孫仁遠(yuǎn) 任曉霞 胡愛(ài)梅 陳 東 林 李

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京昌平) (2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東 青島)(3.煤層氣國(guó)家工程研究中心 北京)

注二氧化碳提高煤層氣采收率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孫仁遠(yuǎn)1、2任曉霞2胡愛(ài)梅3陳 東3林 李2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京昌平) (2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東 青島)(3.煤層氣國(guó)家工程研究中心 北京)

針對(duì)我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)中存在的產(chǎn)氣率低、回采周期長(zhǎng)的問(wèn)題以及CO2排放量大、污染環(huán)境嚴(yán)重等現(xiàn)象,研制了一套可以進(jìn)行煤層氣吸附/解吸性能評(píng)價(jià)及注CO2開(kāi)采煤層氣模擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)開(kāi)展了不同氣體在煤巖中的吸附/解吸性能評(píng)價(jià)研究和注CO2開(kāi)采煤層氣效果實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CO2在煤巖中的吸附量明顯高于CH4的吸附量;與自然降壓開(kāi)采相比,注CO2可以提高煤層氣的采收率,提高幅度在10%以上。而且隨CO2注入量的增加,煤層氣采收率增大。

煤層氣;二氧化碳;吸附;提高采收率

0 引 言

煤層氣是一種新型的非常規(guī)天然氣資源,指煤層本身及其鄰近圍巖中所含有的一種以CH4為主的多組分氣體。據(jù)估計(jì),我國(guó)的煤層氣資源達(dá) 35×1012m3,具有很大的開(kāi)發(fā)潛力[1～3]。目前,煤層氣的開(kāi)發(fā)主要采用降壓開(kāi)采方法,其采收率僅能達(dá)到30%～50%[4]。近年來(lái),注CO2開(kāi)采煤層氣成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的開(kāi)采方法。Reznik[5]發(fā)現(xiàn)通過(guò)向煤層中注入非CH4氣體可以增加 CH4氣體的產(chǎn)出率。Zuber[6]等和Clarkson[7]通過(guò)注入CO2實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO2可以提高煤層氣采收率。K.Jessen等[8]通過(guò)研究CO2和N2以及混合氣體對(duì)煤層氣采收率的影響,得出了混合氣體注入的提高采收率機(jī)理。2004年,中聯(lián)煤層氣公司與ARC公司合作,成功完成了對(duì)沁水盆地南部TL-003井的野外CO2注入試驗(yàn),取得了很好的效果。唐書(shū)恒等[9]和高遠(yuǎn)文[10]等做了CO2和CH4混合氣體的降壓開(kāi)采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

本文將在煤巖介質(zhì)對(duì)CO2和CH4的吸附特性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,利用注CO2開(kāi)采煤層氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)比研究了煤層氣自然降壓開(kāi)采和注CO2開(kāi)采的效果,研究了CO2注入量對(duì)煤層氣采收率的影響,為煤田開(kāi)展注CO2開(kāi)采煤層氣提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)材料包括煤樣(將塊狀煤粉碎后過(guò)篩,經(jīng)充填壓實(shí)后作為實(shí)驗(yàn)樣品)、CH4(瓶裝,純度99.99%)、CO2(瓶裝,純度99.99%)、蒸餾水、NaOH等。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有五部分組成,分別是:

1)注入系統(tǒng)

作為煤層氣主要成分的CH4氣由CH4高壓氣瓶供給,驅(qū)替用CO2由高壓CO2氣瓶提供,氣瓶上裝有減壓閥2使高壓氣體壓力降低,經(jīng)減壓的氣體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器4。以上構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)裝置的注入系統(tǒng)。

2)模型系統(tǒng)

利用裝入填煤管中的壓實(shí)煤來(lái)模擬煤層,將CH4氣注入煤樣中被煤吸附來(lái)構(gòu)建煤層氣(CBM),利用降低高壓容器中煤樣中吸附CH4氣體壓力的方法來(lái)模擬常規(guī)煤層氣生產(chǎn),將CO2氣體注入煤層后置換CH4氣來(lái)模擬CO2-ECBM生產(chǎn)過(guò)程。

3)數(shù)據(jù)采集計(jì)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由圖1中的CO2吸收裝置、排水系統(tǒng)和量筒組成,主要用于采集和計(jì)量煤樣解吸和CO2驅(qū)替的CH4量。為消除CO2氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,在裝置15中充滿(mǎn)飽和NaOH溶液,以吸收排出的CO2。用壓力表所帶的六通閥控制出氣量,以保證不斷地測(cè)定排出的CH4氣體量。

