注二氧化碳提高煤層氣采收率實驗系統設計*

孫仁遠 任曉霞 胡愛梅 陳 東 林 李

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

注二氧化碳提高煤層氣采收率實驗系統設計*

孫仁遠1、2任曉霞2胡愛梅3陳 東3林 李2

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

針對我國煤層氣開發中存在的產氣率低、回采周期長的問題以及CO2排放量大、污染環境嚴重等現象,研制了一套可以進行煤層氣吸附/解吸性能評價及注CO2開采煤層氣模擬的實驗系統。利用該系統開展了不同氣體在煤巖中的吸附/解吸性能評價研究和注CO2開采煤層氣效果實驗研究。實驗結果表明,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。據估計,我國的煤層氣資源達 35×1012m3,具有很大的開發潛力[1～3]。目前,煤層氣的開發主要采用降壓開采方法,其采收率僅能達到30%～50%[4]。近年來,注CO2開采煤層氣成為國內外關注的開采方法。Reznik[5]發現通過向煤層中注入非CH4氣體可以增加 CH4氣體的產出率。Zuber[6]等和Clarkson[7]通過注入CO2實驗發現CO2可以提高煤層氣采收率。K.Jessen等[8]通過研究CO2和N2以及混合氣體對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理。2004年,中聯煤層氣公司與ARC公司合作,成功完成了對沁水盆地南部TL-003井的野外CO2注入試驗,取得了很好的效果。唐書恒等[9]和高遠文[10]等做了CO2和CH4混合氣體的降壓開采室內實驗研究。

本文將在煤巖介質對CO2和CH4的吸附特性評價的基礎上,利用注CO2開采煤層氣模擬實驗裝置,對比研究了煤層氣自然降壓開采和注CO2開采的效果,研究了CO2注入量對煤層氣采收率的影響,為煤田開展注CO2開采煤層氣提供理論依據。

1 實驗材料與實驗裝置

實驗材料包括煤樣(將塊狀煤粉碎后過篩,經充填壓實后作為實驗樣品)、CH4(瓶裝,純度99.99%)、CO2(瓶裝,純度99.99%)、蒸餾水、NaOH等。

整個實驗系統主要有五部分組成,分別是:

1)注入系統

作為煤層氣主要成分的CH4氣由CH4高壓氣瓶供給,驅替用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,經減壓的氣體進入標準容器4。以上構成了實驗裝置的注入系統。

2)模型系統

利用裝入填煤管中的壓實煤來模擬煤層,將CH4氣注入煤樣中被煤吸附來構建煤層氣(CBM),利用降低高壓容器中煤樣中吸附CH4氣體壓力的方法來模擬常規煤層氣生產,將CO2氣體注入煤層后置換CH4氣來模擬CO2-ECBM生產過程。

3)數據采集計量系統

該系統主要由圖1中的CO2吸收裝置、排水系統和量筒組成,主要用于采集和計量煤樣解吸和CO2驅替的CH4量。為消除CO2氣體對測量結果的影響,在裝置15中充滿飽和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,以保證不斷地測定排出的CH4氣體量。

回壓系統主要由壓力表、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。回壓系統上游接填煤管的出氣口,下游接數據采集計量系統,以控制進入吸收系統和集氣系統的CO2和CH4氣量,便于分次測定。

5)抽真空系統

主要功能是將填煤管抽真空,減小實驗誤差。

2 實驗方法

2.1 煤樣制備

將塊狀煤樣粉碎、過篩、烘干、稱質量,然后裝入填煤管中,邊填邊壓實。

2.2 煤樣吸附特性評價原理

煤層氣有三種基本存在形式:游離狀態、吸附狀態和溶解狀態,三種狀態處在一個動態平衡過程中。而煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤巖基質中,只有當儲層壓力降低后才可從基質中解吸出來。

第一個吸附平衡壓力p2所對應的吸附體積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吸附平衡壓力,MPa;psc為標準條件下大氣壓力,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對應的真實氣體壓縮系數。

