CO2-ECBM技術(shù)的利弊分析

白云云，張永成

（1.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；3.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉城048000）

CO2-ECBM技術(shù)的利弊分析

白云云1，2，張永成3

（1.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；3.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉城048000）

CO2-ECBM（注入CO2開(kāi)采煤層氣）技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，必須要對(duì)該技術(shù)有客觀認(rèn)識(shí)。基于對(duì)煤與煤層氣之間相互作用及其運(yùn)移過(guò)程的分析可知，注CO2開(kāi)采煤層氣可通過(guò)增能作用、吸附置換和驅(qū)替作用來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)；與此同時(shí)，氣源、工藝、腐蝕、安全及投資問(wèn)題也都是工程實(shí)施過(guò)程中要考慮的因素。本文綜合分析了注CO2開(kāi)采煤層氣的利弊，指出應(yīng)當(dāng)綜合考慮工藝本身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況，選擇適合開(kāi)發(fā)方式，還要對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對(duì)理論研究和實(shí)際生產(chǎn)均有指導(dǎo)意義。

CO2-ECBM；吸附；置換

由于煤層氣大多吸附在低滲儲(chǔ)層當(dāng)中，無(wú)法形成以抽采井為半徑的大范圍的解吸-擴(kuò)散-滲流圈，很難獲得較高的產(chǎn)能[1]。注CO2開(kāi)采煤層氣（CO2-ECBM）技術(shù)不僅可以補(bǔ)充地層能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣的驅(qū)替，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的封存，具有重大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層注CO2開(kāi)采煤層氣的研究歷史由來(lái)已久，但對(duì)于具體的煤層氣藏是否適合注CO2開(kāi)發(fā)，技術(shù)上是否可行，經(jīng)濟(jì)上是否合理，安全上是否有保障，還需進(jìn)一步研究。因而，在工藝實(shí)踐實(shí)施過(guò)程中，如何依據(jù)煤層實(shí)際情況選擇具體工藝方法已成為項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。

1 CO2-ECBM機(jī)理

煤層氣開(kāi)采理論的基礎(chǔ)是“解吸－擴(kuò)散－滲流”，與之對(duì)應(yīng)的工藝過(guò)程是“排水－降壓－解吸”。在煤層氣排采過(guò)程中，常規(guī)的抽汲排液使得生產(chǎn)井附近形成壓力虧空，因此需要對(duì)煤層氣進(jìn)行保壓開(kāi)采，注氣驅(qū)替煤層氣被認(rèn)為是一種具有發(fā)展前途的新措施，所以該方法受到各方面的廣泛關(guān)注[3，4]。為此，在煤層中注入CO2氣體可以有效提高煤層氣的單井產(chǎn)量，其增產(chǎn)機(jī)理如下：提高煤層氣藏產(chǎn)能、吸附置換煤層中CH4及對(duì)氣體的驅(qū)替作用。

1.1 增能作用

煤層氣在生產(chǎn)過(guò)程中，一方面由于排采使得井底附近形成負(fù)壓區(qū)，而煤本身表現(xiàn)為脆性，其彈性恢復(fù)能力較弱，這使得煤儲(chǔ)層的壓力傳導(dǎo)能力較弱，地層容易虧空，不能及時(shí)得到補(bǔ)充，在上覆巖層的壓力下，煤層的壓敏效應(yīng)很強(qiáng)，很容易破碎，破碎的煤粉極易阻塞氣井的孔道和裂隙，造成近井帶滲透率的下降。實(shí)踐證明，無(wú)論是生產(chǎn)前注氣還是邊注邊采，都可以使地層壓力維持較高水平，從而提高氣體滲流速度。由于氣體壓縮膨脹做功，增加了彈性能量，提高了整個(gè)煤層的壓力傳導(dǎo)系數(shù)，快速?gòu)浹a(bǔ)開(kāi)采負(fù)壓區(qū)的虧空，提高了氣井產(chǎn)能[5]。

1.2 吸附置換

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，CO2更易與煤表面大分子結(jié)合，當(dāng)CO2被注入到煤層時(shí)，將會(huì)置換在煤表面的CH4并使其解吸；另外相比于CH4，CO2有更小的分子直徑，因此更容易進(jìn)入煤層微孔隙中，而CH4則被微孔隙過(guò)濾。總而言之，注入CO2使得煤表面對(duì)CH4的吸附引力降低，促使更多的CH4從煤表面解吸，平衡煤的表面能[6，7]。

