二氧化碳與煙道氣按比例混合注入提高煤層氣采收率的方法探討

韓繼雷，鄭宗學(xué)，趙志民

二氧化碳與煙道氣按比例混合注入提高煤層氣采收率的方法探討

韓繼雷1，鄭宗學(xué)1，趙志民2

（1.山東黃金集團(tuán)國(guó)際礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，濟(jì)南 250101；2.山東省地礦工程勘察院，濟(jì)南 250014）

煤層氣在煤層中的主要有三種賦存狀態(tài)，當(dāng)煤層中儲(chǔ)存條件發(fā)生變化時(shí)，煤層氣可以在三態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。本文通過(guò)研究將不同組分含量氣體注入同等條件下的煤層中時(shí)，煤層氣含量的變化曲線(xiàn)得出最有利于提高煤層氣產(chǎn)量的氣體組分配比，然后通過(guò)研究普通煙道氣所含各組分氣體含量，從而計(jì)算得出將二氧化碳（CO2）與煙道氣按最佳比例混合后，達(dá)到最優(yōu)配比后注入煤層中，達(dá)到既可提高煤層氣采收率，又可將廢棄氣體及CO2埋藏在地下的雙重目的。

賦存狀態(tài)；Langmuir 等溫吸附模型；煤層氣采收率

1 研究背景

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣，其成分主要為甲烷（CH4），產(chǎn)生于煤層中，并且大部分以吸附狀態(tài)賦存其中（劉洪林等，2007）。煙道氣則是由煤炭、石油等礦產(chǎn)能源燃燒后產(chǎn)生的廢棄氣體。在煤礦生產(chǎn)中，煤層氣是威脅到煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害性氣體，但同時(shí)，在日常生活中它也是一種可替代天然氣的清潔能源。而煙道氣作為煤炭、石油等礦產(chǎn)能源燃燒后的廢棄氣體，如果利用其提高煤層氣的采收率的同時(shí)，通過(guò)充注CO2到煤層中，也可以達(dá)到封存CO2的目的（郝定溢等，2016）。既能充分利用潔凈能源，保護(hù)大氣環(huán)境，也能改善煤礦安全生產(chǎn)條件。

煤層氣增產(chǎn)技術(shù)無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外都是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，基于煤層氣的生成、儲(chǔ)集及運(yùn)移機(jī)理，筆者認(rèn)為有效提高煤層氣采收率可從兩方面入手：一是加強(qiáng)對(duì)于高階煤中煤層氣的產(chǎn)氣機(jī)理及產(chǎn)氣規(guī)律研究，依據(jù)其影響因素和制約機(jī)制，對(duì)應(yīng)采取措施提高其采收率；二是采收生產(chǎn)過(guò)程中，可將日常生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄煙道氣經(jīng)特殊處理后注入煤層中，根據(jù)CH4、CO2、N2及其他氣體在煤層中的吸附-運(yùn)移機(jī)理不同，達(dá)到煤層氣增產(chǎn)的目的。

2 煤層氣的賦存及解吸機(jī)理

2.1 煤層氣的賦存機(jī)理

煤層氣的賦存狀主要有三種：吸附態(tài)、游離態(tài)及溶解態(tài)（魏韋，2010）。

在煤層中，大部分甲烷氣體以吸附態(tài)吸附于煤內(nèi)表面，少量甲烷氣體呈自由態(tài)存在于煤層間隙及割理中。吸附過(guò)程直接受到壓力、溫度和煤階的影響。當(dāng)埋深增加時(shí)，煤層內(nèi)壓力及煤變質(zhì)程度增加，煤層對(duì)甲烷氣體的吸附能力也隨之上升。 因此，埋深較大的煤層與同煤階的埋深較淺煤層相比一般會(huì)儲(chǔ)存更多的甲烷氣體（王立輝，2020）。

在煤層的整個(gè)煤化過(guò)程中，煤層厚度與煤層氣含氣量成正相關(guān)關(guān)系（卜范青等，2019），從其中生成的甲烷氣量遠(yuǎn)超過(guò)煤層本身對(duì)氣藏的儲(chǔ)存能力，未吸附在煤巖表面的氣體則進(jìn)入煤巖周?chē)牡叵滤谐嗜芙鈶B(tài)，當(dāng)水中溶解的甲烷氣量達(dá)到飽和時(shí)，剩余甲烷氣體則會(huì)呈游離態(tài)進(jìn)入到煤巖裂隙及割理中，并通過(guò)這些通道進(jìn)入到圍巖中。