回壓系統(tǒng)主要由壓力表、回壓閥、CO2吸收裝置和減壓閥組成,其主要作用就是控制出氣口的壓力?；貕合到y(tǒng)上游接填煤管的出氣口,下游接數(shù)據(jù)采集計(jì)量系統(tǒng),以控制進(jìn)入吸收系統(tǒng)和集氣系統(tǒng)的CO2和CH4氣量,便于分次測(cè)定。

5)抽真空系統(tǒng)

主要功能是將填煤管抽真空,減小實(shí)驗(yàn)誤差。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 煤樣制備

將塊狀煤樣粉碎、過(guò)篩、烘干、稱(chēng)質(zhì)量,然后裝入填煤管中,邊填邊壓實(shí)。

2.2 煤樣吸附特性評(píng)價(jià)原理

煤層氣有三種基本存在形式:游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài),三種狀態(tài)處在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中。而煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤巖基質(zhì)中,只有當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低后才可從基質(zhì)中解吸出來(lái)。

第一個(gè)吸附平衡壓力p2所對(duì)應(yīng)的吸附體積V0為:

式中,p1為第一次向緩沖容器中注入甲烷氣體的壓力,MPa;p2為煤巖樣品的第一個(gè)吸附平衡壓力,MPa;psc為標(biāo)準(zhǔn)條件下大氣壓力,MPa;Vh為緩沖容器的體積,m3;Vφ為填充煤巖樣品的孔隙體積,m3;Z1、Z2為壓力p1和p2對(duì)應(yīng)的真實(shí)氣體壓縮系數(shù)。

第n個(gè)吸附平衡壓力點(diǎn)pn2對(duì)應(yīng)的甲烷吸附體積Vn為:

式中,m為煤巖樣品的質(zhì)量,kg。

2.3 煤樣吸附特性評(píng)價(jià)步驟

1)關(guān)閉填煤管和標(biāo)準(zhǔn)容器的出口閥門(mén),將填煤管抽真空2 h。

2)打開(kāi)氣瓶閥門(mén),將氣體充入標(biāo)準(zhǔn)容器中,記錄壓力為p1,關(guān)閉氣瓶閥門(mén)。

3)打開(kāi)填煤管入口閥門(mén),連通標(biāo)準(zhǔn)容器和填煤管,在壓力表讀數(shù)穩(wěn)定時(shí),記錄平衡壓力p2。

4)改變充入標(biāo)準(zhǔn)容器中的氣體的壓力,重復(fù)步驟(2)和(3),得到一系列的平衡壓力值。

2.4 注CO2開(kāi)采煤層氣實(shí)驗(yàn)步驟

1)關(guān)閉填煤管和標(biāo)準(zhǔn)容器的出口閥門(mén),將填煤管抽真空2 h。

2)打開(kāi)甲烷氣瓶閥門(mén),將甲烷充入標(biāo)準(zhǔn)容器中,記錄壓力為P1,關(guān)閉氣瓶閥門(mén)。

3)打開(kāi)填煤管入口閥門(mén),連通標(biāo)準(zhǔn)容器和填煤管,在壓力表讀數(shù)穩(wěn)定時(shí),記錄平衡壓力p2。

4)調(diào)節(jié)回壓閥壓力P2,以一定的流量向填煤管中注入二氧化碳?xì)怏w,產(chǎn)出的二氧化碳?xì)怏w由堿液吸收,記錄時(shí)間和采出的甲烷氣量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 煤樣對(duì)CH4/CO2的吸附特性對(duì)比

煤樣對(duì)CO2、CH4的吸附規(guī)律都近似符合Langmuir等溫吸附方程式,且CO2的吸附曲線(xiàn)位于CH4的吸附曲線(xiàn)之上,在相同的壓力下煤對(duì)CO2的吸附量是CH4的1.8～2.8倍,如圖2所示,說(shuō)明了煤樣對(duì)CO2的吸附能力大于其對(duì)CH4的吸附能力。

圖2 不同氣體在煤巖介質(zhì)中的吸附曲線(xiàn)

3.2 注CO2和自然降壓開(kāi)采煤層氣效果對(duì)比

圖3給出了注CO2和自然降壓開(kāi)采煤層氣的效果對(duì)比。由圖可見(jiàn),自然降壓條件下CH4的采收率為72%,注CO2開(kāi)采煤層氣的采收率為88%。二者比較可知,注CO2使煤層氣的采收率提高了16%。

3.3 CO2注入量對(duì)煤層氣開(kāi)采效果的影響

以注入的CO2的壓力分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo),以采出CH4的最終采收率為縱坐標(biāo),如圖4所示,對(duì)比分析不同注入氣體壓力分?jǐn)?shù)條件下,采出氣量的變化。