第n個吸附平衡壓力點pn2對應的甲烷吸附體積Vn為:

式中,m為煤巖樣品的質量,kg。

2.3 煤樣吸附特性評價步驟

1)關閉填煤管和標準容器的出口閥門,將填煤管抽真空2 h。

2)打開氣瓶閥門,將氣體充入標準容器中,記錄壓力為p1,關閉氣瓶閥門。

3)打開填煤管入口閥門,連通標準容器和填煤管,在壓力表讀數穩定時,記錄平衡壓力p2。

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

2.4 注CO2開采煤層氣實驗步驟

1)關閉填煤管和標準容器的出口閥門,將填煤管抽真空2 h。

2)打開甲烷氣瓶閥門,將甲烷充入標準容器中,記錄壓力為P1,關閉氣瓶閥門。

3)打開填煤管入口閥門,連通標準容器和填煤管,在壓力表讀數穩定時,記錄平衡壓力p2。

4)調節回壓閥壓力P2,以一定的流量向填煤管中注入二氧化碳氣體,產出的二氧化碳氣體由堿液吸收,記錄時間和采出的甲烷氣量。

3 實驗結果與分析

3.1 煤樣對CH4/CO2的吸附特性對比

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

圖2 不同氣體在煤巖介質中的吸附曲線

3.2 注CO2和自然降壓開采煤層氣效果對比

圖3給出了注CO2和自然降壓開采煤層氣的效果對比。由圖可見,自然降壓條件下CH4的采收率為72%,注CO2開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注入量對煤層氣開采效果的影響

以注入的CO2的壓力分數為橫坐標,以采出CH4的最終采收率為縱坐標,如圖4所示,對比分析不同注入氣體壓力分數條件下,采出氣量的變化。

圖3 不同開采方式對煤層氣采收率的影響

根據曲線的變化規律可以發現,注入CO2的氣量越多,CH4的采收率越大,注入的CO2的壓力分數較小時,采出曲線呈平緩的上升趨勢,當注入的CO2的壓力分數達一定值(0.1)時,采出曲線呈線性明顯增加,繼續增加注入的CO2的壓力分數,大約增加至0.28,曲線又趨于平緩,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,CO2有個最佳的注入量,也即一定的煤層吸附CO2的能力是有限的,達到最佳注入量(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。煤層氣進行商業開采時,應從經濟因素考慮CO2的注入量。

圖4 注入不同體積CO2對CH4采收率的影響

3.4 注CO2提高煤層氣采收率機理分析

煤對氣體的吸附以物理吸附為主,主要吸附力為范德華力。煤對氣體吸附的強弱取決于煤對不同氣體吸附熱的差異,吸附熱越大,吸附強度也越大。研究表明[4],煤對氣態水的吸附熱最大,其次為CO2,再次為CH4及其同系物,且隨碳數的增大而增大,最后為N2。這可以很好的解釋煤對CH4和CO2的等溫吸附曲線。煤內表面上分子的力場是不飽和的,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合,因此CO2的吸附量明顯高于CH4的吸附量。

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

4 結 論

1)設計了一套注二氧化碳提高煤層氣采收率實驗系統,它包括注入系統、模型系統、數據采集計量系統、抽真空系統和回壓系統等,可以開展煤層氣吸附/解吸評價實驗、煤層氣模擬開采實驗以及注CO2提高采收率模擬實驗等。

2)在相同實驗條件下,CO2在煤巖中的吸附量明顯高于CH4的吸附量,說明與CH4相比CO2更容易吸附在煤巖表面,將甲烷置換出來。

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

4)CO2和CH4在煤巖表面的競爭吸附是CO2提高煤層氣采收率的機理之一。

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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

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2009CB219606);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(09CX05003A);中國石油大學(華東)研究生創新基金資助項目(S10-08;SZ10-12)

孫仁遠,男,1968年生,教授,博士后,主要研究方向為煤層氣開發、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

·開發設計·