,ml/g;

a——煤樣最大吸附容量,ml/g;

b——吸附速度、解吸速度與吸附熱綜合函數(shù),MPa-1;

c——匱乏壓力下的殘余吸附量,ml/g。擬合曲線見圖1、圖2。擬合參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)擬合參數(shù)

3 升溫與解吸作用的綜合分析

從圖1和圖2表明,各溫度點(diǎn)在同壓力下解吸過程的含氣量皆大于吸附過程的含氣量,說明甲烷的解吸均滯后于吸附。解吸作用均存在匱乏壓力點(diǎn),也是解吸滯后的再現(xiàn)。隨著溫度的增高不同煤階吸附等溫線和擬合函數(shù)趨勢一致,但參數(shù)有變化。

3.1 溫度與含氣量的關(guān)系

從表1的擬合參數(shù),可以看出寺河礦無煙煤的在各溫度點(diǎn)的飽和吸附量明顯大于柳林焦煤。同一煤種隨著實(shí)驗(yàn)溫度的增高吸附量有明顯減少的趨勢,其中15℃和40℃,寺河無煙煤的飽和吸附量相差9m3/t之多,而寨崖底焦煤相差5m3/t。

3.2 溫度與吸附/解吸的關(guān)系

吸附和解吸是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。隨著溫度的增高,吸附相甲烷分子的能量水平增大,吸附相的甲烷分子獲得足夠的能量克服物理吸附力返回氣相(游離態(tài))中。這也是升溫解吸的理論來源,升高溫度有利于平衡向解吸方向推進(jìn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

很長一段時(shí)間,人們都是用吸附曲線來描述解吸過程。但是從圖1和圖2,我們明顯可以看出,解吸滯后于吸附,這與煤基和吸附劑的物理特性有關(guān)。作者認(rèn)為解吸滯后的原因除了與毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象有關(guān)外,解吸過程的熱變化是影響吸附滯后現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。國內(nèi)放置溫壓傳感器的幾口煤層氣井在產(chǎn)氣量超過2000m3之后排水溫度明顯降低,也證明了這一點(diǎn)。

吸附熱計(jì)算結(jié)果表明：吸附過程是放熱反應(yīng),線性方程截距為正值,阻礙著吸附行為;解吸過程是吸熱反應(yīng),線性方程截距為負(fù)值,解吸過程的吸熱也同樣阻礙著解吸作用的持續(xù)進(jìn)行。然而,實(shí)際煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附過程經(jīng)歷了一個(gè)漫長的成煤地質(zhì)時(shí)期,煤層氣實(shí)際排采中為了短期得到收益,排采年限最長的也就20年。因此煤層氣實(shí)際排采中不得不考慮溫度影響因素。

3.3 溫度與采收率的關(guān)系

煤層氣排采過程,首先是降壓解吸的持續(xù)進(jìn)行,我們選擇煤層氣解吸來描述。由表1可以看出,隨著溫度的升高匱乏壓力下的殘余吸附量c值呈減小趨勢,證明溫度和解吸率呈正相關(guān)關(guān)系。儲(chǔ)層實(shí)際含氣量要小于飽和吸附量,為了直觀的展現(xiàn)溫度和采收率的關(guān)系,假定寺河 (WY)和寨崖底(JM)實(shí)際煤層氣含氣量在15℃時(shí)分別對(duì)應(yīng)的飽和吸附量為29.18m3/t和13.56m3/t,利用煤層氣解吸式計(jì)算出在0.5MPa和0.7MPa廢棄壓力下不同溫度下的理論解吸率和同一個(gè)溫度點(diǎn)解吸曲線對(duì)應(yīng)的理論解吸率 (如表2)。

可以看出寺河不同溫度點(diǎn)的采收率和解吸率均大于寨崖底,高煤級(jí)儲(chǔ)層大于低煤級(jí)儲(chǔ)層的采收率這一點(diǎn)在實(shí)際部分生產(chǎn)中也得到了證明。在不同廢棄壓力下,隨著溫度增高不同煤級(jí)的解吸率均大幅增長,20℃和40℃相差近10%,寺河 (WY)和寨崖底 (JM)產(chǎn)量分別提高近2.9m3/t和1.4m3/t。同時(shí)可以看出,寺河無煙煤的理論解吸率要比寨崖底焦煤的變化趨勢明顯,寺河20℃和40℃相差近10%,而寨崖底只有不到5%。由此我們可以看出,升高溫度有助于提高采收率和解吸率,高煤級(jí)煤儲(chǔ)層對(duì)溫度敏感性要比低煤級(jí)煤儲(chǔ)層的明顯。