1.3 驅(qū)替作用

對(duì)煤層氣注氣驅(qū)替來(lái)講，驅(qū)替氣體的注入維持了比單純抽排更高的壓力梯度，起到增加流體流速的作用。在大多數(shù)情況下，注入氣體與煤層氣性質(zhì)差異不大，氣體間的流度和流態(tài)差異較小，因此一定數(shù)量的氣體會(huì)殘留在煤氣界面及煤基質(zhì)表面。即使這部分氣體與注入的氣體間沒(méi)有物質(zhì)交換，但上游氣卻可以將煤層氣中的一些輕質(zhì)組分抽提，并攜帶到井底[8]。

2 CO2-ECBM的優(yōu)勢(shì)

目前，加拿大、美國(guó)和歐洲的一些組織和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)試圖將CO2的注入技術(shù)推廣和商業(yè)化，進(jìn)一步抑制溫室氣體的排放，這顯示了該項(xiàng)技術(shù)良好的發(fā)展前景[9]。CO2-ECBM的主要優(yōu)勢(shì)有：

（1）煤層注入CO2能夠維持地層能量，實(shí)現(xiàn)保壓開(kāi)采，降低壓敏效應(yīng)對(duì)煤層的影響。

（2）煤儲(chǔ)層吸收CO2能力強(qiáng)，可在較低注氣壓力下實(shí)現(xiàn)注采平衡。

（3）注入的CO2不會(huì)和地層中煤和黏土礦物反應(yīng)，造成儲(chǔ)層傷害。

（4）如果煤層間有良好的隔層，且非均質(zhì)性好，則注入CO2時(shí)可減小氣竄的可能性。

（5）注入的CO2一方面將煤層氣置換，另一方面將大量CO2封存地下，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重優(yōu)勢(shì)。

3 CO2-ECBM的不利因素

CO2-ECBM也有其不利的一面。復(fù)雜的儲(chǔ)層條件會(huì)影響注CO2開(kāi)發(fā)效果，在驅(qū)替的過(guò)程中，極容易造成氣竄，生產(chǎn)井過(guò)早見(jiàn)氣，影響波及系數(shù)和驅(qū)替效率。因此，注空氣實(shí)施之前，要根據(jù)煤層氣藏本身的特點(diǎn)，明確注氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的利弊，以達(dá)到最優(yōu)效果。筆者通過(guò)調(diào)研，歸納出目前影響CO2-ECBM效果的因素主要有：

3.1 氣源不足

CO2是潛在碳資源，無(wú)論是天然的，還是各種尾氣、爐氣、副產(chǎn)氣，都必須進(jìn)行分離回收和提濃，才能合理利用。工業(yè)上分離回收CO2的方法有溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法以及這些方法的綜合利用，從CO2-ECBM技術(shù)本身來(lái)說(shuō)，利用上述方法作為CO2氣源經(jīng)濟(jì)效益并不顯著。我國(guó)不像美國(guó)、加拿大等國(guó)有豐富的CO2資源，氣源不足是制約我國(guó)實(shí)施CO2-ECBM技術(shù)最主要的因素。

3.2 腐蝕作用

在地層條件下，二氧化碳溶入水后對(duì)生產(chǎn)管線有極強(qiáng)的腐蝕性，其腐蝕強(qiáng)度甚至要超過(guò)鹽酸，其最典型的特征呈現(xiàn)全面腐蝕和局部腐蝕（點(diǎn)蝕、臺(tái)地侵蝕）。其中臺(tái)地侵蝕是腐蝕過(guò)程中最嚴(yán)重的一種情況，腐蝕速率可達(dá)7 mm/a甚至更高，每年可達(dá)幾毫米，同時(shí)腐蝕產(chǎn)物被注入的CO2帶入地層還會(huì)堵塞儲(chǔ)層孔隙[10]。

3.3 煤體膨脹

在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，由于裂縫中流體壓力的變化引起的煤基質(zhì)收縮、膨脹、吸附和解吸作用導(dǎo)致的煤基質(zhì)收縮、膨脹對(duì)煤層氣的開(kāi)采和CO2的注入及存儲(chǔ)均有影響，而吸附和解吸導(dǎo)致的滲透率變化很大，對(duì)CH4和CO2存儲(chǔ)具有很大影響。特別是CO2的注入會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)的膨脹，降低煤層的裂縫滲透率，對(duì)煤層氣開(kāi)采有負(fù)面影響。

