提高煤层气采收率方法

1、提高煤层气采收率方法硕11级15班 韩明彬201120263摘 要：煤层气将成为我国继煤炭和石油天然气之后的战略性接替能源，它的开 发和利用既能决我国天然气的不足，又能从根本上消除了煤炭开采中造成的瓦斯 突出等灾害，还可以减少了大量瓦斯排放到大气中造成的环境污染以及改善我国 的能源结构。论文详细阐述了煤层气赋存状态、煤层气吸附与吸机理、煤层气 开采基础与提高采收率方法，分析了注气增产法开发煤层气机理，指出了注气增 产法开发煤层气的研究方向。关键词：注二氧化碳；煤层气开采；采收率；进展Abstract： Coalbed methane will be come a strategically s

2、ubstitute resource of coal oil and natural gas in China. The development and utilization of coalbed methane can not only make up for the deficiency of natural gas, but also eliminate the disaster of gas outburst during coalmining more over, reduce the air pollution from gas emission and optimize the

3、 energy structures in China. This paper illustrates occurrences, adsorption, desorption, mining mechanism and recovery of coalbed methane, analyzes the mining mechanism via gas injection to increase coalbed methane recovery and presents a study direction for gas injection to mine coalbed methane.Key

4、 words: carbon dioxide injection; mining coalbed methane; recovery; advance煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH 4 （甲烷），与煤炭伴生、以吸附状态 储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2-5倍，主要成分为甲烷。1立 方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当， 可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工 业、化工、发电和居民生活燃料。开发利用煤层气可以改善煤矿安全生产，提高经济效益在煤炭开采过程产生 的煤层气俗称“瓦斯”。煤矿瓦斯事故是煤矿安全生

5、产的最大威胁之一。我国国 有煤矿高瓦斯和瓦斯突出矿井占总矿井数的46%，瓦斯事故频繁，每年因瓦斯灾 害造成的死亡人数达2000人以上。仅根据最近15年的统计，因瓦斯事故而死亡 的人数约占煤炭行业工伤事故死亡人数的3040%，占重大事故的7080%，直 接经济损失超过500亿元。瓦斯事故造成的人员伤亡和巨大经济损失，在社会上 形成很大负面影响。采煤之前先采出煤层气，有利于从根本上防止煤矿瓦斯事故， 改善煤矿的安全生产条件，同时还能减少矿井建设费用（巷道建设和通风费用减 少1/4左右），从而提高煤矿的生产效率和经济效益，改善煤矿的社会形象。开发利用煤层气可以在一定程度上改善我国的能源结构，增加洁净

6、的气体 能源能源作为人类经济社会发展的三大支柱之一，将在世界经济可持续发展的战 略中具有举足轻重的作用。随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求也越来 越大，特别随着我国经济的飞速发展，国内油、气供需缺口急剧增大。开发和利 用煤层气可以现实、有效地弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足。 有些资深专家早就提出21世纪是煤层气大发展的时代，煤层气是我国常规天然 气最现实可靠的替代能源。开发利用煤层气可以有效减排温室气体，改善大气环境煤层气（甲烷）又是 一种温室气体，其温室效应是CO?的2024倍。甲烷的温室效应在全球气候变 暖中的份额为15%，仅次于CO2。我国是煤炭生产大国，只要采煤就会

7、向大气中 排放煤层气。1994年，据联合国统计我国每年因采煤向大气排放的甲烷气体达 190亿m3,居世界第一，约占我国工业生产中甲烷排放量的三分之一，占世界 采煤排放甲烷总量的三分之一，已引起国际社会的普遍关注。由于近年来煤炭产 量剧增，这一问题更加突出。因此开发和利用煤层气不仅可以避免因采煤造成的 煤层气这种不可再生资源的浪费，还在减少温室气体排放、改善大气环境方面具 有非常重要的意义。开发利用煤层气也将拉动相关产业的发展任何一个新产业的 形成与发展都与其他行业密切相关，开发利用煤层气也将为拉动相关产业起到推 动作用。煤层气产业是一项庞大的系统工程，建设一个煤层气生产基地将带动运 输、钢铁、

