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日本夕张煤田注二氧化碳提高煤层气采收率 微型先导性试验研究 摘要： 采用间歇式注入方式向夕张煤田的目的煤层注入CO2提高煤层气采收率试验。并进行了可行性评价。从2004年5月开始开展了一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验。随着CO2的注入，产气率有明显的提高，但是产水率没有收到明显的影响。实验测试表明：向饱含水的煤层中注入CO2，伴随着CO2量的减低，水饱和度增加。因为煤基质的膨胀使得煤的渗透率下降，CO2的注入量减少。 关键词：CO2-ECBM 夕张煤田 CO2注入与封存 一、前言 在全球能源需求持续增长以及全球气候变暖已经双重压力下 促使煤层封存技术CO2-ECBM得到迅猛发展 该项技术将CO2从集中源、火电厂以及水泥厂等分离后通过管道输送后将其注入不可采煤层，利用煤对CO2以及CH4吸附能力的差异性将CO4从煤层中驱替出来，在封存CO2的同时能够提高煤层气的采收率从而降低CO2地下封存的成本。 1、注气提高煤层气产能的基本原理 不同气体分子与煤之间作用力的差异，导致煤对不同气体组分的吸附能力有所不同。这种作用力与相同压力下各种吸附质的沸点有关，沸点越高，被吸附的能力越强，从CO2、CH4到N2，其被吸附能力依次降低(表1)。煤分子与气体分子之间的作用力包括德拜诱导力和London色散力，由此形成吸引势，即吸附势阱深度Ea。吸附势阱深度与煤层中气体分子的极化率和电离势有关，极化率和电离势越大，诱导力和色散力越大，势阱越深。CO2、CH4和N2的极化率和电离势依次降低，吸附势阱也依次降低。煤对CO2和N2的吸附能力不同，导致它们各自置换甲烷的能力也有所不同。CO2被注入煤层之后，就会与煤基质微孔中的CH4发生竞争吸附，从而将原吸附在煤层中的甲烷置换出来。对于N2只能在等压状态下通过降低游离甲烷的分压来影响其吸附等温线，促使吸附甲烷被置换出来。相比之下，CO2置换煤中甲烷的能力要优于N2。 表1 N2、CH4、CO2的吸附能力与其物理化学参数的关系 物理化学参数 N2 CH4 CO2 沸点/℃ -195.81 -161.49 -78.48 临界温度/℃ -147.0 -82.01 31.04 临界压力/MPa 3.398 4.6407426 7.386 临界密度/（kg·m-1） 314 426 466 电离势/eV 13.0 13.79 15.6 有效直径/nm 0.374 0.414 0.456 三种气体在同等条件下的吸附量之比接近4:2:1（图1）。由于CO2吸附能力大于CH4，当将CO2注入到煤层中，CO2也将置换出煤层内的吸附CH4，迫使CH4吸附相的相对浓度逐渐降低，CO2在吸附相的相对浓度逐渐增高，从而达到既在煤层内储藏CO2，又提高CH4采收率的效果。 图1 不同气体在煤岩介质中的吸附曲线 二、JCOP项目简介 2002年，日本能源中心负责实施了CO2在煤层中地质埋藏项目（JCOP:JAPAN CO2 Geosequestration in Coal Seams Project），开展了一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验，确定日本北海道石狩湾含煤盆地夕张煤田注IW-1井为微型先到性试验的第一口井位。 IW-1井试验目的层是有效厚度最大的位于底层的煤层，目的层深度为890m-895m，厚度为5.55m，渗透率为1.0um2，储层压力为10.216Kpa，2004年秋，在IW-1井196m的地面距离处钻了一口生产井PW-1（图2）。PW-1井在420m处开始倾斜钻入以更加接近IW-1井，从而保证尽量少的CO2发生突破。在目的层中两口井的水平距离为67m。 图2 现场井位设计图 三、现场试验 CO2-ECBM 微型先导性试验的工艺技术包括微型先导性试验设计、CO2注入技术和数据采集和分析技术等，从2003年11月开始进行一系列的CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的单井微型先导试验和多井微型先导试验. 1、2004年单井微型先导试验 2004年7月8，进行了第一次CO2的注入，因为没有进行封隔器封隔，最终在井口发生渗漏，注入的CO2被释放到大气中。与2004年7月22进行第二次CO2的注入试验，并进行井底封隔。套管-油管之间的环状区域被水充填。虽然进行了井底封隔，还是可能发生小部分的泄漏，尽管总的CO2的注入量为7.5吨，但是，只有2-3吨的CO2被注入到煤层中. 对比2004年单井微型试验生产过程中气、水产量及气体组分(图3)可以看出，排采开始时存在一个短暂的产气高峰（即第一产气高峰），产气量达到最高值130t/d，之后产气量开始迅速下降，这主要是因为煤储层含气饱和度较高，排水降压不久煤储层中的游离气以及井筒周