注气提高煤层甲烷采收率基础研究

发布网友 发布时间：2022-04-29 21:12

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唐书恒 汤达祯 杨起

（中国地质大学（北京）能源学院 北京 100083）

作者简介：唐书恒，1965年生，博士。现为中国地质大学（北京）能源学院教授。主要研究方向为煤层气地质与开发。E-mail：tangsh@cugb.e.cn。

摘要 煤层气的储存方式以吸附为主。与常规天然气相比，煤层储气能量低，渗透性差，开采难度大。我国煤层气开发更是面临着“三低一高”的问题，采用压力衰竭技术进行煤层气开发的采收率非常低，严重制约了我国煤层气产业的发展。开展注气提高煤层甲烷采收率的基础研究，具有重要的现实意义。本文介绍了为提高煤层甲烷采收率所进行的一系列实验研究的成果。包括二元或多元气体等温吸附-解吸实验、注气驱替煤层甲烷实验等，分析了不同地区煤储层在注入不同组分气体时的采收率变化，以及等温吸附过程中的组分分馏效应，为实施注气提高煤层甲烷采收率作业奠定了基础。

关键词 二元气体等温吸附实验 煤层甲烷 提高采收率 驱替实验

本文受国家重点基础研究发展规划项目（2002CB211702）和教育部新世纪优秀入才支持计划（NECT）资助。

Foundational Research on Enhanced CBM Recovery by Gas Injection

Tang Shuheng，Tang Dazhen，Yang Qi

（School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083）

Abstract：Adsorption is the main storage manner of CBM.Compared with the conventional natural gas，CBM has characteristics of lower storage energy，lower permeability and more difficulty to be exploited.CBM exploitation in China is faced with problems such as lower permeability，lower gas saturation，lower reservoir pressure factor and higher inhomogeneous.CBM recovery is very low through pressure depletion technology which limits the development of China's CBM instry.The foundational research on enhanced CBM recovery by gasinjection has very important practical significance.This paper introced the results of various experiments carried out for enhanced CBM recovery.These experiments included binary-components or multi-components gas adsorption/desorption isotherm experiments，experiment of displacing CBM by gas-injection and so on.CBM recovery variation of coal reservoirs in different areas as injecting different component gases were analyzed and the component fractionation effect in multi-component gas adsorption isotherm experiments was discussed.This research set the foundation for carrying out the operation of enhanced CBM recovery by gas-injection.

Keywords：binary-component gas；adsorption isotherm experiment；CBM；enhanced recovery；displacement experiment

1 晋城地区煤层气成分及解吸规律

众所周知，煤层气中除CH₄以外，还含有N₂和CO₂等气体组分，这些非CH₄组分的数量虽然不大，但它们对煤层气的吸附和解吸行为却会产生明显的影响（艾鲁尼，1992）。采用纯甲烷进行煤的等温吸附试验，所获得的煤储层的吸附—解吸特性，不能代表煤储层的真实情况。以此为依据来评价煤层气的开发潜力，将会产生错误的结论。因此，研究煤层对多元气体的吸附—解吸特性，对于正确评价煤层气的开发潜力具有重要意义（唐书恒，2002 a）。

例如，根据纯甲烷的等温吸附曲线对晋城目标区的TL—003井进行开发潜力评价时，发现计算的临界解吸压力比实际排采时的解吸压力低0.7MPa。同样的情况也出现在寿阳目标区的HG6井和铁法目标区的DT3井。为了解释这种现象出现的原因，作者选择晋城目标区的甲、乙两口煤层气井，进行了煤层含气量和气体成分的测定。

经过对这两口井3号和15号煤层的煤层气组成进行分析发现，甲烷含量为91.56%～97.71%，氮气含量为2.18%～8.34%，还含有少量二氧化碳和重烃。而且由于取样时间的不同，解吸出的煤层气组分发生规律性的变化（图1、图2）。随着解吸时间的延长，煤层气中的CH₄组分逐渐增加，而N₂组分逐渐减少。

