CO2-ECBM技术可行性及存在问题

张 琨 桑树勋 刘世奇 刘长江

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 221116；3.中国石油大学地球科学与技术学院，山东 266580)

CO2-ECBM技术可行性及存在问题

张 琨1桑树勋1刘世奇2刘长江3

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 221116；3.中国石油大学地球科学与技术学院，山东 266580)

本文总结概括和评述了注入CO2强化煤层气采收率技术(CO2-ECBM)的国内外研究现状、理论基础、储层条件及其对储层改造作用产生的问题。已有的理论分析与工程实践表明，向煤层中注入CO2提高煤层气采收率技术具有巨大潜力，能够实现中国2000m以浅煤层气产量累计增产3.751×1012m3，该技术在理论和实际方面均有很广阔的应用前景，但其对储层的改造情况尚不明确，仍需要进一步研究。

CO2-ECBM 理论基础 可行性 研究现状

1 国内外先导性工程试验

1.1 国外先导性工程试验

CO2-ECBM技术是一项新兴的技术，它是指通过在煤储层中注入CO2促进煤层气产出，提高采收率。目前，世界范围内很多地区都在进行微型先导性试验，多井先导性试验技术也正在逐步开发，但还没得到商业化应用。

美国是最早进行CO2-ECBM现场测试的国家。1993年12月，美国的BP-Amoco公司在黑勇士盆地首先进行了注CO2提高煤层瓦斯采收率的现场试验(White et al.,2005a)；1995年，又对Allison和Tiffany两个煤层进行纯CO2和纯N2注入试验，并成功进行了煤层气的多井联合开采。研究结果表明，CO2注入煤层提高了煤层气的采收率，但由于储层吸附膨胀作用，注入CO2后煤层的孔隙度和渗透率均有所降低，在井筒附近尤为明显(Reeves,2004)。

1997年，加拿大阿尔伯达研究理事会的煤层气研究团体在阿尔伯达省Fenn Big Valley地区的Mannville煤层中采用注入CO2和N2的混合气体，进行了四个微型先导性试验。结果表明，通过注入CO2，提高了该地区的煤层气产量，并且发现随着CO2的注入，CO2的注入难度逐渐增加，但关井一段时间后又会有所恢复(王晓锋等,2010)。这是由于煤储层在CO2注入后煤层发生了吸附膨胀，尤其是在井筒周围的地层渗透率快速减小，当CO2向远离井筒的方向扩散时，井筒周围渗透率就会恢复。

2001年，由荷兰TNO公司在波兰的上西里西亚盆地实施开展了欧洲第一个CO2-ECBM技术项目试验；2002年，美国Consol能源公司在美国West Virginia的不可开采煤层中，进行了提高煤层气采收率和CO2埋存试验；2004年，意大利在Sulcis盆地合作CO2-ECBM的前期可行性调查；2008年美国Conoco Phillips公司在Pump Canyon进行了大规模的CO2注入煤层提高采收率的工程(Godec et al.,2014)；日本也启动了“CO2含水层储存技术研发计划”(2000～2005)，进行了从IGCC示范电厂捕获CO2并储存到废弃天然气田的整个系统的可行性研究(葛秀珍,2012)。

这一系列的CO2-ECBM先导性试验都开展顺利，基本上取得了很好的预期效果，并积累了丰富的经验教训。以圣胡安Allison区块试验为例：通过储层模拟方法，验证了煤层气采收率得到了很大的提高，CO2被埋存于煤层中的同时促进大量的CH4产出，CO2/CH4的注采比大约为2.5(朱和保,2010)。

1.2 国内先导性工程试验

CO2-ECBM技术在我国仍处于试验探索阶段。中国和加拿大政府在2002年至2006年联合开展了国内第一个的CO2-ECBM的现场试验——中国煤层气技术开发/CO2埋存项目。他们在山西沁水盆地进行了单井的CO2-ECBM微型先导性试验，连续13天内共向3号煤层注入192.8t液态CO2后关井，在闷井63天后，重新开井，TL-003井的气产量稳定在1015～1231m3/d，产水量是0.2～4.4m3/d(朱和保,2010)；之后又对沁水盆地南部柿庄北区SX-001井进行了CO2-ECBN的实验，每天注入20t CO2，研究发现：注入CO2后SX-001井的产气量是注入前的2.45倍，烃类气体总的置换效率达到14.18cm3/g(叶建平等,2012)。

