CO2-ECBM技術(shù)的利弊分析

白云云，張永成

（1.榆林學院能源工程學院，陜西榆林719000；2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西晉城048000）

CO2-ECBM技術(shù)的利弊分析

白云云1，2，張永成3

（1.榆林學院能源工程學院，陜西榆林719000；2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西晉城048000）

CO2-ECBM（注入CO2開采煤層氣）技術(shù)已成為研究熱點，必須要對該技術(shù)有客觀認識?；趯γ号c煤層氣之間相互作用及其運移過程的分析可知，注CO2開采煤層氣可通過增能作用、吸附置換和驅(qū)替作用來實現(xiàn)增產(chǎn)；與此同時，氣源、工藝、腐蝕、安全及投資問題也都是工程實施過程中要考慮的因素。本文綜合分析了注CO2開采煤層氣的利弊，指出應當綜合考慮工藝本身的優(yōu)點和缺點，根據(jù)實際情況，選擇適合開發(fā)方式，還要對整個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的經(jīng)濟評價，對理論研究和實際生產(chǎn)均有指導意義。

CO2-ECBM；吸附；置換

由于煤層氣大多吸附在低滲儲層當中，無法形成以抽采井為半徑的大范圍的解吸-擴散-滲流圈，很難獲得較高的產(chǎn)能[1]。注CO2開采煤層氣（CO2-ECBM）技術(shù)不僅可以補充地層能量，實現(xiàn)對煤層氣的驅(qū)替，還能實現(xiàn)對CO2的封存，具有重大的經(jīng)濟和環(huán)保意義[2]。國內(nèi)外對煤層注CO2開采煤層氣的研究歷史由來已久，但對于具體的煤層氣藏是否適合注CO2開發(fā)，技術(shù)上是否可行，經(jīng)濟上是否合理，安全上是否有保障，還需進一步研究。因而，在工藝實踐實施過程中，如何依據(jù)煤層實際情況選擇具體工藝方法已成為項目能否成功的關(guān)鍵。

1 CO2-ECBM機理

煤層氣開采理論的基礎(chǔ)是“解吸－擴散－滲流”，與之對應的工藝過程是“排水－降壓－解吸”。在煤層氣排采過程中，常規(guī)的抽汲排液使得生產(chǎn)井附近形成壓力虧空，因此需要對煤層氣進行保壓開采，注氣驅(qū)替煤層氣被認為是一種具有發(fā)展前途的新措施，所以該方法受到各方面的廣泛關(guān)注[3，4]。為此，在煤層中注入CO2氣體可以有效提高煤層氣的單井產(chǎn)量，其增產(chǎn)機理如下：提高煤層氣藏產(chǎn)能、吸附置換煤層中CH4及對氣體的驅(qū)替作用。

1.1 增能作用

煤層氣在生產(chǎn)過程中，一方面由于排采使得井底附近形成負壓區(qū)，而煤本身表現(xiàn)為脆性，其彈性恢復能力較弱，這使得煤儲層的壓力傳導能力較弱，地層容易虧空，不能及時得到補充，在上覆巖層的壓力下，煤層的壓敏效應很強，很容易破碎，破碎的煤粉極易阻塞氣井的孔道和裂隙，造成近井帶滲透率的下降。實踐證明，無論是生產(chǎn)前注氣還是邊注邊采，都可以使地層壓力維持較高水平，從而提高氣體滲流速度。由于氣體壓縮膨脹做功，增加了彈性能量，提高了整個煤層的壓力傳導系數(shù)，快速彌補開采負壓區(qū)的虧空，提高了氣井產(chǎn)能[5]。

1.2 吸附置換

通過室內(nèi)實驗表明，CO2更易與煤表面大分子結(jié)合，當CO2被注入到煤層時，將會置換在煤表面的CH4并使其解吸；另外相比于CH4，CO2有更小的分子直徑，因此更容易進入煤層微孔隙中，而CH4則被微孔隙過濾?？偠灾?，注入CO2使得煤表面對CH4的吸附引力降低，促使更多的CH4從煤表面解吸，平衡煤的表面能[6，7]。