8、水泥、化工、电力、生活服务等相关产业的发展，增加就业机会，促 进当地经济的发展。综上所述，煤层气的开发和利用不仅可以缓解我国优质能源供需矛盾，一定 程度上改善能源结构的需要，也可以从根本上保障煤矿安全生产和改善全球大气 环境。同时，煤层气产业还将成为我国国民经济新的增长点。开发利用煤层气在 我国具有特殊的紧迫性和重要性，因为我国是世界采煤大国，煤层气如不及时开 发利用，将伴随着采煤过程继续大量排入大气，既浪费了宝贵资源又造成温室效 应。一言以蔽之，开发利用煤层气有百利而无一害，功在当代，利在千秋。1 .影响我国煤层气采收率的主要因素煤层气在采出过程中首先从煤中解吸并以煤层的孔、裂隙系统作为运移

9、通道, 因此煤层气地质特征控制着煤层气采收率，主要包括渗透率、储层压力和含气 饱和度等。与美国相比，我国的煤储层渗透率要低3-4个数量级，低渗无法形 成以抽采井为半径的大范围的解吸扩散渗流圈。可能造成煤层气产量过早低于 经济产量，导致开发停止，从而使煤层气采收率降低。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。不仅如此，储层压 力也是水和气体从煤裂隙流向井筒的能量，当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的 气体开始解吸，向裂隙方向扩散，在压差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就 是根据这一原理，通过排水降低储层压力而达到采气的目的。我国煤储层绝大部 分压力偏低，低压一方面表现为没有足够的吸附动力

10、，煤体吸附的气体少；另一 方面使得煤层气开采时气流驱动能力不足，产出速率低。含气饱和度方面,低饱和 是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。在废长期从事 油气地质学及煤层气开发方面的研究工作。2.煤层气赋存状态与吸附、解吸机理特征研究现状2.1煤层气赋存状态与开采的基本理论煤层气赋存状态有三种，吸着态、游离态和溶解态，吸着态又包括吸附态、吸 收态和凝聚态三种方式，而其中以吸附态为主与常规油气藏最明显的区别在于， 煤层气主要是以吸附状态储存在煤岩层中，煤岩层即是生气源岩，煤层气储集 层。煤储层是由气、液、煤基质块和宏观裂隙、显微裂隙、孔隙组成的三相介质 与三元结构体系，是由相互

11、关联、相互制约和相互作用的一些部分组成的具有某 种功能的组合。煤层气开采理论的基础是解吸-扩散-渗流，与之对应的工艺过 程是排水-降压-解吸。气体通过煤基质扩散到煤层内生节理中，扩散行为符合 Knudsen扩散(微孔)定律Fick扩散(中、大孔)定律，扩散速度与甲烷浓度、 煤基质内在扩散性能和甲烷运移距离有关;流体达到节理之后的流动特性可用达 西定律来描述，随压力梯度而变化。2.2煤层气吸附、解吸机理研究现状煤层气在煤层中的赋存状态是煤层气开采理论的基础。吸附是煤层气的主要 赋存状态。对于煤层中气体的吸附，国内外学者做了大量的研究工作。在吸附作 用研究中，Langmuir等温吸附模型和方程长期

12、占统治地位，国外在20世纪70 年代、国内在20世纪90年代开始考虑煤内表面的非均匀性，尝试用势差理论模 型、DR方程、GF方程、LF方程描述煤的吸附特征。对于多组分吸附特征的研究， 虽然开始于20世纪60年代末，但主要是20世纪90年代以后由于勘探开发的需 要，氮气、二氧化碳等其他气体以及不同组分的混合气体的吸附作用才越来越 受到重视,研究表明，煤储层对气体的吸附具有以下规律：煤对混合气体总的吸附及可选用Langmuir或BET混合气体公式作为理论 基础;煤对常见气体的吸附能力由强到弱为：二氧化碳，甲烷,氮气；多组分气体总吸附量介于强吸附质和弱吸附质的吸附量之间，随强(弱) 吸附质比例越大，

