二氧化碳與煙道氣按比例混合注入提高煤層氣采收率的方法探討

韓繼雷，鄭宗學，趙志民

二氧化碳與煙道氣按比例混合注入提高煤層氣采收率的方法探討

韓繼雷1，鄭宗學1，趙志民2

（1.山東黃金集團國際礦業(yè)開發(fā)有限公司，濟南 250101；2.山東省地礦工程勘察院，濟南 250014）

煤層氣在煤層中的主要有三種賦存狀態(tài)，當煤層中儲存條件發(fā)生變化時，煤層氣可以在三態(tài)之間相互轉換。本文通過研究將不同組分含量氣體注入同等條件下的煤層中時，煤層氣含量的變化曲線得出最有利于提高煤層氣產量的氣體組分配比，然后通過研究普通煙道氣所含各組分氣體含量，從而計算得出將二氧化碳（CO2）與煙道氣按最佳比例混合后，達到最優(yōu)配比后注入煤層中，達到既可提高煤層氣采收率，又可將廢棄氣體及CO2埋藏在地下的雙重目的。

賦存狀態(tài)；Langmuir 等溫吸附模型；煤層氣采收率

1 研究背景

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣，其成分主要為甲烷（CH4），產生于煤層中，并且大部分以吸附狀態(tài)賦存其中（劉洪林等，2007）。煙道氣則是由煤炭、石油等礦產能源燃燒后產生的廢棄氣體。在煤礦生產中，煤層氣是威脅到煤礦安全生產的災害性氣體，但同時，在日常生活中它也是一種可替代天然氣的清潔能源。而煙道氣作為煤炭、石油等礦產能源燃燒后的廢棄氣體，如果利用其提高煤層氣的采收率的同時，通過充注CO2到煤層中，也可以達到封存CO2的目的（郝定溢等，2016）。既能充分利用潔凈能源，保護大氣環(huán)境，也能改善煤礦安全生產條件。

煤層氣增產技術無論在國內還是在國外都是急需解決的關鍵技術，基于煤層氣的生成、儲集及運移機理，筆者認為有效提高煤層氣采收率可從兩方面入手：一是加強對于高階煤中煤層氣的產氣機理及產氣規(guī)律研究，依據(jù)其影響因素和制約機制，對應采取措施提高其采收率；二是采收生產過程中，可將日常生產過程中的廢棄煙道氣經特殊處理后注入煤層中，根據(jù)CH4、CO2、N2及其他氣體在煤層中的吸附-運移機理不同，達到煤層氣增產的目的。

2 煤層氣的賦存及解吸機理

2.1 煤層氣的賦存機理

煤層氣的賦存狀主要有三種：吸附態(tài)、游離態(tài)及溶解態(tài)（魏韋，2010）。

在煤層中，大部分甲烷氣體以吸附態(tài)吸附于煤內表面，少量甲烷氣體呈自由態(tài)存在于煤層間隙及割理中。吸附過程直接受到壓力、溫度和煤階的影響。當埋深增加時，煤層內壓力及煤變質程度增加，煤層對甲烷氣體的吸附能力也隨之上升。 因此，埋深較大的煤層與同煤階的埋深較淺煤層相比一般會儲存更多的甲烷氣體（王立輝，2020）。

在煤層的整個煤化過程中，煤層厚度與煤層氣含氣量成正相關關系（卜范青等，2019），從其中生成的甲烷氣量遠超過煤層本身對氣藏的儲存能力，未吸附在煤巖表面的氣體則進入煤巖周圍的地下水中呈溶解態(tài)，當水中溶解的甲烷氣量達到飽和時，剩余甲烷氣體則會呈游離態(tài)進入到煤巖裂隙及割理中，并通過這些通道進入到圍巖中。

因此，上述煤層氣三種相態(tài)存在于煤層及其圍巖中。在溫度、壓力及氣體濃度穩(wěn)定的情況下，此三種狀態(tài)處于動態(tài)平衡之中。

2.2 煤層氣的解吸機理

由于煤層氣的三種賦存狀態(tài)處于動態(tài)平衡當中，所以當賦存條件發(fā)生變化時，三種狀態(tài)會互相轉換。比如，當煤層內氣體，在溫度不變，而壓力降低時，原有的動態(tài)平衡會被打破，在煤基質表面吸附的煤層氣會解吸出來，向割理、微裂隙中運移，逐步聚集呈游離態(tài)。因此總體上來說，煤層氣在煤層中的等溫解吸與其等溫吸附機理基本相同的，符合Langmuir等溫吸附模型。因此，我們可以根據(jù)煤的Langmuir等溫吸附曲線來預測臨界解吸壓力，估算在生產過程中隨煤層中壓力的變化的煤層氣產量。