图1 各煤样中不同采样时间的CH₄浓度平均值

图2 各煤样中不同采样时间的N₂浓度平均值

2 二元气体等温吸附实验的应用

作者据此开展了二元气体与纯甲烷气体的等温吸附实验的对比分析。并且发现，用纯甲烷气体的吸附等温线来评价煤层气的开发潜力，其结论显然不一定正确。根据晋城地区煤层气成分主要为CH₄和少量N₂的事实，进行了80%CH₄+20%N₂以及纯甲烷气体的等温吸附实验。甲井3号煤的储层压力是4.0MPa，总的含气量为16.0m³/t，按照实验气体的组成，则其中的CH₄含量为12.8m³/t。

2.1 用纯CH₄吸附等温线计算煤储层的含气饱和度与临界解吸压力

根据实验结果，用纯CH₄气体测定该煤层的吸附等温线，其Langmuir常数为：V_L=34.58m³/t，P_L=1.71MPa。由此计算出煤层在储层压力下的饱和CH₄含量为24.22m³/t。

煤层含气饱和度=实测CH₄含量/饱和CH₄含量=12.8/24.22=52.85%；

计算得到其临界解吸压力为1.0MPa；

临储比=临界解吸压力/储层压力=1.0/4.0=0.25。

2.2 用二元气体吸附等温线计算煤储层的含气饱和度与临界解吸压力

根据实验结果，用 80%CH₄+20%N₂二元气体测定该煤层的吸附等温线，则其Langmuir 常数为：V_L=27.17m³/t，P_L=1.58MPa。由此计算出煤层在储层压力下的饱和含气量为19.48m³/t。

煤层含气饱和度=实测含气量/饱和含气量=16/19.48=82.14%；

其临界解吸压力为2.26MPa；

临储比=临界解吸压力/储层压力=2.26/4.0=0.565。

可以看出，对于煤层气中含有80%CH₄和20%N₂的煤层来说，用二元气体等温吸附方程计算煤层的含气饱和度及临界解吸压力，比用纯CH₄气体的等温吸附方程的计算值要高得多。煤层气井实际排采的解吸压力，明显高于根据纯甲烷吸附等温线计算的临界解吸压力，是对上述结论的有力证明（唐书恒，2002b）。

3 扩展 Langmuir方程的预测效果

根据单组分气体的等温吸附实验，获得了纯CH₄和纯N₂的Langmuir 常数（表1）。在进行20%N₂+80%CH₄二元混合气体的等温吸附实验时，测定了每一个平衡点的总压力和游离相的气体组分，则据此可以计算出各组分的分压，然后用扩展Langmuir 方程，即可预测二元混合气体在不同压力下的吸附量，计算结果见表1。

表1 用扩展Langmuir方程预测20%N₂+80%CH₄二元气体的吸附

将扩展Langmuir方程计算出的20%N₂+80%CH₄二元混合气体在不同压力下的吸附量，与实测值相比，误差为6.41%～19.08%，而且，在高压阶段的预测误差比低压阶段更大（表1）。实验的数据显示，除了压力最低的一个点以外，其余压力点的吸附量预测数据均比实测值大，而且，误差都在10%以上。

通过对预测结果的拟合，可以得到预测的煤样对20%N₂+80%CH₄二元混合气体吸附Langmuir方程（表2、图3）。

表2 预测20%N₂+80%CH₄二元气体的Langmuir方程与实测值的比较

图3 实验数据与扩展Langmuir方程预测值的比较

1—纯CH₄吸附实验数据；2—扩展Langmuir方程预测数据；3—混合气体吸附实验数据

通过比较扩展Langmuir方程的预测值与二元气体以及纯CH₄吸附实验的实测值（表2、图3），我们发现，对于含有非CH₄气体的煤层气来说，不仅不能用纯CH₄的等温吸附方程来代替二元混合气体的等温吸附方程，也不能用扩展Langmuir 方程的预测值来代替它，因为它们之间均存在较大差异。必须进行混合气体的等温吸附实验，才能获得准确的吸附特性参数，正确进行煤层气开发潜力的评价（唐书恒，2003）。

