提高煤層氣采收率的方法和技術(shù)進(jìn)展

徐 鑫 梁 萌

(1. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院， 北京 100029；2. 俄羅斯國立古勃金大學(xué)，俄羅斯 119991)

提高煤層氣采收率的方法和技術(shù)進(jìn)展

徐 鑫1梁 萌2

(1. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院， 北京 100029；2. 俄羅斯國立古勃金大學(xué)，俄羅斯 119991)

本文主要綜述了現(xiàn)有提高煤層氣采收率的方法和技術(shù)的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，研究將提高石油采收率領(lǐng)域常用的一種成熟技術(shù)——熱力促采法，遷移到提高煤層氣采收率領(lǐng)域的可行性和適用性條件，對(duì)于驗(yàn)證油氣領(lǐng)域相關(guān)理論和方法等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及拓展煤層氣開采新技術(shù)、新工藝等工程實(shí)踐領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。

煤層氣 采收率 熱力促采法 氣體驅(qū)替法

煤層氣是我國非常規(guī)油氣資源的重要組成部分，同時(shí)又是一種寶貴的清潔能源，我國政府不斷采取相關(guān)措施促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。2016年3月1日，財(cái)政部最新發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的通知》，明確指出，“十三五”期間，煤層氣(瓦斯)開采利用中央財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)從0.2元/m3提高到0.3元/m3。在總體經(jīng)濟(jì)下行的態(tài)勢下，提高對(duì)煤層氣開采利用的中央補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，更是說明了國家對(duì)推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的態(tài)度和決心。利用新技術(shù)、新工藝進(jìn)行煤層氣的勘探開發(fā)利用，在煤礦安全開采、清潔能源高效利用以及減少溫室氣體排放等方面具有顯著的安全及環(huán)保效益。本文主要綜述現(xiàn)有提高煤層氣采收率的方法和技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 排水降壓法

煤層中煤層氣的賦存狀態(tài)一般分為吸附態(tài)和游離態(tài)兩種，其中絕大多數(shù)是吸附態(tài)，其含量約占煤層氣賦存總量的80%～90%。煤層對(duì)CH4的吸附作用是物理吸附，其吸附量與壓力的關(guān)系可以用Langmiur公式定義，可以通過降低地層壓力實(shí)現(xiàn)CH4的解吸，因此開發(fā)初期，常采用排水法降低地層壓力使煤層氣沿著裂縫自動(dòng)排出煤層。但與傳統(tǒng)的油氣藏巖層和頁巖相比，煤屬于塑性材質(zhì)，儲(chǔ)層壓力降低容易使裂縫閉合，地層孔道直徑減小，引起煤層滲透率的降低，尤其隨著地層深度加深，該效應(yīng)加劇。

2 氣體驅(qū)替法(注氣法)

氣體驅(qū)替法指的是向煤層中注入不同的驅(qū)替劑(如水、氣體等)對(duì)CH4進(jìn)行置換以增產(chǎn)煤層氣。這種方法最先是在石油開采行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。20世紀(jì)末，隨著美國圣胡安盆地將CO2注入煤層用以提高煤層氣采收率(ECBM)實(shí)驗(yàn)取得成功，氣體驅(qū)替法開始逐漸應(yīng)用到增產(chǎn)煤層氣領(lǐng)域。目前對(duì)煤層氣的驅(qū)替研究，主要通過注氣提高煤層氣的采出速度及其在采出氣中的含量，研究的氣體種類主要集中在N2、CO2兩種氣體或者他們的混合物。驅(qū)替劑不同，驅(qū)替的機(jī)理也有差異。一般認(rèn)為，煤層對(duì)不同氣體的吸附能力是不同的，各種氣體吸附能力排序?yàn)椋篊O2>CH4>N2(圖1)。由于煤對(duì)二氧化碳的吸附能力大于甲烷，所以注入二氧化碳提高煤層氣采收率是通過二氧化碳與甲烷的競爭吸附，注入的二氧化碳?xì)怏w滲流擴(kuò)散到煤的微孔中，破壞了原有煤層中甲烷的吸附平衡狀態(tài)，使更多的甲烷被剝離置換出來，從而引起擴(kuò)散速率、滲流速度和采收率的提高；而注入氮?dú)馓岣呙簩託獠墒章实脑硎峭ㄟ^降低煤層中甲烷氣體的分壓，使更多的甲烷解吸出來。按照注氣方式的不同，可分為先注氣后采氣的間斷性注氣模式和邊采邊注的連續(xù)注氣模式。