因此，上述煤層氣三種相態(tài)存在于煤層及其圍巖中。在溫度、壓力及氣體濃度穩(wěn)定的情況下，此三種狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)平衡之中。

2.2 煤層氣的解吸機(jī)理

由于煤層氣的三種賦存狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)中，所以當(dāng)賦存條件發(fā)生變化時(shí)，三種狀態(tài)會(huì)互相轉(zhuǎn)換。比如，當(dāng)煤層內(nèi)氣體，在溫度不變，而壓力降低時(shí)，原有的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被打破，在煤基質(zhì)表面吸附的煤層氣會(huì)解吸出來(lái)，向割理、微裂隙中運(yùn)移，逐步聚集呈游離態(tài)。因此總體上來(lái)說(shuō)，煤層氣在煤層中的等溫解吸與其等溫吸附機(jī)理基本相同的，符合Langmuir等溫吸附模型。因此，我們可以根據(jù)煤的Langmuir等溫吸附曲線(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)臨界解吸壓力，估算在生產(chǎn)過(guò)程中隨煤層中壓力的變化的煤層氣產(chǎn)量。

3 煙道氣驅(qū)提高煤層氣采收率技術(shù)

煙道氣是煤炭、石油等有機(jī)物在完全燃燒后生成的產(chǎn)物，通過(guò)奧氏氣體分析儀，采用氣體吸收法測(cè)定煙道氣（張圣麟等，2008），可知其主要組分有N2、CO2、O2和水。據(jù)世界自然基金會(huì)中國(guó)氣候變化與能源項(xiàng)目的一項(xiàng)研究報(bào)告顯示，中國(guó)電力行業(yè)燃燒幾乎90%來(lái)自煤炭，如此大量地燃燒煤炭排放廢棄煙道氣勢(shì)必造成嚴(yán)重的大氣污染，加重全球溫室效應(yīng)。同時(shí)，研究表明（馬濤等，2007），煤層對(duì)多元混合氣體與單組分氣體的吸附存在明顯差別，但其等溫吸附曲線(xiàn)都符合Langmuir方程，多元?dú)怏w的吸附量介于強(qiáng)吸附質(zhì)與弱吸附質(zhì)之間，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附作用（周來(lái)誠(chéng)，2015），將吸附性強(qiáng)吸附質(zhì)（CO2）與弱吸附質(zhì)（N2）按一定比例混合注入煤層中，將吸附態(tài)的CH4氣體驅(qū)替出來(lái)，同時(shí)將CO2貯存在煤體中。

3.1 理論機(jī)理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定（李增學(xué)等，2003），煙道氣的主要成分為N2（約占80%）、CO2加CO（約15%）、O2及其他雜質(zhì)（約占5%）。利用CO2混注煙道氣來(lái)提高煤層氣采收率，主要是利用煤層對(duì)各類(lèi)氣體的吸附性質(zhì)不同，來(lái)探討通過(guò)調(diào)節(jié)充注到煤層中的煙道氣內(nèi)各氣體組分比例及充注到煤層中的氣體壓力，來(lái)達(dá)到最佳的解吸煤層氣效果，提高煤層氣采收率。

3.2 各氣體組分在煤層中的吸附—運(yùn)移機(jī)理

對(duì)于煤層對(duì)各類(lèi)氣體的吸附性質(zhì)研究，前人采用了HCA型高壓容量法吸附實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)模擬測(cè)量煤層對(duì)CH4、CO2、N2及其多元?dú)怏w的吸附效果（周軍平，2011），其裝置示意圖如圖1所示，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖1 HCA型高壓容量吸附系統(tǒng)示意圖

（1）CO2/CH4二元?dú)怏w吸附結(jié)果。從圖2可以看出，在恒定溫度條件下，當(dāng)將不同配比的CH4和CO2混合注入后，煤樣對(duì)此類(lèi)混合氣體的吸附量介于純CO2與CH4之間。由等溫吸附量曲線(xiàn)可以看出當(dāng)混合氣體中CO2百分含量增加時(shí)，煤樣的總吸附量隨之增加，同時(shí)也說(shuō)明煤樣對(duì)CO2的吸附能力大于CH4。

