煤层气注气开发数值模拟研究进展

(中国尤氏大学(华东)石油工程学院，山东青岛266555)

摘要:目前制约我国煤层气开发的瓶颈是单井产量低，经济效益差，提高我国煤层气单井产量是一个亟待解决的问题。注气增产是一种提高煤层气采收率的增产技术。其原理是向煤层中注入其他气体(CO2、N2或混合气体)与甲烷竞争吸附或降低甲烷的有效分压，从而促进煤层中甲烷的解吸。该技术可以保证煤层的能量，有利于甲烷的生产，可以大幅度提高煤层气的单井产量和采收率，延长煤层气田的开采周期。本文综述了国内外注气增产机理、室内矿场试验和数值模拟的研究现状，总结了该领域存在的主要困难，并展望了进一步研究的方向。

关键词:煤层气；气体注入；解吸；数值模拟

煤层气注气驱替具有减少温室气体排放和提高煤层气采收率的双赢效果。与传统的储层压力衰竭开采方法相比，注气可以维持地层能量，延长煤层气井寿命，提高采收率[1]。该技术也适用于低渗透深部松软煤层的煤层气开发。因此，煤层气气体驱替技术的相关研究受到了世界主要发达国家的广泛重视。

1注气驱替煤层气的机理

煤是孔隙高度发达的有机固体物质。瓦斯在煤表面的吸附本质上是一种物理吸附，范德华力起主要作用。不同气体在煤表面吸附能力的差异主要是分子间作用力的差异。Cunningham [2]和Parkash [3]认为这种力与相同压力下各种吸附剂的沸点有关。沸点越高，吸附能力越强，因此煤对气体的吸附能力为:CO2 >CH4 >N2。从量子化学的角度，姜文平等人[4]发现CO2在煤表面的吸附势阱大于CH4，因此CO2的吸附能力强于CH4。Marco Mazzotti [5]发现吸附气体会导致煤岩膨胀，膨胀量为CO2 >CH4 >N2，因此注入CO2驱替煤层气会明显降低渗透率。

后来杨涛等人[6]建议注入超临界CO2开采煤层气。超临界CO2可以与CH4竞争吸附为气体，同时可以萃取渗流通道中极性较低的烃类和脂类有机化合物为液相，从而增加其孔隙度和渗透率。

N2的吸附能力弱于CH4 [7]，因此N2驱替煤层气的机理不同于CO2驱替(Figure 1)。N2注入后，可以降低CH4分压，促进CH4的解吸。N2置换CH4后，煤岩会收缩，渗透率会增加，这一点已经被加拿大阿尔伯塔省Felm Big Vaney [8]实验区的单井注水试验所证实。

图1注入CO2和N2驱替煤层气示意图。

总之，CO2驱替技术更适用于高渗透、不可开采煤层，但对于我国低渗透、可开采煤层有一定的局限性。此外，N2的成本相对较低，且易于纯化。因此，建议利用N2富含的混合气来驱替和开采我国低渗透煤层气。一方面充分发挥CO2的高置换能力，另一方面充分发挥N2的增渗作用。

注气开采煤层气试验

国内外对注气开采煤层气进行了大量的室内和现场试验。室内试验主要以气体吸附/解吸、变形和渗透率测定为主，现场试验主要以CO2煤层埋藏和煤层气混合气体驱替为主。

2.1室内测试

煤对瓦斯的吸附主要取决于其自身的因素，如煤岩组成、物理化学结构、煤阶、水分含量等。此外，温度和压力对煤岩的吸附也有很大影响。国内外学者对煤吸附单组分气体进行了大量深入的研究[9 ~ 24]。

关于煤对多组分混合气体的吸附，国内外专家学者[25 ~ 39]普遍认为，吸附多组分气体时，每种气体不是独立吸附的，而是不同气体之间存在竞争吸附。二元气体的吸附等温线总是介于强吸附能力和弱吸附能力的纯组分气体的吸附等温线之间，混合体系中各组分的吸附量小于相同分压下各组分单独的吸附量。