4 纯甲烷气体与二元混合气体的理论最大采收率

为了对比分析纯甲烷气体和二元混合气体的理论最大采收率，进行了纯甲烷气体和三种二元混合气体的等温吸附和解吸实验（唐书恒，2002 c），这三种二元气体分别为50%CH₄+50%N₂、80%CH₄+20%N₂和80%CH₄+20%CO₂。实验所用煤样采自晋城矿区施工的一口煤层气井的15号煤层，煤级为无烟煤。

根据实验结果发现，虽然所有这些气体的吸附和解吸过程都遵循Langmuir方程，但是吸附和解吸过程的轨迹可能各不相同（Chaback，1996）。所以，应当根据等温解吸曲线计煤层气的采收率。理论最大采收率的计算公式（叶建平，1998）为：

η=1-V_LP_ad/V_me（P_ad+P_L） （1）

式中：η——理论最大采收率；V_L——Langmuir体积，m³/t；P_L——Langmuir压力，MPa；P_ad——废弃压力，煤层气井生产中所能降到的最低储层压力，MPa；V_me——煤层实际含气量，m³/t。

为了便于对比四种气体的理论最大采收率，此处假定15 煤层的含气量均为20m³/t，而其开采时的废弃压力均为0.7MPa。然后根据不同气体等温解吸曲线的Langmuir常数和公式（1），则可以计算出在煤层含气量为20m³/t时四种气体在降压解吸过程中的理论最大采收率（表3）。

表3 四种气体在降压解吸时的理论最大采收率

由表3可以看出，在含气量相同的情况下，二元气体的理论最大采收率比纯甲烷的理论最大采收率要高得多。

5 二元气体等温吸附过程中的组分分馏效应

5.1 二元气体等温吸附实验中游离相组分的变化

分别进行了三组不同浓度的CH₄-N₂二元气体的等温吸附实验，以及三组不同浓度的CH₄-CO₂二元气体的等温吸附实验（唐书恒，2004）。

由图4可以看出，在CH₄-N₂二元气体的等温吸附实验中，吸附能力强的CH₄组分优先吸附，由此造成样品室中游离相的CH₄摩尔分数呈先降低然后逐渐增加的趋势，而N₂摩尔分数有先增加然后逐渐减少的趋势。与此类似，由图5 可以看出，在CH₄-CO₂二元气体的等温吸附实验中，吸附能力较强的CO₂组分优先吸附，造成样品室中游离相的CO₂摩尔分数呈先降低然后逐渐升高的趋势，而CH₄摩尔分数有先升高然后逐渐降低的趋势。这种变化趋势是由于煤不同气体组分吸附能力的差异而造成的组分分馏效应（唐书恒，2005）。

图4 CH₄-N₂二元气体等温吸附实验中游离相气体组分的分馏效应

图5 CH₄-CO₂二元气体等温吸附实验中游离相气体组分的分馏效应

5.2 二元气体等温吸附实验中吸附相组分的变化

根据二元气体等温吸附实验中游离组分的浓度变化规律，利用扩展Langmuir方程的推论（Clarkson，2000），可以计算二元气体各组分在吸附相中的相对浓度。

由图6可以看出，在CH₄-N₂二元气体的等温吸附实验中，由于CH₄的吸附能力高于N₂，在竞争吸附中占据优势，随着吸附实验的进行，吸附相的CH₄的相对浓度逐渐增加，而N₂的相对浓度逐渐降低。与此类似，由图7可以看出，在CH₄-CO₂二元气体的等温吸附实验中，由于CO₂的吸附能力高于CH₄，在竞争吸附中占据优势，随着吸附实验的进行，吸附相中CO₂的相对浓度逐渐增加，而CH₄的相对浓度逐渐降低。