中国煤炭资源丰富，煤层分布广泛，其中不可开采煤层占有很大比例，是采用CO2-ECBM方法进行煤层瓦斯抽采的良好地质体。目前，对于山西、陕西、内蒙古等主要煤层分布区的调查估算，我国主要煤层区可埋存的CO2约为120×108t(张洪涛等,2005)。单从环境保护，限制CO2排放的角度考虑，CO2-ECBM技术就很有意义；同时，CO2-ECBM技术可以很大程度上改善我国能源消费结构不合理、能源利用率低的现状。所以说，CO2-ECBM技术在我国拥有广阔的应用前景。

2 理论研究

2.1 理论基础

煤层中发育很多孔裂隙结构，其对气体分子存在吸附性，其吸附作用的本质是煤基质表面分子与气体分子间的相互作用力(降文萍等,2006)，由于气体分子的差异导致煤对不同分子的吸附能力有所不同。研究表明(Reeves,2004)，煤基质与气体分子之间作用力的大小与相同压力下气体的沸点有关，沸点越高，则其被吸附的能力越强，CO2比CH4沸点高，所以煤基质对前者的吸附能力强于后者(Cunningham,1980; Parkash等,1986)。这使得在煤层中注入CO2促进CH4解吸，增加煤层气采收率的CO2-ECBM技术有了理论基础。

2.2 作用过程及效果

在实际生产过程，当CO2注入煤层中时，CO2会沿着煤中孔裂隙结构进入煤层内部，一方面降低煤中CH4分压，迫使吸附态CH4的解吸转化呈游离态(高远文等,2008)，并沿裂隙向外运移流向井筒；另一方面煤对CO2的吸附能力要强于对CH4的吸附力，煤储层内实际发生了CH4和CO2的竞争吸附，结果是吸附能力更强的CO2将原有的CH4驱替出来从生产井中排出，而CO2则会储存在煤层中(张庆玲等,2005)。随着CO2的不断注入，当CO2气体到达了生产井的井筒突破产出时(唐书恒等,2004)，CO2-ECBM过程结束。

CO2驱替CH4的效果可以用CH4的解吸率来表征。CH4的解吸率是指在解吸过程中CH4解吸量占CH4总吸附量的百分比。刘向东(李向东等,2009)对不同方式下CH4气体解吸情况做了对比研究，分别记录下煤样在纯CH4气体解吸和进行CO2驱替CH4试验时单位压降下的CH4解吸率，如表1所示。

表1 纯CH4解吸试验和CO2驱替试验中单位压降下的CH4解吸率(刘向东等，2009)

从表1可以看出，煤层CH4在纯CH4解吸时单位压降下的解吸率为6.02%/MPa，而使用CO2驱替CH4时，单位压降下的CH4解吸率为10.7%/MPa，解吸率提高约78%(李向东等,2009)，这证明了CO2-ECBM技术可以在理论上大幅度增加煤层CH4的产出。

3 CO2-ECBM储层条件及存在问题

3.1 储层条件

综合分析CO2-ECBM的技术特性，在选择适合开展该技术的储层时，必须考虑下列因素：

(1)煤储层连续，煤储层应该是在水平方向连续、垂直方向相互独立的(Smith等,2013)，保证CO2运移顺畅且不易散失，有利于CO2与CH4充分作用；(2)构造条件，煤储层应该少发育或者不发育断层和褶皱，这是由于开启性断层和裂缝会导致大量的CO2沿着裂隙运移散失，而减少了与CH4相互作用的量，降低了CO2作用效果；(3)渗透率(王杰祥等,2014)，渗透率越大，注入效果越好，过小的渗透率则会导致CO2难以注入，使工程难度增加；(4)合适的埋深，埋深过浅会导致注入的CO2突破，而埋深过大尽管CO2的吸附能力没有很大程度降低，但增加深度会降低煤岩的渗透率，导致注入不易实施;(5)气体饱和度，研究表明(殷代印等,2015)CH4饱和度高的煤层比饱和度低的煤层在煤层气开发后期的效果更好。

3.2 存在问题

在工程实践中，假设地温梯度为3℃/100m，正常储层压力梯度为0.98MPa/100m，恒温带深度为20m，温度为10℃，而对于2000m埋深以浅的深部不可采煤层，其储层温度和压力均很容易超过CO2的临界温度(31.06℃)和临界压力(7.4MPa)。因此，注入深部煤层中的CO2将处于超临界状态(White等,2005b)，这会对煤储层性质产生一系列影响。