3.4 安全性

由于CO2相對(duì)更易被煤層吸附，且解吸速度快于甲烷的特點(diǎn)，一旦發(fā)生煤與CO2突出，其猛烈程度勢(shì)必要比煤與瓦斯突出更高。相同平衡條件下，不同煤級(jí)煤分別吸附CH4、N2、CO2，吸附量隨煤級(jí)的增高而增高；不同煤對(duì)于氣體吸附的優(yōu)先順序?yàn)椋篊O2>CH4>N2。煤吸附瓦斯屬于物理吸附中的固-氣吸附范疇，吸附作用是由過(guò)剩的表面自由能引起的，可通過(guò)煤的表面自由能的變化規(guī)律來(lái)解釋煤吸附能力的差異，吸附質(zhì)分子直徑的大小，分子直徑越小越容易進(jìn)入孔徑小的空隙，被吸附的幾率相對(duì)增大；CO2氣體在3種氣體中的分子直徑最小，臨界溫度最高，同樣條件下，煤層對(duì)CO2吸附量最大。根據(jù)煤的吸附解吸實(shí)驗(yàn)及其物理吸附特性，認(rèn)為煤對(duì)瓦斯的吸附解吸過(guò)程基本可逆，那么煤對(duì)CO2解吸量也將遠(yuǎn)大于CH4的解吸量，所以當(dāng)發(fā)生煤與CO2突出時(shí)其能量比煤與CH4突出更強(qiáng)大[11]。

3.5 工藝要求高

當(dāng)煤儲(chǔ)層注入CO2后，壓力梯度、煤儲(chǔ)層壓力、滲透率也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起煤儲(chǔ)層自身基質(zhì)裂隙、割理系統(tǒng)以及孔隙的改變，其圈閉條件隨之發(fā)生變化；如注入速率過(guò)高，CO2有可能突破整個(gè)煤層頂?shù)装澹绊戲?qū)替效率；隨著CO2的不斷注入，隨著能量積聚在煤層內(nèi)部及頂?shù)装澹瑯O有可能會(huì)發(fā)生煤與CO2突出，因此，深部不可采煤層進(jìn)行注入CO2嘗試，但需認(rèn)真考慮工藝的復(fù)雜性和安全性。

3.6 投入大

規(guī)模化注CO2技術(shù)需要有專(zhuān)用的注氣設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施，一次性投資大，且實(shí)施過(guò)程中CO2氣體容易過(guò)早突破，會(huì)影響波及效率和采收率，因此，當(dāng)生產(chǎn)井竄入CO2后，不可避免地會(huì)引起地層壓力降低，產(chǎn)量降低，此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)采出程度的大小考慮其他接替的開(kāi)采方法。

總之，CO2-ECBM實(shí)施前應(yīng)當(dāng)綜合考慮其本身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)煤層氣藏的實(shí)際情況，選擇適合的開(kāi)發(fā)方式，還要對(duì)CO2-ECBM的整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，以達(dá)到最優(yōu)開(kāi)發(fā)效果。

4 結(jié)論

（1）國(guó)內(nèi)外的儲(chǔ)層模擬研究和先導(dǎo)試驗(yàn)表明，CO2-ECBM能夠提高煤層氣的單井產(chǎn)量和采收率，注氣主要機(jī)理如下：吸附置換、增能作用及驅(qū)替作用。

（2）對(duì)于特定煤層氣藏，CO2-ECBM能有效地改善煤層的原始結(jié)構(gòu)，促進(jìn)CH4的解吸，增加煤層氣井的產(chǎn)能，同時(shí)還可將大量CO2貯存于地下，具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重優(yōu)勢(shì)。

（3）CO2-ECBM的實(shí)施過(guò)程中，氣源、工藝、腐蝕、安全及投資問(wèn)題都是應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

（4）CO2-ECBM實(shí)施之前，要根據(jù)煤層氣藏本身的特點(diǎn)，明確注CO2開(kāi)發(fā)過(guò)程中的利弊，還要進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，以達(dá)到最優(yōu)效果。

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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

陜西省教育廳項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：16JK1889；山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：MQ2014-05。

白云云，男（1982-），陜西榆林人，博士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌馓锏刭|(zhì)與開(kāi)發(fā)，郵箱：185732473@qq.com。