圖3 不同開(kāi)采方式對(duì)煤層氣采收率的影響

根據(jù)曲線(xiàn)的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),注入CO2的氣量越多,CH4的采收率越大,注入的CO2的壓力分?jǐn)?shù)較小時(shí),采出曲線(xiàn)呈平緩的上升趨勢(shì),當(dāng)注入的CO2的壓力分?jǐn)?shù)達(dá)一定值(0.1)時(shí),采出曲線(xiàn)呈線(xiàn)性明顯增加,繼續(xù)增加注入的CO2的壓力分?jǐn)?shù),大約增加至0.28,曲線(xiàn)又趨于平緩,這表明,CO2的注入氣量可以在一定條件下提高煤層氣的采收率。而且,煤層CH4一定時(shí),CO2有個(gè)最佳的注入量,也即一定的煤層吸附CO2的能力是有限的,達(dá)到最佳注入量(0.4)后,即使再增加CO2的注入氣量,也不能提高煤層CH4的采收率。煤層氣進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采時(shí),應(yīng)從經(jīng)濟(jì)因素考慮CO2的注入量。

圖4 注入不同體積CO2對(duì)CH4采收率的影響

3.4 注CO2提高煤層氣采收率機(jī)理分析

煤對(duì)氣體的吸附以物理吸附為主,主要吸附力為范德華力。煤對(duì)氣體吸附的強(qiáng)弱取決于煤對(duì)不同氣體吸附熱的差異,吸附熱越大,吸附強(qiáng)度也越大。研究表明[4],煤對(duì)氣態(tài)水的吸附熱最大,其次為CO2,再次為CH4及其同系物,且隨碳數(shù)的增大而增大,最后為N2。這可以很好的解釋煤對(duì)CH4和CO2的等溫吸附曲線(xiàn)。煤內(nèi)表面上分子的力場(chǎng)是不飽和的,因此它具有吸附氣體的能力。CO2與煤表面大分子之間的吸附作用大于CH4,即CO2更易與煤表面大分子結(jié)合,因此CO2的吸附量明顯高于CH4的吸附量。

隨著CH4的開(kāi)采,煤層中孔隙壓力下降,相應(yīng)作用在煤基質(zhì)上的有效應(yīng)力就會(huì)增加。有效應(yīng)力增加導(dǎo)致煤層裂隙閉合滲透率迅速下降。對(duì)于低滲透的煤層氣藏,滲透率是影響其產(chǎn)能的重要因素,CO2的注入在一定程度上緩解了煤層孔隙壓力的降低,對(duì)于保持煤層的原始滲透率起到了重要作用。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了一套注二氧化碳提高煤層氣采收率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它包括注入系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集計(jì)量系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和回壓系統(tǒng)等,可以開(kāi)展煤層氣吸附/解吸評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、煤層氣模擬開(kāi)采實(shí)驗(yàn)以及注CO2提高采收率模擬實(shí)驗(yàn)等。

2)在相同實(shí)驗(yàn)條件下,CO2在煤巖中的吸附量明顯高于CH4的吸附量,說(shuō)明與CH4相比CO2更容易吸附在煤巖表面,將甲烷置換出來(lái)。

3)與自然降壓開(kāi)采相比,注CO2可以提高煤層氣的采收率,提高幅度可達(dá)10%以上;隨CO2注入量的增加,煤層氣采收率增大。

4)CO2和CH4在煤巖表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附是CO2提高煤層氣采收率的機(jī)理之一。

[1] 王紅巖,劉洪林,趙慶波,等.煤層氣富集成藏規(guī)律[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005

[2] 趙 群,王紅巖,李景明.快速排采對(duì)低滲透煤層氣井產(chǎn)能傷害的機(jī)理研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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] 唐書(shū)恒,馬彩霞,葉建平,等.注二氧化碳提高煤層甲烷采收率的實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(5)

[10] 高遠(yuǎn)文,劉大猛,姚艷斌,等.阜新煤田注二氧化碳提高煤層甲烷的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(1)

[11] 何應(yīng)付,張亞蒲,劉學(xué)偉.煤層氣藏單相氣體滲流特征實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤層氣,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

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2009CB219606);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(09CX05003A);中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(S10-08;SZ10-12)

孫仁遠(yuǎn),男,1968年生,教授,博士后,主要研究方向?yàn)槊簩託忾_(kāi)發(fā)、提高油氣采收率、二氧化碳埋存等。郵編:102249

2010-12-27編輯高紅霞)

PI,2011,25(3):18～20,23

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·