室内注气驱替实验的一般程序是:煤岩充分吸附CH4，然后注入其他气体，可以边注边抽，也可以先注后抽，直到其他气体与甲烷充分竞争吸附，然后测试产出气体的数量、组成及其与注气压力、注气量的关系。研究表明，CO2/CH4置换比高达1: 7，N2/CH4可达1: 4，产出气中初始甲烷含量几乎为100%。注入气体突破后，甲烷含量明显降低[40，41]。

2.2现场注气测试

美国、加拿大、日本和欧盟先后开展了不同规模的注气驱替煤层气的现场试验。1993年，美国BP Amoco公司在圣胡安盆地进行了世界上第一次注气(83% N2和12% CO2)提高采收率的相关试验[42]。1995年，美国将纯二氧化碳和纯N2注入圣胡安盆地的艾利森和蒂芙尼煤层[43]。为了测试ECBM技术在不同地质条件下的适用性，加拿大在阿尔伯塔省[44]盆地开展了小规模的CO2-ECBM项目，石油采收率得到了显著提高。中加两国还在沁水盆地南部的TL-003井联合开展了CO2-ECBM先导试验。测试数据显示，产气量明显增加，产水量减少[45，46]。此外，在日本、北海道和波兰也进行了类似的实地测试。

目前，在几个国家的实地测试结果令人满意。注CO2后气井产量大幅增加，但注气后井周渗透率有所下降，随着排液过程有所恢复。一方面，由于CO2的扩散趋于均匀，它不再像注入初始阶段那样聚集在井筒附近；另一方面，排采过程中储层压力降低，煤基质收缩，导致渗透率增加。

3注气开采煤层气的数值模拟

煤层中注入气体和煤层气的赋存和运移规律是注气开采煤层气的理论基础。注气开采煤层气的实质是注入气体和甲烷在煤层中的竞争吸附、解吸和扩散过程，以及水和气的多相渗流过程。ECBM过程中煤层气的运移是一个非常复杂的过程，包括煤层气和注入气体的竞争吸附、解吸、扩散和达西流。瓦斯的吸附和解吸会引起煤岩的膨胀和收缩变形，引起煤岩孔隙结构的变化，进而引起煤岩渗透系数的变化。煤岩孔隙结构和渗透系数的变化反过来影响煤岩中瓦斯的赋存和流动。因此，ECBM过程是一个多组分的气-水-煤-岩-固耦合过程。因为过程非常复杂，即使建立了完整的数学模型，求解起来也是相当困难的。因此，目前国内外学者，如埃克雷姆·奥兹德米尔[47 ~ 50]、胡里奥·马尼克、塞托、吴思越、孙克明[50 ~ 52]，在建立ECBM过程模型时，一般都做一些假设，使求解变得简单。

常规煤层气模拟器一般可以模拟:(1)双孔系统；(2)单组分气体在孔隙系统中的吸附和扩散；(3)裂缝系统中的达西渗流；(4)吸附气体解吸引起的煤岩收缩。模拟ECBM过程还必须考虑:(1)CO2吸附引起的煤膨胀；(2)混合气体吸附；(3)混合气体扩散；(4)注入气体与煤层之间的温差引起的非等温吸附。

鉴于ECBM过程的这些特点，目前国内外广泛使用的ECBM模拟器主要有商用模拟器，如GEM、ECLIPSE、Sime11、COMET2、METSIM2和非商用模拟器，如GCOMP、TOUGH2、CBM-SIM、IPARS-CO2等。David H.-S. Law [53]对注气驱替煤层气数值模拟进行了深入研究，并对上述模拟器的模拟效果进行了详细比较。有关各自的功能特性，请参见表1。

表1目前ECBM主要软件的功能特点

4摘要

综合国内外研究成果，充分论证了注气提高煤层气采收率的可行性和原理。但以往的研究工作多处于纯理论研究阶段，缺乏理论与实践的结合，有以下问题可以进一步研究:

(1)深入研究了煤样中多组分气体的竞争吸附/解吸效应，确定了相对吸附(解吸)速率和置换速率与吸附平衡压力、各组分气体分压和时间的关系。

(2)通过注气驱替渗流实验，研究了煤层气采收率与注气方式、注气组分、注气周期和注气压力的关系。

(3)研究煤变质和煤的组成对注气效果的影响。

(4)评价高温高压下煤岩储层注气效果。

(5)格子Boltzmann方法[54]和分子动力学方法(MD) [55]用于模拟注气开发。

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