1.3 驅(qū)替作用

對煤層氣注氣驅(qū)替來講，驅(qū)替氣體的注入維持了比單純抽排更高的壓力梯度，起到增加流體流速的作用。在大多數(shù)情況下，注入氣體與煤層氣性質(zhì)差異不大，氣體間的流度和流態(tài)差異較小，因此一定數(shù)量的氣體會殘留在煤氣界面及煤基質(zhì)表面。即使這部分氣體與注入的氣體間沒有物質(zhì)交換，但上游氣卻可以將煤層氣中的一些輕質(zhì)組分抽提，并攜帶到井底[8]。

2 CO2-ECBM的優(yōu)勢

目前，加拿大、美國和歐洲的一些組織和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)試圖將CO2的注入技術(shù)推廣和商業(yè)化，進一步抑制溫室氣體的排放，這顯示了該項技術(shù)良好的發(fā)展前景[9]。CO2-ECBM的主要優(yōu)勢有：

（1）煤層注入CO2能夠維持地層能量，實現(xiàn)保壓開采，降低壓敏效應對煤層的影響。

（2）煤儲層吸收CO2能力強，可在較低注氣壓力下實現(xiàn)注采平衡。

（3）注入的CO2不會和地層中煤和黏土礦物反應，造成儲層傷害。

（4）如果煤層間有良好的隔層，且非均質(zhì)性好，則注入CO2時可減小氣竄的可能性。

（5）注入的CO2一方面將煤層氣置換，另一方面將大量CO2封存地下，具有經(jīng)濟和環(huán)保雙重優(yōu)勢。

3 CO2-ECBM的不利因素

CO2-ECBM也有其不利的一面。復雜的儲層條件會影響注CO2開發(fā)效果，在驅(qū)替的過程中，極容易造成氣竄，生產(chǎn)井過早見氣，影響波及系數(shù)和驅(qū)替效率。因此，注空氣實施之前，要根據(jù)煤層氣藏本身的特點，明確注氣開發(fā)過程中的利弊，以達到最優(yōu)效果。筆者通過調(diào)研，歸納出目前影響CO2-ECBM效果的因素主要有：

3.1 氣源不足

CO2是潛在碳資源，無論是天然的，還是各種尾氣、爐氣、副產(chǎn)氣，都必須進行分離回收和提濃，才能合理利用。工業(yè)上分離回收CO2的方法有溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法以及這些方法的綜合利用，從CO2-ECBM技術(shù)本身來說，利用上述方法作為CO2氣源經(jīng)濟效益并不顯著。我國不像美國、加拿大等國有豐富的CO2資源，氣源不足是制約我國實施CO2-ECBM技術(shù)最主要的因素。

3.2 腐蝕作用

在地層條件下，二氧化碳溶入水后對生產(chǎn)管線有極強的腐蝕性，其腐蝕強度甚至要超過鹽酸，其最典型的特征呈現(xiàn)全面腐蝕和局部腐蝕（點蝕、臺地侵蝕）。其中臺地侵蝕是腐蝕過程中最嚴重的一種情況，腐蝕速率可達7 mm/a甚至更高，每年可達幾毫米，同時腐蝕產(chǎn)物被注入的CO2帶入地層還會堵塞儲層孔隙[10]。

3.3 煤體膨脹

在煤層氣開采過程中，由于裂縫中流體壓力的變化引起的煤基質(zhì)收縮、膨脹、吸附和解吸作用導致的煤基質(zhì)收縮、膨脹對煤層氣的開采和CO2的注入及存儲均有影響，而吸附和解吸導致的滲透率變化很大，對CH4和CO2存儲具有很大影響。特別是CO2的注入會導致煤基質(zhì)的膨脹，降低煤層的裂縫滲透率，對煤層氣開采有負面影響。

3.4 安全性

由于CO2相對更易被煤層吸附，且解吸速度快于甲烷的特點，一旦發(fā)生煤與CO2突出，其猛烈程度勢必要比煤與瓦斯突出更高。相同平衡條件下，不同煤級煤分別吸附CH4、N2、CO2，吸附量隨煤級的增高而增高；不同煤對于氣體吸附的優(yōu)先順序為：CO2>CH4>N2。煤吸附瓦斯屬于物理吸附中的固-氣吸附范疇，吸附作用是由過剩的表面自由能引起的，可通過煤的表面自由能的變化規(guī)律來解釋煤吸附能力的差異，吸附質(zhì)分子直徑的大小，分子直徑越小越容易進入孔徑小的空隙，被吸附的幾率相對增大；CO2氣體在3種氣體中的分子直徑最小，臨界溫度最高，同樣條件下，煤層對CO2吸附量最大。根據(jù)煤的吸附解吸實驗及其物理吸附特性，認為煤對瓦斯的吸附解吸過程基本可逆，那么煤對CO2解吸量也將遠大于CH4的解吸量，所以當發(fā)生煤與CO2突出時其能量比煤與CH4突出更強大[11]。