圖1 煤層對(duì)各種氣體吸附能力的對(duì)比

煤層對(duì)氣體的吸附除與各自的沸點(diǎn)有關(guān)之外，還與吸附勢肼、氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度有關(guān)。煤層對(duì)混合氣體的吸附公式可以表示為：

式中：XA，XB——煤吸附氣體組分A、組分B的吸附量，ml/g可燃物；

C1A、C1B——朗格謬爾吸附常數(shù)；

XmA、XmB——煤吸附A、B組分的最大吸附量，ml/g可燃物；

PA、PB——A、B組分的分壓，Pa。

Wang等關(guān)于N2和CO2驅(qū)替效果的研究結(jié)果表明，由于CO2在煤層的吸附量遠(yuǎn)大于CH4，CO2表現(xiàn)出了比N2優(yōu)越的性能，但N2的注入提高了煤層的滲透率，而CO2導(dǎo)致了煤層滲透率的下降，所以當(dāng)向地層注入CO2時(shí)需要較高的注入壓力。Sander等在煤樣上開展的CO2和CH4相互驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過注入CO2可驅(qū)替出99%吸附的CH4，而CH4對(duì)CO2的驅(qū)替程度只能達(dá)到95%；另外在CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)觀察到了滲透率的變化，而CH4驅(qū)替CO2過程中并沒有發(fā)現(xiàn)滲透率的變化。Sayyafzadeh利用數(shù)值模擬研究了不同比例的CO2-N2混合氣對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者混合之后對(duì)煤層氣的驅(qū)替效果要好于純CO2與純N2，且存在最優(yōu)比例(0.11CO2-0.89N2)。

煤樣的性質(zhì)和尺寸等都會(huì)對(duì)CO2的吸附能力產(chǎn)生影響。SantanuBhowmik在不同煤樣上開展了CO2與CH4的競爭吸附研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雖然在所有所選擇的煤樣中，CO2的吸附量都大于CH4，但驅(qū)替效果不同。對(duì)比了CO2在8種來自不同煤田、地層的煤樣上對(duì)CH4的置換性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在其中3個(gè)煤樣中驅(qū)替出1molCH4需要的CO2<1mol，而在其余的煤樣上則需要注入1.5～2molCO2才能驅(qū)出1molCH4，并沒有發(fā)現(xiàn)驅(qū)替效果與煤特征和組成間的必然聯(lián)系。Sasaki發(fā)現(xiàn)所選擇煤樣的尺寸對(duì)CO2吸附實(shí)驗(yàn)同樣造成影響，如圖2所示：隨著煤樣尺寸增大，對(duì)CO2吸附能力降低。此外對(duì)于不同存在形態(tài)的CO2吸附性能研究發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)巖對(duì)飽和蘇打水中的CO2吸附量大于純干態(tài)CO2，而干態(tài)的CO2在煤樣上的吸附量更大。

圖2 煤樣尺寸對(duì)CO2吸附能力的影響

在CO2置換CH4的方法研究方面，靜態(tài)條件下煤樣對(duì)各類氣體吸附性能及多組分氣體競爭吸附的研究較為成熟，多用Langmiur模型很好的解釋吸附、氣體置換過程。近年來隨著驅(qū)替研究方法由EOR向ECBM領(lǐng)域的推廣，巖芯(煤樣)驅(qū)替方法逐漸得到應(yīng)用， CO2對(duì)CH4的驅(qū)替率成為重要的衡量指標(biāo)。動(dòng)態(tài)(或者滲流條件下)CO2對(duì)CH4的驅(qū)替過程，壓力差造成的驅(qū)替力和競爭吸附(靜態(tài)條件的自由擴(kuò)散)同時(shí)存在，但二者對(duì)CH4置換量的貢獻(xiàn)程度及相關(guān)作用機(jī)理的研究，目前沒有相關(guān)報(bào)道。

3 水力壓裂法

由于煤層的初始滲透性較差，為了達(dá)到一定的產(chǎn)能必須通過后期改造，而水力壓裂被認(rèn)為是煤層氣增產(chǎn)的首選方法。水力壓裂的原理是利用地面高壓泵，將大量化學(xué)物質(zhì)摻雜水、沙子、石子等灌入頁巖層進(jìn)行液壓碎裂，以釋放石油或天然氣。這項(xiàng)技術(shù)在10年中被美國大范圍推廣并加速推進(jìn)頁巖油氣大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)進(jìn)程。2016 年初美國已經(jīng)從天然氣消費(fèi)國轉(zhuǎn)變成為名副其實(shí)的天然氣供應(yīng)國，并促使世界能源供求關(guān)系發(fā)生深刻的變化。近年來隨著水平鉆井和水力壓裂技術(shù)在煤層氣開采領(lǐng)域的快速推廣和應(yīng)用，其增加有效供給范圍，提高有效導(dǎo)流能力，能更多的溝通煤層裂隙等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到認(rèn)可，因此常規(guī)的 ECBM 工藝常?；谠擃惣夹g(shù)的應(yīng)用，衍生出了諸多煤層氣優(yōu)化的耦合開采方案，諸如水力壓裂后熱驅(qū)替的工藝改善，熱壓裂對(duì) CO2驅(qū)替性能的提升，多分枝水平井與注 CO2的結(jié)合等。