13、曲线越靠近强(弱)吸附质的吸附曲线；多组分气体中每一组分的吸附量都小于其在相同分压下单独吸附时的吸 附量;多组分气体中煤的吸附特性受吸附质气体原始含量、物理化学性质和煤的 变质程度控制。组分在气体中的含量越高，其吸附量就越小,其他组分降低某一组 分的吸附量因其吸附性质的不同影响程度不同。在以前的研究工作中，一般在研究压力和温度对煤吸附性能影响时，是对这 两个因素分开进行讨论的。根据温度和吸附量的线性关系，讨论了压力和温度综 合影响下煤吸附性能的变化规律，得出在较低温度和压力区，压力对煤吸附量的 影响大于温度的影响，随着温度和压力的增加,煤吸附甲烷量增大;在较高温度和 压力区，温度对煤吸附能力的

14、影响大于压力的影响,煤吸附甲烷量减少等结论。 同时研究工作还通过物理模拟实验进一步揭示了气液固三相作用条件下煤层 气吸附参数的变化特征。解吸作用是与吸附作用的相反过程，在煤层气开发中解 吸作用的研究十分重要。与吸附作用研究相比，解吸作用的研究相对薄弱一些。 近年来随着国内煤层气的开发及研究的深入，煤层气解吸作用研究也取得了一些 新的认识。张遂安等通过对不同样品不同单组分气体和不同配比的多组分混合气 体的等温吸附解吸实验模拟实验，提出煤层又是 气的具有吸附 解吸过程的可 逆性和解吸过程的滞后性，同时进行了煤层气变形双重介质煤层气广义流动分 析，建立了变形双重介质煤层气拟稳态和非稳态渗流模型。3.

15、国内外提高煤层气采收率方法我国的煤矿井下煤层气抽放始于20世纪50年代，随着对新能源的开发利 用，煤层气由单纯的井下抽放逐步向地面开发发展，90年代开始试验性的进行 煤层气的工业化开采，但大部分的产气量不高造成这种现象的主要原因是：我国 煤层气地质条件复杂，大多具有低压、低渗、低饱和三低现象，低压使气流驱动 能力不足，低渗无法形成以抽放钻孔为半径的大范围的解吸-扩散-渗流圈，低饱 和是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。在目前的技 术条件下，“三低”煤层抽放特别困难。以下将对多种提高煤层气采收率的技术 进行概述。3.1煤储层压裂技术煤储层压裂技术是目前煤层气开发普遍采用的增

16、产措施。这是因为人工压裂 形成的诱导裂缝降低或消除了煤层的近井眼伤害，强化了煤层中的天然裂隙网 络，扩大了有效“井眼半径”和煤层气解吸渗流面积，加强了井眼稳定性，在井 眼周围形成了有效的煤层气渗流通道，有效地提高了煤层气井的产能。压裂措施 最关键的技术就是破裂压力和瞬时关井压力的设计。煤层气井与常规油气井在水 力压裂技术方法和压裂结果上，既有相似性又有差异性。其差异性主要表现在以 下两个方面：煤层中甲烷气主要以吸附状态赋存于煤岩裂隙和基质孔隙（微孔 隙）的内表面上，其赋存和产出机理与砂岩天然气完全不与油气储层有显著差异。 这给煤层气井的水力压裂设计与研究带来了许多新的课题，表现出了其压裂机理