表2 不同溫度采收率和解吸率列表

3.4 溫度與解吸速率的關(guān)系

表1可以看出,吸附過程中隨著b值 (即吸附速率系數(shù))隨著溫度的增高而減小,說明吸附過程中溫度升高解吸速率加快,有利于平衡向解吸過程移動(dòng)。解吸曲線中寺河無煙煤的b值與吸附過程中的趨勢相似,但寨崖底焦煤的b值變化范圍無規(guī)律性,這可能與煤樣的物理化學(xué)特性有關(guān)。由圖1、圖2可以看出在低壓階段 (1.5MP以下),溫度越高,解吸曲線的斜率越大,說明升高溫度有利于加快解吸速率。

3.5 溫度與壓力對(duì)解吸的敏感性分析

為了對(duì)溫度與壓力進(jìn)行解吸作用的敏感性進(jìn)行對(duì)比,利用煤層氣解吸式對(duì)解吸原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,表3為相同含氣量時(shí)不同溫度所對(duì)應(yīng)的壓力。

由表3可以看出,不同階段主導(dǎo)影響因素不同,在高壓階段溫度控制明顯,在低壓階段壓力控制明顯。可見,在中高壓階段,升高溫度比壓力降低對(duì)解吸作用的影響更敏感。在排采初期,通過調(diào)控煤儲(chǔ)層溫度,可以促使煤層氣解吸作用的持續(xù)進(jìn)行,甚至比排水降壓更有效,兩者結(jié)合起來,能取得最大程度的產(chǎn)氣量的同時(shí)也能提前產(chǎn)期高峰。

表3 相同含氣量時(shí)不同溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力列表

3.6 溫度與儲(chǔ)層滲透率的關(guān)系

由于高煤級(jí)煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙和顯微裂隙不發(fā)育以及其應(yīng)力滲透率敏感性強(qiáng),煤基質(zhì)收縮能力弱,在傳統(tǒng)的排水降壓開發(fā)煤層氣的過程中,有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)大于煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng),從而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率逐漸降低,并隨著排采的進(jìn)行,產(chǎn)能衰減,從而出現(xiàn)了煤層氣井產(chǎn)能的“瓶頸”問題。結(jié)合應(yīng)力滲透率、氣-水相對(duì)滲透率、多相介質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)及煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)作用等的物理模擬與數(shù)值模擬研究結(jié)果,我們認(rèn)為,當(dāng)溫度保持在固定值時(shí),煤由于本身膨脹變形的影響大于氣體受熱的影響,滲透率和滲流量都將降低,這對(duì)于煤層氣的開采是不利的;在溫度梯度發(fā)生變化 (升高)時(shí),煤層氣滲流量將發(fā)生明顯增加,有利于提高煤層氣的采出率。可見,升高溫度能夠提高儲(chǔ)層滲透率,在排采過程中“排水降壓”和“升溫解吸”適當(dāng)結(jié)合,可有效緩解高煤級(jí)煤儲(chǔ)層煤層氣產(chǎn)能“瓶頸”問題。

4 結(jié)論

經(jīng)典的“排水-降壓-解吸-采氣”理論,有力地推動(dòng)了美國的煤層氣產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。然而,由于我國煤層氣賦存地質(zhì)條件復(fù)雜以及研究思路和方法的限制,只在我國沁水盆地等進(jìn)行小規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)。升溫解吸能夠有效彌補(bǔ)我國煤儲(chǔ)層低滲問題和低飽和度的問題,在中高煤階煤層氣儲(chǔ)層應(yīng)用應(yīng)該受到重視。

(1)不同煤級(jí)溫度升高時(shí)飽和吸附量有降低趨勢,隨著煤階增高飽和吸附量降低趨勢增大。升高溫度能夠促進(jìn)解吸率的提高并增大解吸速率,在中高壓階段升高溫度比壓力降低對(duì)解吸作用的影響更敏感,升溫解吸能夠提前產(chǎn)氣高峰。

(2)吸附和解吸過程不可逆,解吸過程滯后于吸附過程。解吸滯后不光與毛細(xì)凝聚現(xiàn)象有關(guān),還與解吸過程中的溫度變化效應(yīng)有關(guān)。

(3)純粹降壓解吸的煤層氣的解吸率不是很高,多數(shù)在70%以下,在進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮溫度效應(yīng),將升溫解吸和排水降壓有效結(jié)合可提高解吸率,促進(jìn)解吸作用的持續(xù)進(jìn)行,從而獲得最大產(chǎn)能。

(4)升溫解吸技術(shù)在實(shí)際煤層氣排采過程中的應(yīng)用還不成熟,高煤級(jí)低滲和低飽和度儲(chǔ)層可借鑒稠油注熱開采模式,連續(xù)注熱 (蒸汽驅(qū)替)、間歇注熱 (蒸汽吞吐),提高壓裂液溫度等,以提高儲(chǔ)層溫度,促進(jìn)煤層氣持續(xù)解吸,以獲得工業(yè)氣流。

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