目前業(yè)界對(duì)水力壓裂技術(shù)可能給環(huán)境和水體造成的污染尚存在爭議。由于煤層和砂巖、石灰?guī)r的性質(zhì)不同，而美國和中國煤層氣、頁巖氣儲(chǔ)存條件也存在較大差異。與美國相比，目前水力壓裂技術(shù)在我國提高煤層氣采出速率和日產(chǎn)氣量在十余年的工業(yè)試驗(yàn)中，并未取得預(yù)期的良好效果。

4 熱力促采法(注熱法)

熱力促采法的原理在于破壞氣體吸附平衡，降低氣體吸附能力。目前熱力法在煤層氣增采領(lǐng)域的研究與應(yīng)用不是很廣，且多以直接注入常規(guī)熱流體的方式為主。Wang等考察了溫度對(duì)氣體的吸附/解吸能力影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)地層溫度越高，氣體增產(chǎn)越顯著。楊新樂等對(duì)于低滲透煤層的煤層氣注蒸汽開發(fā)研究模擬預(yù)測結(jié)果表明：經(jīng)連續(xù)100天注熱后，煤層產(chǎn)的氣量較未注熱時(shí)增加2.2倍。Alireza Salmachi選擇熱水(50℃)作為熱傳遞介質(zhì)進(jìn)行煤層氣開采研究，數(shù)值模擬研究結(jié)果顯示，熱水可將煤層的平均溫度提高幅度達(dá)30℃，經(jīng)過12年的注水開發(fā)，可提高CH4采收率高達(dá)58%。但由于煤層的熱傳導(dǎo)性較差，且隨著煤層溫度升高，滲透率下降。尤其在深部埋層的條件下，熱量損失更大，增采效果較差。

這種方法也是源自于提高石油采收率領(lǐng)域，隨著地層溫度升高，原油黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而產(chǎn)量升高。對(duì)油層加熱的方法主要有三種，一種是直接注入常規(guī)熱流體(如高溫氣體、蒸汽、熱水等)的方式，目前在稠油開采地區(qū)使用較為廣泛。第二種是通入直流電對(duì)油層加熱的方法，由于經(jīng)濟(jì)成本較高因而使用較少。第三種是注入氧化劑(如高溫空氣等)引起地層內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致地層溫度壓力改變，這種方法對(duì)石油的增采效果有著顯著的優(yōu)勢，具有能耗低、作用效果持久、地層深度影響小等優(yōu)點(diǎn)，但該法對(duì)氧化過程和條件的可控性要求較高。俄羅斯國立古勃金石油天然氣大學(xué)提高石油采收率實(shí)驗(yàn)室V.N. Khlebnikov教授課題組針對(duì)西西伯利亞稠油藏高壓注空氣法的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高于地層溫度30～50 ℃，原油就可輕易的快速氧化，通過向氧化體系加入無機(jī)鹽類可以大幅降低CO2的生成，而經(jīng)過低溫氧化生成的氣體產(chǎn)物以及熱效應(yīng)對(duì)地層的加熱，總體表現(xiàn)出的驅(qū)油性能與飽和石油伴生氣相近，物理模擬結(jié)果顯示優(yōu)化的最終采收率可達(dá)93%。非常規(guī)油頁巖熱開采工藝(低溫氧化)機(jī)理的研究表明，含氧有機(jī)質(zhì)成分的存在有利于促進(jìn)CO2的生成。所以通過對(duì)低溫氧化產(chǎn)熱過程的控制，在提高非常規(guī)有機(jī)質(zhì)的采收率領(lǐng)域，具有較大的應(yīng)用潛力。

5 結(jié)論

除初期的排水泄壓法外，為了改善產(chǎn)氣能力，提高產(chǎn)氣程度，目前在提高煤層氣采收率(ECBM)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的方法主要有氣體驅(qū)替、熱力促采法、水力壓裂等方式。熱力促采法在EOR領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，尤其是低溫氧化法對(duì)石油的增采效果有著顯著的優(yōu)勢，具有能耗低、作用效果持久、地層深度影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。研究將提高石油采收率的成熟技術(shù)遷移到提高煤層氣采收率領(lǐng)域的可行性和適用性條件，對(duì)于驗(yàn)證油氣領(lǐng)域相關(guān)理論和方法等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及拓展煤層氣開采領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝等工程實(shí)踐領(lǐng)域都具有重要的科學(xué)意義，并可以有效地促進(jìn)我國煤層氣的新技術(shù)開發(fā)進(jìn)程。

[1] L. D. Connell, R. Sander, Z. Pan, et al. History matching of enhanced coal bed methane laboratory core flood tests[J]. International Journal of Coal Geology, 2011, 87(2): 128-138.

