CO2-ECBM技术的利弊分析

白云云，张永成

（1.榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000；2.西北大学地质学系，陕西西安710069；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城048000）

CO2-ECBM技术的利弊分析

白云云1，2，张永成3

（1.榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000；2.西北大学地质学系，陕西西安710069；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城048000）

CO2-ECBM（注入CO2开采煤层气）技术已成为研究热点，必须要对该技术有客观认识。基于对煤与煤层气之间相互作用及其运移过程的分析可知，注CO2开采煤层气可通过增能作用、吸附置换和驱替作用来实现增产；与此同时，气源、工艺、腐蚀、安全及投资问题也都是工程实施过程中要考虑的因素。本文综合分析了注CO2开采煤层气的利弊，指出应当综合考虑工艺本身的优点和缺点，根据实际情况，选择适合开发方式，还要对整个环节进行系统的经济评价，对理论研究和实际生产均有指导意义。

CO2-ECBM；吸附；置换

由于煤层气大多吸附在低渗储层当中，无法形成以抽采井为半径的大范围的解吸-扩散-渗流圈，很难获得较高的产能[1]。注CO2开采煤层气（CO2-ECBM）技术不仅可以补充地层能量，实现对煤层气的驱替，还能实现对CO2的封存，具有重大的经济和环保意义[2]。国内外对煤层注CO2开采煤层气的研究历史由来已久，但对于具体的煤层气藏是否适合注CO2开发，技术上是否可行，经济上是否合理，安全上是否有保障，还需进一步研究。因而，在工艺实践实施过程中，如何依据煤层实际情况选择具体工艺方法已成为项目能否成功的关键。

1 CO2-ECBM机理

煤层气开采理论的基础是“解吸－扩散－渗流”，与之对应的工艺过程是“排水－降压－解吸”。在煤层气排采过程中，常规的抽汲排液使得生产井附近形成压力亏空，因此需要对煤层气进行保压开采，注气驱替煤层气被认为是一种具有发展前途的新措施，所以该方法受到各方面的广泛关注[3，4]。为此，在煤层中注入CO2气体可以有效提高煤层气的单井产量，其增产机理如下：提高煤层气藏产能、吸附置换煤层中CH4及对气体的驱替作用。

1.1 增能作用

煤层气在生产过程中，一方面由于排采使得井底附近形成负压区，而煤本身表现为脆性，其弹性恢复能力较弱，这使得煤储层的压力传导能力较弱，地层容易亏空，不能及时得到补充，在上覆岩层的压力下，煤层的压敏效应很强，很容易破碎，破碎的煤粉极易阻塞气井的孔道和裂隙，造成近井带渗透率的下降。实践证明，无论是生产前注气还是边注边采，都可以使地层压力维持较高水平，从而提高气体渗流速度。由于气体压缩膨胀做功，增加了弹性能量，提高了整个煤层的压力传导系数，快速弥补开采负压区的亏空，提高了气井产能[5]。

1.2 吸附置换

通过室内实验表明，CO2更易与煤表面大分子结合，当CO2被注入到煤层时，将会置换在煤表面的CH4并使其解吸；另外相比于CH4，CO2有更小的分子直径，因此更容易进入煤层微孔隙中，而CH4则被微孔隙过滤。总而言之，注入CO2使得煤表面对CH4的吸附引力降低，促使更多的CH4从煤表面解吸，平衡煤的表面能[6，7]。

1.3 驱替作用

对煤层气注气驱替来讲，驱替气体的注入维持了比单纯抽排更高的压力梯度，起到增加流体流速的作用。在大多数情况下，注入气体与煤层气性质差异不大，气体间的流度和流态差异较小，因此一定数量的气体会残留在煤气界面及煤基质表面。即使这部分气体与注入的气体间没有物质交换，但上游气却可以将煤层气中的一些轻质组分抽提，并携带到井底[8]。

2 CO2-ECBM的优势

目前，加拿大、美国和欧洲的一些组织和产业界已经试图将CO2的注入技术推广和商业化，进一步抑制温室气体的排放，这显示了该项技术良好的发展前景[9]。CO2-ECBM的主要优势有：

（1）煤层注入CO2能够维持地层能量，实现保压开采，降低压敏效应对煤层的影响。

（2）煤储层吸收CO2能力强，可在较低注气压力下实现注采平衡。

（3）注入的CO2不会和地层中煤和黏土矿物反应，造成储层伤害。

（4）如果煤层间有良好的隔层，且非均质性好，则注入CO2时可减小气窜的可能性。

（5）注入的CO2一方面将煤层气置换，另一方面将大量CO2封存地下，具有经济和环保双重优势。

3 CO2-ECBM的不利因素

CO2-ECBM也有其不利的一面。复杂的储层条件会影响注CO2开发效果，在驱替的过程中，极容易造成气窜，生产井过早见气，影响波及系数和驱替效率。因此，注空气实施之前，要根据煤层气藏本身的特点，明确注气开发过程中的利弊，以达到最优效果。笔者通过调研，归纳出目前影响CO2-ECBM效果的因素主要有：