17、的特殊性，从而造成不同的压裂结果。煤的力学性质决定了其在压裂时易形成短 而宽复杂裂缝。常见的压裂裂缝有：水平裂缝，在煤储层埋藏较浅，最小主应 力为垂向应力时形成的“丁”形裂缝，对于单一煤储层，压裂裂缝将局限于煤 层内，可形成顶部为水平裂缝，中下部为垂直裂缝的复杂裂缝系统；对于多层薄 煤层，可形成一组垂直的压裂裂缝；延入围岩的裂缝，在对厚层压裂后期，垂 直裂缝将向围岩延伸。因此，在进行压裂设计时要考虑钻井、测井、完井、原地 应力、压裂液、支撑剂等方面的资料，以求作出最佳设计。3.2气体驱替煤层气（ECBM）技术气体驱替煤层气（ECBM）技术涉及的注入气体可以是二氧化碳或氮气或二氧 化碳和氮气的混

18、合气（烟道气），由于气相的存在，既可以通过注入低吸附能力 气体（氮气）部分降低甲烷的压力，也可以通过注入高吸附能力气体（二氧化碳） 的置换作用提高甲烷的采收率。ECBM技术主要有两种方法：注入co2提高煤 层气产能的技术，称之为CO2 ecbm。当注入到煤层自然裂隙系统时，CO2优先 吸附到原生孔隙系统中，同时，CO2将驱使CH 4从原生孔隙系统进入次生孔隙系 统。由于CO 2的注入，次生孔隙系统的压力增加，于是CH 4流向生产井井筒，而 CO则原地储存起来，不从生产井中产出。注入N降低CH分压。当N进 入煤层的自然裂隙系统时，CH 4的压力局部降低，CH 4的解吸速度随之增加。 但在生产井的

19、生产过程中，N突破的时间要比CO早，导致N与CH 一起 产出，因此必须将N2从产出的煤层气中分离出来。以N2和CO?为主要成分的 烟道气可以作为注入气来降低成本，烟道气中N2在煤层的运转速度相对较慢， 而与CO 2 一起可较大幅度提高煤层气的采收率。3.3注热开采煤层气技术注热开采煤层气技术主要是通过向煤层中注入水蒸汽来实现的。在热量作用 下，煤体和扩散全裂隙的煤层气的性质都要发生变化。一方面，在温度升高的情 况下，煤体膨胀，孔裂隙受到挤压后变形，从而阻碍如4气体分子的流动。另一 方面，CH 4气体吸热后，其动能增加，活性增强，解吸能力增强，煤层内吸附平 衡被打破，解吸率提高，大量CH 4从煤

20、体表面解吸出来并扩散全裂隙，使煤层裂 隙中的气体浓度增加，在增大的浓度梯度和压力梯度的作用下由裂缝系统流入井 筒，从而煤层气产量增加。煤层气的最终产量由二者共同的作用决定。在实际开 采中，先对煤层进行压裂，再向煤层里注入热量，有利于煤层气产量的增加。煤 层气注热开采主要以水蒸汽为介质，按其注入方式不同可分为蒸汽驱替和蒸汽吞 吐两种方式。由于蒸汽驱替效果并不太明显且成本高，在实际生产中利用蒸汽吞 吐的方式有较大优势。3.4洞穴应力释放法洞穴应力释放法既是储层激励技术，也是一种完井技术，是在垂直井钻到煤 层后，煤层以上用套管完井，煤层井段裸眼，再用水力喷射工具切割煤层，然后 压缩空气清除煤屑，在紧

21、靠煤层附近或煤层中造成一个大洞穴。洞穴应力释放法 的开采机理为：洞穴使煤层中的应力场的分布形式和大小重新分布。垂直应力分 量不再以原来的大小作用在洞穴之上，而转移到洞穴四周，形成了指向洞穴的煤 层的单向负荷。设计时又有意使增加负荷大于煤层的承受能力。未造洞穴前，煤 受到三轴压缩。水力喷射工具切割煤层，水力喷射的巨大压力克服煤层的抗压强 度和抗拉强度，使煤产生裂缝，裂缝附近的煤被破碎，从而形成了垂直于大裂缝 的许多张性小破裂。压缩空气又将煤屑从洞穴中清除到地面。水力喷射器不断地 喷射切割煤层，不断产生裂缝，张性小破裂继续增加，产生的煤屑不断地清除到 地面，洞穴增大，煤层崩落并向洞穴里垮塌，使煤层