3 煙道氣驅提高煤層氣采收率技術

煙道氣是煤炭、石油等有機物在完全燃燒后生成的產物，通過奧氏氣體分析儀，采用氣體吸收法測定煙道氣（張圣麟等，2008），可知其主要組分有N2、CO2、O2和水。據(jù)世界自然基金會中國氣候變化與能源項目的一項研究報告顯示，中國電力行業(yè)燃燒幾乎90%來自煤炭，如此大量地燃燒煤炭排放廢棄煙道氣勢必造成嚴重的大氣污染，加重全球溫室效應。同時，研究表明（馬濤等，2007），煤層對多元混合氣體與單組分氣體的吸附存在明顯差別，但其等溫吸附曲線都符合Langmuir方程，多元氣體的吸附量介于強吸附質與弱吸附質之間，通過競爭吸附作用（周來誠，2015），將吸附性強吸附質（CO2）與弱吸附質（N2）按一定比例混合注入煤層中，將吸附態(tài)的CH4氣體驅替出來，同時將CO2貯存在煤體中。

3.1 理論機理

根據(jù)實驗測定（李增學等，2003），煙道氣的主要成分為N2（約占80%）、CO2加CO（約15%）、O2及其他雜質（約占5%）。利用CO2混注煙道氣來提高煤層氣采收率，主要是利用煤層對各類氣體的吸附性質不同，來探討通過調節(jié)充注到煤層中的煙道氣內各氣體組分比例及充注到煤層中的氣體壓力，來達到最佳的解吸煤層氣效果，提高煤層氣采收率。

3.2 各氣體組分在煤層中的吸附—運移機理

對于煤層對各類氣體的吸附性質研究，前人采用了HCA型高壓容量法吸附實驗裝置來模擬測量煤層對CH4、CO2、N2及其多元氣體的吸附效果（周軍平，2011），其裝置示意圖如圖1所示，其實驗結果如下：

圖1 HCA型高壓容量吸附系統(tǒng)示意圖

（1）CO2/CH4二元氣體吸附結果。從圖2可以看出，在恒定溫度條件下，當將不同配比的CH4和CO2混合注入后，煤樣對此類混合氣體的吸附量介于純CO2與CH4之間。由等溫吸附量曲線可以看出當混合氣體中CO2百分含量增加時，煤樣的總吸附量隨之增加，同時也說明煤樣對CO2的吸附能力大于CH4。

（2）CH4/N2二元氣體吸附結果。從圖3可以看出，在恒定溫度條件下，當將不同配比的CH4和N2混合注入后，煤樣對此類混合氣體的吸附量介于純N2與純CH4之間。由等溫吸附曲線可以看出，混合氣體中的N2含量越高，煤樣的總吸附量越高，同時也說明煤樣對N2的吸附能力大于氮氣。

（3）CO2/CH4/N2三元氣體吸附實驗結果。從圖4可以看出，在恒定溫度條件下，當將三種氣體混合注入煤樣后，煤樣對混合氣體中的CO2吸附量最多，其次是CH4，最少的是N2。同時從等溫吸附曲線也可以看出，在該實驗條件下煤樣對CO2的吸附能力是隨著混合氣體壓力增大而增多，壓力較低時吸附量增加趨勢極為明顯，當壓力增加到一定程度時增加趨勢變緩；而煤樣對CH4和N2的吸附量則先隨實驗壓力增大先增大，達到峰值后降低。說明隨實驗壓力的增大，煤樣對不同氣體的吸附能力差異較大，當壓力增大到一定程度時，會出現(xiàn)煤樣對氣體的選擇性吸附。因此，可以通過混合注入CO2來調節(jié)煙道氣中的N2及CO2的比值，同時調整氣體壓力，達到最佳配比后注入煤層中，將煤層中吸附狀態(tài)的CH4解吸出來，達到提高煤層氣開采率的目的。