[2] S. Lafortune, F. Adelise, G. Bentivegna, et al. An Experimental Approach to Adsorption of CO2+CH4Gas Mixtures Onto Coal (European RFCS CARBOLAB Research Project)[J]. Energy Procedia, 2014, 63: 5870-5878.

[3] K. Tanaka, N. Sakimoto, S. Shimada. Adsorption Model Equation for Multi-Component Gas on Coalbed and Its Assessment[J]. Energy Procedia, 2013, 37: 6769-6776.

[4] 楊新樂，任常在，張永利, 等.低滲透煤層氣注熱開采熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013, 38(6):1044-1049.

[5] R. Sander, L. D. Connell, Z. Pan, et al. Core Flooding Experiments of CO2 Enhanced Coalbed Methane Recovery[J]. International Journal of Coal Geology, 2014, 131: 113-125.

[6] V.N. Khlebnikov, P.M. Zobov, S.V. Antonov, et al. The study of hydrothermal influence on the Bazhenov formation breed[J]. Башкирскийхимический-журнал, 2011, 18(4): 182-187.

[7] G. Senthamaraikkannan, I. Gates, V. Prasad. Modeling, estimation and optimization in coreflooding experiments for coalbed methane production[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 141: 75-85.

[8] F. Yan, B. Lin, C. Zhu, et al. A novel ECBM extraction technology based on the integration of hydraulic slotting and hydraulic fracturing[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 22: 571-579.

[9] Хлебников В.Н. Способ захоронения техногенного диоксида углерода дымовых газов: Russia, RU2393344C1[P].

[10] 王劍光,佘小廣. 注氣驅(qū)替煤層氣機(jī)理研究[J]. 中國煤炭, 2004, 30(12): 45-47.

[11] 王彩鳳. 煤層氣開發(fā)過程中滲透率變化規(guī)律及對(duì)產(chǎn)量的影響[D]. 燕山大學(xué), 2013.

[12] Y. Wu, F. ZHANG, X.Mao. Coupled Thermal-Hydrological-Mechanical Analysis of Exploiting Coal Methane by Heat Injection[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2012, 29(4): 505-510.

[13] 武玉梁，王壽全. 水壓預(yù)裂技術(shù)在低透氣性煤層中的應(yīng)用研究[J].中國煤層氣， 2015， 12(3)：19-22.

[14] M. O. Eshkalak, E. W. Al-Shalabi, A. Sanaei, et al. Simulation study on the CO2-driven enhanced gas recovery with sequestration versus the re-fracturing treatment of horizontal wells in the U.S. unconventional shale reservoirs[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2014, 21: 1015-1024.

[15] H. Wang, H. Merry, G. Amorer, et al. Enhance Hydraulic Fractured Coalbed Methane Recovery by Thermal Stimulation[C]. SPE/CSUR Unconventional Resources Conference. Calgary, Alberta, Canada: Society of Petroleum Engineers, 2015.

[16] S. Bhowmik, P. Dutta. Investigation into the Methane Displacement Behavior by Cyclic, Pure Carbon Dioxide Injection in Dry, Powdered, Bituminous Indian Coals[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(6): 2730-2740.

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Method of Improving CBM Recovery Rate and Technologies Research Progress

XU Xin1, LIANG Meng2

(1. China Coal Information Institute, Beijing 100029;2. Russian State Gunkin Oil and Gas University, Russia 119991)

Current methods to improve the CBM recovery rate and technologies research progress are reviewed in this paper. Results show that it is of important scientific significance to study the feasibility and applicability conditions of introducing thermal recovery method, i.e. a kind of mature technology usually used in the field of improving oil recovery rate, into the fields of improving CBM recovery rate. It’s also useful to validate the feasibility of related theories and methods in the fundamental research field of oil and gas as well as the field of engineering practice such as new technologies and process in CBM exploitation.

CBM; recovery rate; thermal recovery method; gas displacement method

國家自然科學(xué)基金(51374083)。

徐鑫，女，高級(jí)工程師，博士，主要從事煤層氣開發(fā)與綜合利用技術(shù)研究工作。