22、进一步破碎成小块，形成去 应力带、超应力带的范围不断增加，洞穴随之继续增大，碎煤不断增多。这种效 应一直向煤层内部不断延伸，直到煤的承载能力等于或超过重新分布的应力，才 停止扩延。这种效应的影响范围可以扩展到洞穴周围100 m以上。从洞穴中排 掉垮塌煤块形成一个范围很广的松弛带，松弛带现存裂缝敞开，使煤层和围岩更 具有渗透性。开采煤层气的过程，一方面排水加速压力降落，另一方面采出解吸气也加速了压力降落，使煤层应力再重新分布，洞穴周围的松弛带的范围还会再 增加。概括起来，该方法具有如下优点：第一，产生了大量的张性破裂，缩短了 解吸气的扩散路径，减少了扩散阻力，增加了解吸速度，张性破裂对解吸速度的

23、 影响比大裂缝更为有利并且会造成和延长解吸气的自喷期。第二，洞穴应力释放 方法极大地减小了煤的颗粒，从而增加了甲烷的解吸速度。第三，洞穴应力释放 法产生裂缝和大量的张性破裂，使煤层水尽快释放并流入洞穴，一方面煤层水含 量减少，加速甲烷的解吸速度；另一方面，应力的减小，也加速甲烷的解吸速度。 第四，水力喷射器的高压水与煤层的摩擦，应力分布，增加了煤层的温度，从加 速了解吸速度。第五，洞穴应力释放法在煤层中产生裂缝和大量的张性破裂，极 大地增加了解吸后的甲烷气的渗流速度。3.5声震法提高煤层气采收率技术声震法提高煤层气采收率技术主要表现在两面：第一，声场促进煤层气在煤 层微孔中解吸一扩散；第二，声

24、场促进煤层气在空裂隙系统中渗流。声波的机械 振动作用和热效应是声场促进煤层气在煤层微孔中解吸一扩散的主要原因。在声 波的振动作用下，毛细管半径变大或变小，煤体质点易发生位移、破碎，使煤体 中产生新的裂缝网，裂隙和孔隙增多，煤岩骨架和其中的流体也产生振动，有利 于CH气体从煤岩体中解吸；热效应使煤体温度升高，从而加大自由气体分子 4的碰撞，为气体脱附提供能量，CH 4增大，吸附CH 4分子发生解吸的可能性 就越大，声场促进煤层气的渗流主要表现为：声场可以提高煤层的温度，改变煤 层温度分布，促进煤层气的解吸和扩散；声场在煤层中存在明显的衰减，在其衰 减范围内，声场对煤层存在机械振动、机械损伤和热效

25、应，可以大幅度提高煤层 的渗透率，降低煤层的应力，促进煤层气在孔裂隙中的渗流。4 .注气增产法开发煤层气的研究方向匹1=1总结国内外的研究成果，煤层气注气提高采收率的可行性和原理已经得到了 充分的论证，然而，前人的研究工作多集中在纯理论的研究阶段，将这种理论技术 和实践结合较少，理论研究中还存在许多问题主要有：1）应通过吸附解吸实验，深入研究多组分气体2）通过注气驱替渗透实验,研究煤层气采出率与注气成分、注气周期、注气 压力之间的关系3）研究煤变质程度及煤岩组分对注气效果影响。4）开展高温、高压下的储层注气效果评价。5）依据前述研究结果和质量守恒原理，通过微元分析建立多组分气体在煤 层气中的相对扩散渗透微方程，并进行数值模拟，以确定生产井煤层气速率与注 气工艺参数和储气参数等因素之间的关系，寻找提高煤层气采出率的最佳途径。 通过以上研究，从理论上搞清多组分气体在煤层中的相对扩散渗透规律，为注气 开发煤层气设计提供基础