圖2 不同組分配比CO2/CH4氣體等溫吸附曲線

圖3 不同組分配比CH4/N2二元氣體等溫吸附曲線

3.3 煤巖吸附混合氣體后對滲透率的影響

已有研究表明（Karacan CO，2007），煤巖吸附CO2、CH4、N2會產生差異性膨脹應變，這種差異性膨脹必然會改變煤巖孔隙率，從而改變煤巖滲透特性（梁衛(wèi)國等，2014）。通過研究吸附不同氣體對煤巖滲透特性的影響（方志明，2009），由圖5可以看出當煤層中孔隙壓力增大時，三種氣體的滲透系數(shù)都會降低，其中以CO2最為明顯，呈陡坡狀；其次是CH4；影響最小的為N2。說明當煤層中注入CO2時，會導致滲透系數(shù)明顯降低，影響煤層中氣體的解吸及吸附運移，而在CO2中混入N2則會可以增加滲透系數(shù)，達到增滲的作用（王立國，2013）。

圖4 CO2/CH4/N2三元氣體等溫吸附曲線

3.4 混注煙道氣驅替煤層氣方法

綜合上文及前人研究發(fā)現(xiàn)，當將煙道氣中的N2、CO2注入煤層以后，在煤層中壓力達到一定數(shù)值后，CO2可以有效置換出煤層中吸附的甲烷氣體，使煤層氣由吸附態(tài)轉變?yōu)橛坞x態(tài)，同時由于N2的作用，使煤層滲透率提高，及其有利于游離態(tài)的煤層氣向上運移擴散，從而達到提高煤層氣采收率的目的。綜合前文實驗數(shù)據(jù)中煤層對不同比例CO2的吸附量曲線及各氣體對滲透系數(shù)的影響，本文初步認為，將煙道氣進行除塵去硫等處理以后注入CO2（圖6），將混合氣體的比例調整為CO2含量80%，N2含量20%后，充注到煤層中，可以充分驅替其中的CH4達到采收增產的目的，又可以將大量CO2貯存在地下煤層中。

1.煙道氣發(fā)生裝置；2.帶有自動斷路的氧和易燃物分析記錄儀；3.除塵裝置；4.催化處理裝置（降低02、CO含量至小于2mg/L)；5.冷卻塔；6.二氧化碳；7.二級壓縮機組；8.干燥裝置；9.三級壓縮裝置

4 總結

通過對煤層氣賦存狀態(tài)及解吸機理的研究，可以看出CH4在煤層中是處于動態(tài)平衡狀態(tài)中的，當儲存條件發(fā)生變化時可以使CH4在吸附態(tài)與游離態(tài)之間互相轉換。而通過研究煤層對不同氣體的吸附量及滲透系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，煤層對CO2的吸附量最大，可以有效驅替出煤層中的煤層氣，但當CO2注入量較大時，會導致滲透系數(shù)大幅度降低，而N2的注入則可以有效達到增滲的目的，這樣就可以在保證滲透系數(shù)不會降低太多的前提下，將更多的CO2儲存在煤層中，將煤層中的CH4驅替出來。

因此，本文初步認為可以充分利用工業(yè)產生的煙道氣，通過凈化處理后注入CO2，調整混合氣體中氣體組分比例至CO2為80%，N2為20%，充注至煤層中，達到提高煤層氣采收率的前提下，充分利用廢棄氣體減少溫室氣體排放的目的。

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A Discussion on the Method of Improving Recovery Ratio of Coalbed Methane (CBM) by Proportional Mixed Injection of CO2and Flue Gas

HAN Ji-lei1ZHENG Zong-xue1ZHAO Zhi-min2

(1-Shandong Gold Group International Mining Development Co. , Ltd., Jinan 250101; 2- Shandong Institute of Geological and Mineral Engineering Investigation, Jinan 250014)

There are three main occurrence states of CBM in coal seams. When the storage conditions change, CBM can transform among the three states. This paper has a discussion on the change curve of CBM content when gases with different component contents are injected into coal seams under the same conditions from which the best method for increasing CBM production is obtained. Then, the best ratio of CO2/ flue gas in mixing by the gas content of each component contained in ordinary flue gas and the mixture with the best ratio is injected into coal seams Which can not only improve the recovery of CBM, but also bury waste gas and CO2underground.

occurrence state; langmuir isothermal adsorption model; CBM recovery ratio

P618.11

A

1006-0995（2022）02-0317-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.026

2021-06-19

韓繼雷（1989— ），男，山東濟南人，地質工程師，主要研究方向：煤層氣地質，礦產地質勘查