（2）CH4/N2二元?dú)怏w吸附結(jié)果。從圖3可以看出，在恒定溫度條件下，當(dāng)將不同配比的CH4和N2混合注入后，煤樣對(duì)此類(lèi)混合氣體的吸附量介于純N2與純CH4之間。由等溫吸附曲線(xiàn)可以看出，混合氣體中的N2含量越高，煤樣的總吸附量越高，同時(shí)也說(shuō)明煤樣對(duì)N2的吸附能力大于氮?dú)狻?/p>

（3）CO2/CH4/N2三元?dú)怏w吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4可以看出，在恒定溫度條件下，當(dāng)將三種氣體混合注入煤樣后，煤樣對(duì)混合氣體中的CO2吸附量最多，其次是CH4，最少的是N2。同時(shí)從等溫吸附曲線(xiàn)也可以看出，在該實(shí)驗(yàn)條件下煤樣對(duì)CO2的吸附能力是隨著混合氣體壓力增大而增多，壓力較低時(shí)吸附量增加趨勢(shì)極為明顯，當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)增加趨勢(shì)變緩；而煤樣對(duì)CH4和N2的吸附量則先隨實(shí)驗(yàn)壓力增大先增大，達(dá)到峰值后降低。說(shuō)明隨實(shí)驗(yàn)壓力的增大，煤樣對(duì)不同氣體的吸附能力差異較大，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)煤樣對(duì)氣體的選擇性吸附。因此，可以通過(guò)混合注入CO2來(lái)調(diào)節(jié)煙道氣中的N2及CO2的比值，同時(shí)調(diào)整氣體壓力，達(dá)到最佳配比后注入煤層中，將煤層中吸附狀態(tài)的CH4解吸出來(lái)，達(dá)到提高煤層氣開(kāi)采率的目的。

圖2 不同組分配比CO2/CH4氣體等溫吸附曲線(xiàn)

圖3 不同組分配比CH4/N2二元?dú)怏w等溫吸附曲線(xiàn)

3.3 煤巖吸附混合氣體后對(duì)滲透率的影響

已有研究表明（Karacan CO，2007），煤巖吸附CO2、CH4、N2會(huì)產(chǎn)生差異性膨脹應(yīng)變，這種差異性膨脹必然會(huì)改變煤巖孔隙率，從而改變煤巖滲透特性（梁衛(wèi)國(guó)等，2014）。通過(guò)研究吸附不同氣體對(duì)煤巖滲透特性的影響（方志明，2009），由圖5可以看出當(dāng)煤層中孔隙壓力增大時(shí)，三種氣體的滲透系數(shù)都會(huì)降低，其中以CO2最為明顯，呈陡坡?tīng)?；其次是CH4；影響最小的為N2。說(shuō)明當(dāng)煤層中注入CO2時(shí)，會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)明顯降低，影響煤層中氣體的解吸及吸附運(yùn)移，而在CO2中混入N2則會(huì)可以增加滲透系數(shù)，達(dá)到增滲的作用（王立國(guó)，2013）。

圖4 CO2/CH4/N2三元?dú)怏w等溫吸附曲線(xiàn)

3.4 混注煙道氣驅(qū)替煤層氣方法

綜合上文及前人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將煙道氣中的N2、CO2注入煤層以后，在煤層中壓力達(dá)到一定數(shù)值后，CO2可以有效置換出煤層中吸附的甲烷氣體，使煤層氣由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，同時(shí)由于N2的作用，使煤層滲透率提高，及其有利于游離態(tài)的煤層氣向上運(yùn)移擴(kuò)散，從而達(dá)到提高煤層氣采收率的目的。綜合前文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中煤層對(duì)不同比例CO2的吸附量曲線(xiàn)及各氣體對(duì)滲透系數(shù)的影響，本文初步認(rèn)為，將煙道氣進(jìn)行除塵去硫等處理以后注入CO2（圖6），將混合氣體的比例調(diào)整為CO2含量80%，N2含量20%后，充注到煤層中，可以充分驅(qū)替其中的CH4達(dá)到采收增產(chǎn)的目的，又可以將大量CO2貯存在地下煤層中。

1.煙道氣發(fā)生裝置；2.帶有自動(dòng)斷路的氧和易燃物分析記錄儀；3.除塵裝置；4.催化處理裝置（降低02、CO含量至小于2mg/L)；5.冷卻塔；6.二氧化碳；7.二級(jí)壓縮機(jī)組；8.干燥裝置；9.三級(jí)壓縮裝置