3.5 工藝要求高

當煤儲層注入CO2后，壓力梯度、煤儲層壓力、滲透率也隨之發(fā)生變化，進而引起煤儲層自身基質(zhì)裂隙、割理系統(tǒng)以及孔隙的改變，其圈閉條件隨之發(fā)生變化；如注入速率過高，CO2有可能突破整個煤層頂?shù)装?，而影響?qū)替效率；隨著CO2的不斷注入，隨著能量積聚在煤層內(nèi)部及頂?shù)装澹瑯O有可能會發(fā)生煤與CO2突出，因此，深部不可采煤層進行注入CO2嘗試，但需認真考慮工藝的復雜性和安全性。

3.6 投入大

規(guī)模化注CO2技術(shù)需要有專用的注氣設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施，一次性投資大，且實施過程中CO2氣體容易過早突破，會影響波及效率和采收率，因此，當生產(chǎn)井竄入CO2后，不可避免地會引起地層壓力降低，產(chǎn)量降低，此時應當根據(jù)采出程度的大小考慮其他接替的開采方法。

總之，CO2-ECBM實施前應當綜合考慮其本身的優(yōu)點和缺點，根據(jù)煤層氣藏的實際情況，選擇適合的開發(fā)方式，還要對CO2-ECBM的整個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的經(jīng)濟評價，以達到最優(yōu)開發(fā)效果。

4 結(jié)論

（1）國內(nèi)外的儲層模擬研究和先導試驗表明，CO2-ECBM能夠提高煤層氣的單井產(chǎn)量和采收率，注氣主要機理如下：吸附置換、增能作用及驅(qū)替作用。

（2）對于特定煤層氣藏，CO2-ECBM能有效地改善煤層的原始結(jié)構(gòu)，促進CH4的解吸，增加煤層氣井的產(chǎn)能，同時還可將大量CO2貯存于地下，具有經(jīng)濟和生態(tài)雙重優(yōu)勢。

（3）CO2-ECBM的實施過程中，氣源、工藝、腐蝕、安全及投資問題都是應該考慮的問題。

（4）CO2-ECBM實施之前，要根據(jù)煤層氣藏本身的特點，明確注CO2開發(fā)過程中的利弊，還要進行系統(tǒng)的經(jīng)濟評價，以達到最優(yōu)效果。

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Analysis of advantages and disadvantages on CO2-ECBM technology

BAI Yunyun1，2，ZHANG Yongcheng3
（1.College of Energy Engineering，Yulin College，Yulin Shanxi 719000，China；2.Department of Geology，Northwest University，Xi'an Shanxi 710069，China；3.Coal and Coal Methane Simultaneous Extraction National Key Laboratory，Jincheng Shanxi 048000，China）

The technology of CO2-enhanced coalbed methane has become a hotspot study,it should be have the objective understanding of the technology.Through analysis of the interaction and transport process between coal and CBM,CO2-enhanced coalbed methane by raising the energization of coal seam,adsorbing displacement and the displacement to increase production.At the same time,the source,process,corrosion,safety and investment are the project implementation.The paper analyzes the advantages and disadvantages of CO2-enhanced coalbed methane,according to the actual situation of the coal seam,suitable for reservoir development mode should be chosen,but also on the CO2injection of the entire process of economic evaluation,in order to achieve the best development effect.

CO2-ECBM；adsorption；replacement

TE375

A

1673-5285（2017）01-0003-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.002

2016－12-23

陜西省教育廳項目，項目編號：16JK1889；山西省煤基重點科技攻關(guān)項目，項目編號：MQ2014-05。

白云云，男（1982-），陜西榆林人，博士研究生，主要研究方向為油氣田地質(zhì)與開發(fā)，郵箱：185732473@qq.com。