3.1 气源不足

CO2是潜在碳资源，无论是天然的，还是各种尾气、炉气、副产气，都必须进行分离回收和提浓，才能合理利用。工业上分离回收CO2的方法有溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法和变压吸附法以及这些方法的综合利用，从CO2-ECBM技术本身来说，利用上述方法作为CO2气源经济效益并不显著。我国不像美国、加拿大等国有丰富的CO2资源，气源不足是制约我国实施CO2-ECBM技术最主要的因素。

3.2 腐蚀作用

在地层条件下，二氧化碳溶入水后对生产管线有极强的腐蚀性，其腐蚀强度甚至要超过盐酸，其最典型的特征呈现全面腐蚀和局部腐蚀（点蚀、台地侵蚀）。其中台地侵蚀是腐蚀过程中最严重的一种情况，腐蚀速率可达7 mm/a甚至更高，每年可达几毫米，同时腐蚀产物被注入的CO2带入地层还会堵塞储层孔隙[10]。

3.3 煤体膨胀

在煤层气开采过程中，由于裂缝中流体压力的变化引起的煤基质收缩、膨胀、吸附和解吸作用导致的煤基质收缩、膨胀对煤层气的开采和CO2的注入及存储均有影响，而吸附和解吸导致的渗透率变化很大，对CH4和CO2存储具有很大影响。特别是CO2的注入会导致煤基质的膨胀，降低煤层的裂缝渗透率，对煤层气开采有负面影响。

3.4 安全性

由于CO2相对更易被煤层吸附，且解吸速度快于甲烷的特点，一旦发生煤与CO2突出，其猛烈程度势必要比煤与瓦斯突出更高。相同平衡条件下，不同煤级煤分别吸附CH4、N2、CO2，吸附量随煤级的增高而增高；不同煤对于气体吸附的优先顺序为：CO2>CH4>N2。煤吸附瓦斯属于物理吸附中的固-气吸附范畴，吸附作用是由过剩的表面自由能引起的，可通过煤的表面自由能的变化规律来解释煤吸附能力的差异，吸附质分子直径的大小，分子直径越小越容易进入孔径小的空隙，被吸附的几率相对增大；CO2气体在3种气体中的分子直径最小，临界温度最高，同样条件下，煤层对CO2吸附量最大。根据煤的吸附解吸实验及其物理吸附特性，认为煤对瓦斯的吸附解吸过程基本可逆，那么煤对CO2解吸量也将远大于CH4的解吸量，所以当发生煤与CO2突出时其能量比煤与CH4突出更强大[11]。

3.5 工艺要求高

当煤储层注入CO2后，压力梯度、煤储层压力、渗透率也随之发生变化，进而引起煤储层自身基质裂隙、割理系统以及孔隙的改变，其圈闭条件随之发生变化；如注入速率过高，CO2有可能突破整个煤层顶底板，而影响驱替效率；随着CO2的不断注入，随着能量积聚在煤层内部及顶底板，极有可能会发生煤与CO2突出，因此，深部不可采煤层进行注入CO2尝试，但需认真考虑工艺的复杂性和安全性。

3.6 投入大

规模化注CO2技术需要有专用的注气设备及相关配套设施，一次性投资大，且实施过程中CO2气体容易过早突破，会影响波及效率和采收率，因此，当生产井窜入CO2后，不可避免地会引起地层压力降低，产量降低，此时应当根据采出程度的大小考虑其他接替的开采方法。

总之，CO2-ECBM实施前应当综合考虑其本身的优点和缺点，根据煤层气藏的实际情况，选择适合的开发方式，还要对CO2-ECBM的整个环节进行系统的经济评价，以达到最优开发效果。

4 结论

（1）国内外的储层模拟研究和先导试验表明，CO2-ECBM能够提高煤层气的单井产量和采收率，注气主要机理如下：吸附置换、增能作用及驱替作用。

（2）对于特定煤层气藏，CO2-ECBM能有效地改善煤层的原始结构，促进CH4的解吸，增加煤层气井的产能，同时还可将大量CO2贮存于地下，具有经济和生态双重优势。

（3）CO2-ECBM的实施过程中，气源、工艺、腐蚀、安全及投资问题都是应该考虑的问题。

（4）CO2-ECBM实施之前，要根据煤层气藏本身的特点，明确注CO2开发过程中的利弊，还要进行系统的经济评价，以达到最优效果。

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［5］张永成，田永东，赵祉友，等．注气提高煤层气开发效果适应性分析［J］.能源与节能，2012，（12）：5-7.

［6］马伟，郑万成.CO2-ECBM项目中潜在煤（岩）与CO2突出隐患分析［J］.煤矿安全，2010，43（11）：80-82.

［7］夏德宏，张世强．注CO2开采煤层气的增产机理及效果研究［J］.江西能源，2010，（1）：7-10.

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［11］叶建平，冯三利，范志强，等．沁水盆地南部注二氧化碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究［J］．石油学报，2007，28（4）：77-80．

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

陕西省教育厅项目，项目编号：16JK1889；山西省煤基重点科技攻关项目，项目编号：MQ2014-05。

白云云，男（1982-），陕西榆林人，博士研究生，主要研究方向为油气田地质与开发，邮箱：185732473@qq.com。