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)煤層氣賦存狀態(tài)及解吸機(jī)理的研究，可以看出CH4在煤層中是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中的，當(dāng)儲(chǔ)存條件發(fā)生變化時(shí)可以使CH4在吸附態(tài)與游離態(tài)之間互相轉(zhuǎn)換。而通過(guò)研究煤層對(duì)不同氣體的吸附量及滲透系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，煤層對(duì)CO2的吸附量最大，可以有效驅(qū)替出煤層中的煤層氣，但當(dāng)CO2注入量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)大幅度降低，而N2的注入則可以有效達(dá)到增滲的目的，這樣就可以在保證滲透系數(shù)不會(huì)降低太多的前提下，將更多的CO2儲(chǔ)存在煤層中，將煤層中的CH4驅(qū)替出來(lái)。

因此，本文初步認(rèn)為可以充分利用工業(yè)產(chǎn)生的煙道氣，通過(guò)凈化處理后注入CO2，調(diào)整混合氣體中氣體組分比例至CO2為80%，N2為20%，充注至煤層中，達(dá)到提高煤層氣采收率的前提下，充分利用廢棄氣體減少溫室氣體排放的目的。

劉洪林，李景明，寧寧，李貴中. 2007. 我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、前景及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議[J]. 天然氣技術(shù)，1(4)：9-12.

郝定溢，葉志偉，方樹(shù)林. 2016. 我國(guó)注氣驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)礦業(yè)，25(7)：77-81.

魏韋. 2010. 沁水盆地煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué).

王立輝. 2020. 低滲透裂縫性煤層氣儲(chǔ)層壓力敏感性研究[J]. 礦產(chǎn)勘查，11(1)：157-162.

卜范青，張凌杰，高丹. 2019. 慶陽(yáng)—黃陵地區(qū)煤層氣富集規(guī)律及目標(biāo)優(yōu)選[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，39(3)：394-398+402.

張圣麟，徐燏，王紹領(lǐng). 2008. 化工分析技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

馬濤，王海波，邵紅云. 2007. 煙道氣驅(qū)提高采收率技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 石油鉆采工藝，29（5）：79-81+84+123.

周來(lái)誠(chéng). 2015. 煤巖氣藏注入CO2/N2實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D]. 成都:西南石油大學(xué).

李增學(xué)，王明鎮(zhèn)，李江濤，郭建斌. 2003. 試論煤層氣地質(zhì)研究系統(tǒng)[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，22(04)：7-11.

周軍平. 2011. CH4、CO2、N2及其多元?dú)怏w在煤層中的吸附-運(yùn)移機(jī)理研究 [D]. 重慶大學(xué).

Karacan CO. 2007.Swelling-induced volumetric strains internal to a stressed coal associated with CO2sorption [J]. International Journal of Coal Geology，72(3-4):209-220.

梁衛(wèi)國(guó)，張倍寧，韓俊杰，楊棟. 2014. 超臨界CO2驅(qū)替煤層CH4裝置及試驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，(8)：10.

方志明. 2009.混合氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)的機(jī)理及試驗(yàn)研究[D]. 武漢:中國(guó)科學(xué)院研究生院.

王立國(guó). 2013.注氣驅(qū)替深部煤層CH4實(shí)驗(yàn)及驅(qū)替后特征痕跡研究[D]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué).

A Discussion on the Method of Improving Recovery Ratio of Coalbed Methane (CBM) by Proportional Mixed Injection of CO2and Flue Gas

HAN Ji-lei1ZHENG Zong-xue1ZHAO Zhi-min2

(1-Shandong Gold Group International Mining Development Co. , Ltd., Jinan 250101; 2- Shandong Institute of Geological and Mineral Engineering Investigation, Jinan 250014)

There are three main occurrence states of CBM in coal seams. When the storage conditions change, CBM can transform among the three states. This paper has a discussion on the change curve of CBM content when gases with different component contents are injected into coal seams under the same conditions from which the best method for increasing CBM production is obtained. Then, the best ratio of CO2/ flue gas in mixing by the gas content of each component contained in ordinary flue gas and the mixture with the best ratio is injected into coal seams Which can not only improve the recovery of CBM, but also bury waste gas and CO2underground.

occurrence state; langmuir isothermal adsorption model; CBM recovery ratio

P618.11

A

1006-0995（2022）02-0317-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.026

2021-06-19

韓繼雷（1989— ），男，山東濟(jì)南人，地質(zhì)工程師，主要研究方向：煤層氣地質(zhì)，礦產(chǎn)地質(zhì)勘查