注二氧化碳提高煤层气采收率实验系统设计*

孙仁远 任晓霞 胡爱梅 陈 东 林 李

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院 北京昌平) (2.中国石油大学(华东)石油工程学院 山东 青岛)(3.煤层气国家工程研究中心 北京)

注二氧化碳提高煤层气采收率实验系统设计*

孙仁远1、2任晓霞2胡爱梅3陈 东3林 李2

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院 北京昌平) (2.中国石油大学(华东)石油工程学院 山东 青岛)(3.煤层气国家工程研究中心 北京)

针对我国煤层气开发中存在的产气率低、回采周期长的问题以及CO2排放量大、污染环境严重等现象,研制了一套可以进行煤层气吸附/解吸性能评价及注CO2开采煤层气模拟的实验系统。利用该系统开展了不同气体在煤岩中的吸附/解吸性能评价研究和注CO2开采煤层气效果实验研究。实验结果表明,CO2在煤岩中的吸附量明显高于CH4的吸附量;与自然降压开采相比,注CO2可以提高煤层气的采收率,提高幅度在10%以上。而且随CO2注入量的增加,煤层气采收率增大。

煤层气;二氧化碳;吸附;提高采收率

0 引 言

煤层气是一种新型的非常规天然气资源,指煤层本身及其邻近围岩中所含有的一种以CH4为主的多组分气体。据估计,我国的煤层气资源达 35×1012m3,具有很大的开发潜力[1～3]。目前,煤层气的开发主要采用降压开采方法,其采收率仅能达到30%～50%[4]。近年来,注CO2开采煤层气成为国内外关注的开采方法。Reznik[5]发现通过向煤层中注入非CH4气体可以增加 CH4气体的产出率。Zuber[6]等和Clarkson[7]通过注入CO2实验发现CO2可以提高煤层气采收率。K.Jessen等[8]通过研究CO2和N2以及混合气体对煤层气采收率的影响,得出了混合气体注入的提高采收率机理。2004年,中联煤层气公司与ARC公司合作,成功完成了对沁水盆地南部TL-003井的野外CO2注入试验,取得了很好的效果。唐书恒等[9]和高远文[10]等做了CO2和CH4混合气体的降压开采室内实验研究。

本文将在煤岩介质对CO2和CH4的吸附特性评价的基础上,利用注CO2开采煤层气模拟实验装置,对比研究了煤层气自然降压开采和注CO2开采的效果,研究了CO2注入量对煤层气采收率的影响,为煤田开展注CO2开采煤层气提供理论依据。

1 实验材料与实验装置

实验材料包括煤样(将块状煤粉碎后过筛,经充填压实后作为实验样品)、CH4(瓶装,纯度99.99%)、CO2(瓶装,纯度99.99%)、蒸馏水、NaOH等。

整个实验系统主要有五部分组成,分别是:

1)注入系统

作为煤层气主要成分的CH4气由CH4高压气瓶供给,驱替用CO2由高压CO2气瓶提供,气瓶上装有减压阀2使高压气体压力降低,经减压的气体进入标准容器4。以上构成了实验装置的注入系统。

2)模型系统

利用装入填煤管中的压实煤来模拟煤层,将CH4气注入煤样中被煤吸附来构建煤层气(CBM),利用降低高压容器中煤样中吸附CH4气体压力的方法来模拟常规煤层气生产,将CO2气体注入煤层后置换CH4气来模拟CO2-ECBM生产过程。

3)数据采集计量系统

该系统主要由图1中的CO2吸收装置、排水系统和量筒组成,主要用于采集和计量煤样解吸和CO2驱替的CH4量。为消除CO2气体对测量结果的影响,在装置15中充满饱和NaOH溶液,以吸收排出的CO2。用压力表所带的六通阀控制出气量,以保证不断地测定排出的CH4气体量。

回压系统主要由压力表、回压阀、CO2吸收装置和减压阀组成,其主要作用就是控制出气口的压力。回压系统上游接填煤管的出气口,下游接数据采集计量系统,以控制进入吸收系统和集气系统的CO2和CH4气量,便于分次测定。

5)抽真空系统

主要功能是将填煤管抽真空,减小实验误差。

2 实验方法

2.1 煤样制备

将块状煤样粉碎、过筛、烘干、称质量,然后装入填煤管中,边填边压实。

2.2 煤样吸附特性评价原理

煤层气有三种基本存在形式:游离状态、吸附状态和溶解状态,三种状态处在一个动态平衡过程中。而煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中,只有当储层压力降低后才可从基质中解吸出来。