图6 CH₄-N₂二元气体等温吸附实验中吸附相气体组分的分馏效应

图7 CH₄-CO₂二元气体等温吸附实验中吸附相气体组分的分馏效应

5.3 二元气体等温吸附的相分离图

根据上述实验结果，可以绘制出CH₄和N₂组分以及CH₄和CO₂组分在游离相与吸附相之间的相分离图（图8，图9）。

图8 CH₄-N₂二元气体在等温吸附实验中的相分离图

图9 CH₄-CO₂二元气体在等温吸附实验中的相分离图

从图8中可以看出，整体上来说，随着游离相中CH₄或N₂组分的浓度增加，都使得吸附相中相应组分的浓度增大，但是，这种变化是非线性的。这是由于CH₄和N₂处在同一个游离—吸附相系统中，它们互相竞争吸附位。吸附能力较强的CH₄组分，优先在煤中吸附，当然也就首先趋近于饱和。当由于CH₄组分的吸附趋近于饱和而使得吸附速率开始变慢时，吸附能力较弱的N₂组分的吸附速率就相对增加。也就是说，在CH₄-N₂二元气体的吸附过程中，随着游离相中相应组分浓度的增加，CH₄组分的吸附速率是由快到慢，N₂组分的吸附速率是先慢后快。该图称为相分离图（钱凯，1996）。

在CH₄-CO₂二元气体的等温吸附过程中（图9），由于CO₂组分比CH₄组分的吸附能力强，在煤中优先被吸附。随着游离相中相应组分浓度的增加，CO₂组分的吸附速率先快后慢，CH₄组分的吸附速率先慢后快。

6 注二氧化碳提高煤层甲烷采收率模拟实验结果

注CO₂驱替煤层CH₄实验包括CH₄的吸附、注入CO₂和混合气解吸三个步骤。

晋城煤样和潞安煤样对CH₄的吸附实验的平衡压力分别达到2.07MPa和1.86MPa之后，停止进行甲烷的吸附实验，而改为注入 CO₂气体，使两个煤样罐压力分别达到5.23MPa和5.33MPa，待平衡之后两个煤样罐压力分别4.98MPa和5.20MPa；两个煤样罐中CH₄与CO₂浓度分别为62.62%、37.38%和55.33%、44.67%。接着进行解吸实验。

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。单位压降下的CH₄解吸率，可以反映煤层甲烷开发的难易程度。计算公式如下：

单位压降下的CH₄解吸率=（CH₄的解吸率/解吸过程压力降）×100%

晋城煤和潞安煤对于纯CH₄气体解吸时单位压降下的CH₄解吸率，以及在进行CO₂驱替CH₄实验时单位压降下的CH₄解吸率，由图10所示。

图10 单位压降下CH₄解吸率的比较

可以看出，当进行CO₂驱替CH₄实验时，无论是晋城煤还是潞安煤，它们在单位压降下的CH₄解吸率，都比纯CH₄解吸时单位压降下的解吸率要高。其中晋城煤单位压降下的CH₄解吸率由4%/MPa 增大到9.9%/MPa；潞安煤单位压降下的 CH₄解吸率由1.9%/MPa增大到7.1%/MPa。也就是说，在相同的降压幅度条件下，采用CO₂驱替方法，可以使晋城煤层CH₄的解吸率比原来提高约1.5倍，使潞安煤层CH₄的解吸率比原来提高2.7倍。

而且，无论是纯CH₄的解吸过程，还是CO₂驱替实验，晋城煤对CH₄单位压降下的解吸率都比潞安煤要高。也就是说，在相同的降压幅度条件下，晋城地区煤层CH₄的解吸率高于潞安煤层，这可能也是晋城地区煤层气开发取得较好效果的原因之一。

致谢：研究过程中得到北京中联煤层气研究中心和中国矿业大学分析测试中心的支持和帮助，特表谢意。

参考文献

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