3.2.1 煤基质膨胀

一般来说，吸附导致膨胀，而解吸导致收缩(Plummer等,1976)。随着CO2的注入，其与煤层中CH4存在竞争吸附的关系。如前文所述，煤基质对CO2的吸附能力大于CH4，因此煤基质在解吸CH4和重新吸附CO2的过程中，必然会发生膨胀和收缩。但值得注意的是，不同气体导致煤基质的膨胀收缩程度不同(Larsen,2004a)。已经有的实验数据表明，CO2、CH4、N2和He四种气体引起的煤基质膨胀效应依次递减，而氦气吸附所引起的煤基质体积变化则可以忽略不计(Nishioka等,1990a)。虽然由于注入气体的吸附膨胀作用导致的体积应变只占总孔容的4%左右，孔隙度的变化也只有2%左右(Mirzaeian等,2006)，但在实际生产过程中会导致渗透率的显著变化(Pan等,2012)，CO2注入煤层会导致的煤体膨胀和裂隙闭合，使渗透率发生一个数量级程度的变化(Oudinot等,2011)。

3.2.2 超临界CO2增塑作用

在室温条件下，煤是一种玻璃质，具有一定脆性和坚硬，具有拉张性的、相互联结的大分子结构系统的状态，气体如CH4和CO2等在其中的迁移扩散相对较慢，而当被加热或者与某种溶液发生反应使其热能超过了分子间作用能时，煤会变的具有一定的塑性，具有了橡胶质特性，此时气体在煤中的运移速度就会相对变快(Giri等,2000; Larsen,2004b; Nishioka等,1990b)。注入的CO2在有地层水的存在条件下生成的碳酸与煤中的矿物发生反应从而扮演塑性剂的角色。具体表现为，CO2溶解在煤中会导致煤物理结构的重组，分子之间的作用力降低，从而降低了煤的从玻璃纸转化为橡胶质的软化温度(Larsen,2004c)。实验表明：CO2注入煤中会使煤样的弹性模量降低19%，煤体强度降低20%(Masoudian等,2014)，单向抗压强度降低了79%，杨氏模量降低了74%(Perera等,2013)。所以，CO2的注入会导致煤的软化和增塑，引起煤机械性能和物理性质的改变(Day等,2008; Siemons等,2007)。

3.2.3 CO2酸性影响

煤中的元素主要包括常量元素如Na、Mg、Al等以及微量元素如Be、Sc、V、Cr、Mn等。在CO2的地质储存过程中，各种元素将会发生不同程度的迁移，其迁移的能力大小以及迁移的方式与其在煤中的赋存方式和状态密切相关(Larsen,2004b)。CO2注入煤层后，将与煤层中的水生成H2CO3，从而使得地层水酸性增加，溶解煤中的矿物，导致赋存在中的元素发生迁移，同时增大附近区域煤层孔隙度和渗透率，但溶解的矿物有可能会在距离注入井较远的区域沉淀结晶，堵塞孔裂隙，对煤层气抽采产生不利影响。

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(责任编辑 黄 岚)

Technical Feasibility and Existing Problems of CO2-ECBM

ZHANG Kun1, SANG Shuxun1, LIU Shiqi2, LIU Changjiang3

(1. Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation Process, Ministry of Education, School of Resources and Geosciences, CUMT, Jiangsu 221116; 2. School of Safety Engineering, CUMT, Jiangsu 221116; 3. School of Geosciences, China University of Petroleum, Shandong 266580)

The paper summarizes and reviews the research status at home and abroad, the theoretical basis, reservoir conditions, and problems caused by the reservoir reconstruction effect of CO2Injection technology to enhance the recovery rate of CBM(CO2-ECBM). The present theoretical analysis and practice shows that the CO2-ECBM technology has great potential and it will help to the CBM production with the burial depth lower than 2000m to accumulatively increase by 3.751×1012m3. This technology is of broad application prospect in both theory and practice aspects. However, the influence of reconstruction on the reservoir is still unclear and requires further research.

CO2-ECBM; theoretical basis; feasibility; research status

国家自然科学基金项目(41330638、41402135)

张琨，男，在读研究生，研究方向为煤层气开发地质与工程。