第一个吸附平衡压力p2所对应的吸附体积V0为:

式中,p1为第一次向缓冲容器中注入甲烷气体的压力,MPa;p2为煤岩样品的第一个吸附平衡压力,MPa;psc为标准条件下大气压力,MPa;Vh为缓冲容器的体积,m3;Vφ为填充煤岩样品的孔隙体积,m3;Z1、Z2为压力p1和p2对应的真实气体压缩系数。

第n个吸附平衡压力点pn2对应的甲烷吸附体积Vn为:

式中,m为煤岩样品的质量,kg。

2.3 煤样吸附特性评价步骤

1)关闭填煤管和标准容器的出口阀门,将填煤管抽真空2 h。

2)打开气瓶阀门,将气体充入标准容器中,记录压力为p1,关闭气瓶阀门。

3)打开填煤管入口阀门,连通标准容器和填煤管,在压力表读数稳定时,记录平衡压力p2。

4)改变充入标准容器中的气体的压力,重复步骤(2)和(3),得到一系列的平衡压力值。

2.4 注CO2开采煤层气实验步骤

1)关闭填煤管和标准容器的出口阀门,将填煤管抽真空2 h。

2)打开甲烷气瓶阀门,将甲烷充入标准容器中,记录压力为P1,关闭气瓶阀门。

3)打开填煤管入口阀门,连通标准容器和填煤管,在压力表读数稳定时,记录平衡压力p2。

4)调节回压阀压力P2,以一定的流量向填煤管中注入二氧化碳气体,产出的二氧化碳气体由碱液吸收,记录时间和采出的甲烷气量。

3 实验结果与分析

3.1 煤样对CH4/CO2的吸附特性对比

煤样对CO2、CH4的吸附规律都近似符合Langmuir等温吸附方程式,且CO2的吸附曲线位于CH4的吸附曲线之上,在相同的压力下煤对CO2的吸附量是CH4的1.8～2.8倍,如图2所示,说明了煤样对CO2的吸附能力大于其对CH4的吸附能力。

图2 不同气体在煤岩介质中的吸附曲线

3.2 注CO2和自然降压开采煤层气效果对比

图3给出了注CO2和自然降压开采煤层气的效果对比。由图可见,自然降压条件下CH4的采收率为72%,注CO2开采煤层气的采收率为88%。二者比较可知,注CO2使煤层气的采收率提高了16%。

3.3 CO2注入量对煤层气开采效果的影响

以注入的CO2的压力分数为横坐标,以采出CH4的最终采收率为纵坐标,如图4所示,对比分析不同注入气体压力分数条件下,采出气量的变化。

图3 不同开采方式对煤层气采收率的影响

根据曲线的变化规律可以发现,注入CO2的气量越多,CH4的采收率越大,注入的CO2的压力分数较小时,采出曲线呈平缓的上升趋势,当注入的CO2的压力分数达一定值(0.1)时,采出曲线呈线性明显增加,继续增加注入的CO2的压力分数,大约增加至0.28,曲线又趋于平缓,这表明,CO2的注入气量可以在一定条件下提高煤层气的采收率。而且,煤层CH4一定时,CO2有个最佳的注入量,也即一定的煤层吸附CO2的能力是有限的,达到最佳注入量(0.4)后,即使再增加CO2的注入气量,也不能提高煤层CH4的采收率。煤层气进行商业开采时,应从经济因素考虑CO2的注入量。

图4 注入不同体积CO2对CH4采收率的影响

3.4 注CO2提高煤层气采收率机理分析

煤对气体的吸附以物理吸附为主,主要吸附力为范德华力。煤对气体吸附的强弱取决于煤对不同气体吸附热的差异,吸附热越大,吸附强度也越大。研究表明[4],煤对气态水的吸附热最大,其次为CO2,再次为CH4及其同系物,且随碳数的增大而增大,最后为N2。这可以很好的解释煤对CH4和CO2的等温吸附曲线。煤内表面上分子的力场是不饱和的,因此它具有吸附气体的能力。CO2与煤表面大分子之间的吸附作用大于CH4,即CO2更易与煤表面大分子结合,因此CO2的吸附量明显高于CH4的吸附量。

随着CH4的开采,煤层中孔隙压力下降,相应作用在煤基质上的有效应力就会增加。有效应力增加导致煤层裂隙闭合渗透率迅速下降。对于低渗透的煤层气藏,渗透率是影响其产能的重要因素,CO2的注入在一定程度上缓解了煤层孔隙压力的降低,对于保持煤层的原始渗透率起到了重要作用。

4 结 论

1)设计了一套注二氧化碳提高煤层气采收率实验系统,它包括注入系统、模型系统、数据采集计量系统、抽真空系统和回压系统等,可以开展煤层气吸附/解吸评价实验、煤层气模拟开采实验以及注CO2提高采收率模拟实验等。

2)在相同实验条件下,CO2在煤岩中的吸附量明显高于CH4的吸附量,说明与CH4相比CO2更容易吸附在煤岩表面,将甲烷置换出来。

3)与自然降压开采相比,注CO2可以提高煤层气的采收率,提高幅度可达10%以上;随CO2注入量的增加,煤层气采收率增大。

4)CO2和CH4在煤岩表面的竞争吸附是CO2提高煤层气采收率的机理之一。

[1] 王红岩,刘洪林,赵庆波,等.煤层气富集成藏规律[M].北京:石油工业出版社,2005

[2] 赵 群,王红岩,李景明.快速排采对低渗透煤层气井产能伤害的机理研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2008,27(3)

[3] Mavor M J,Owen L B,Prott TJ.Measurement and evaluation of coal sorption isotherm data[J].SPE 20728,1990

[4] Puri R,Yee D.Enhanced Coal-bed Methane Recovery[A].Proceedings of the Society of Petroleum Engineers[C].NewOrleans LA,1990

[5] Reznik A A,Aingh P K,Foi EYW I.An analysis of the effect of CO2injection on the recovery of insitu methane from Bituminous coal:an experimental simulation[J].SPE102118,1984

[6] Zuber M D.Production characteristics and reservoir analysis of coalbed methane reservoirs[J].International Journal of Coal Geology,1998,38(1～2)

[7] Clarkson C R,Bustin R M.Binary gas adsorption/desorption isotherms:effect of moisture and coal composition upon carbon dioxide selectivity over methane[J].International Journal of Coal Geology,2000,42(4)

[8] K.Jessen,Guo-Qing Tang,Anthony R.K ovscek.Laboratory and Simulation Investigation of Enhanced Coalbed Methane Recovery by Gas Injection[J].Transp Porous Med,2008,73

[9] 唐书恒,马彩霞,叶建平,等.注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的实验模拟[J].中国矿业大学学报,2006,35(5)

[10] 高远文,刘大猛,姚艳斌,等.阜新煤田注二氧化碳提高煤层甲烷的研究[J].煤炭科学技术,2008,36(1)

[11] 何应付,张亚蒲,刘学伟.煤层气藏单相气体渗流特征实验研究[J].中国煤层气,2009(2),6(1)

Experimental system design for CO2 enhanced coalbed methane recovery.

Sun Renyuan,Ren Xiaoxia,Hu Aimei,Chen Dong and Lin Li.

The production rates of coalbed methane wells are lower for the special properties of coalbed and coal,compared with those of other countries.CO2 emission will result in a serious enviromental problem.A new experimental system was designed to evaluate the adsorption and desorption properties of different gases in coalbed samples and to simulate the method of enhanced coalbed methane recovery by CO2 injection.The adsorption and desorption properties of different gases were measured by using this equipment.Experiments of displacment of methane by CO2 injection were conducted and compared with pressure decreasing method.Experiments show that CO2 can be easily adsorbed to the coalbed samples,compared with methane.The gas recovery rate of CO2 displacement increases more than 10%,compared with that of pressure decreasing method.The gas recovery rate increases with the increasing of the injected volume of CO2.The different adsorption properties of CO2 and methane can be one of the mechanisms foe gas recovery rate increasing.

coalbed methane;carbon dioxide;adsorption;enhanced gas recovery

TE357

B

1004-9134(2011)03-0018-03

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB219606);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(09CX05003A);中国石油大学(华东)研究生创新基金资助项目(S10-08;SZ10-12)

孙仁远,男,1968年生,教授,博士后,主要研究方向为煤层气开发、提高油气采收率、二氧化碳埋存等。邮编:102249

2010-12-27编辑高红霞)

PI,2011,25(3):18～20,23

·开发设计·