注气开采煤层气增产机制的研究.pdf

第 2 6 卷第 2期 2 0 0 1年4月 煤 炭 学 报 J OURNALOFC H ACOAL S OCI E I TY ．2 6 No 2 Am ． 2 0 0 1 文章编 号 0 2 5 3 9 9 9 3 1 2 0 0 1 0 20 1 9 9 0 5 注气开采煤层气增产机制的研究 吴 世跃， 郭 勇 义 太原理工大学 矿业工程学院．山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 依据扩散渗流和多蛆分吸附平衡理论，研究了注气开采煤层气的增产机制．研究表明， 注气增加储层能量，提高储层压力传导系 数井产生竞争吸附置换效应， 从而提高煤层气开采时的 单产量及回收率．文中 还导出了注气时回收率的计算公式．所得结论对注气开采煤层气设计和评 价具有指导意义． 关键词 煤层 气；注气开采；增产机制 中圈分类号 1 1 ] 8 2 3 ． 8 文献标识码 A 如何提高低渗透性煤层中煤层气开采时的单产量或渗流速度和回收率是目前国内外煤层气开采和矿井 瓦斯防治中急需解决的关键问题之一．在石油天然气的开采过程中，依靠地层天然的能量，其回收率仅 3 0 ％．若分别向储层注人水、N 2 ，C O 2 ，烟道气、蒸汽、化学药剂、热量等，以提高储层能量 ，改变储层 和石油天然气的物理力学性质及其之间的亲和力，可不同程度地使回收率提高到 6 o ％--9 0 ％，单产量也 大幅提高．与常规天然气相比，煤层气的储存方式以吸附为主，煤层储气能量低，渗透性差，开采难度更 大，目 前全国煤矿瓦斯抽出率平均不足2 0 ％，实践证明，注水开采煤层气的效果并不十分理想 J ．因此， 笔者借鉴石油天然气的经验，结合煤层气的特点，对注气开采煤层气提高单产量和回收率的机理进行研 究． 1 煤层气流动规律及影响单产量和回收率的因素 根据文献 [ 2 ] ，煤层气扩散渗流微分方程式为 喾 z V TZ R T Iz q ， 1 ．一一一 声1 K 1印 1 一印0 1矽1 ’ q mA Be x p 一B t ， m 一 _ ￡ 0 ，p1 p， ￡ 0 ， P 1P 暴露面 S 1 ， ￡ 0 ， 0 封闭面上 s 2 法线 方向上 2 3 4 5 6 7 式中，p 1 为裂隙中煤层气压力，P a ； 为渗流时间，s ；V为哈密顿算子；R为煤层气气体常数，J ／ k g K‘ ；T为煤层温度， K； 为煤层气动力粘度，P a K 渗透率，r n 2 ；q为单位时间、单位体积煤扩 收穑日 期 2 0 ∞一 1 2 0 5 基童嘎目山西省自 然科学基叠资助礓 目 9 9 1 0 2 8 维普资讯 2 0 0 煤 炭 学 掇 2 0 0 1 年第2 6 卷 散的煤层气，即煤层气扩散速率，k g ／ m 3 S ；m 为吸附煤层气在压力P ， 下的极限扩散量 回收量 ， k g ／ n ； 类似导温系数 ，即压力传导系数，其值越大，煤层气压力趋于均匀一致的能力越强，m 2 ／ s ； 为煤层压缩系数，P a I 1 ； 0 为煤层初始条件下的孔隙率，m3 ／ lm3 ％ ；P 0 为煤层气初始压力，P a ； Ⅱ 】 为单位体积煤在参考压力下的极限吸附量，m 3 ／ m 3 ；b l 为吸附平衡常数，P a I 1 ；P 为衡量煤层气含量大 小的参考压力，P a ；P 为抽放钻孔压力，P 且 ；A，B都是与扩散系数、传质边界及孔隙结构有关的实验 系数 ， A无单位，B的单位为 s - 。 ． 方程 1 左边是压力的平方对时间的偏导数，因煤层气含量与压力成正比，所以可看成渗流速度 单产量 ．右边第 1 项是压力平方梯度的散度与压力传导系数的积 ， 他们分别反映了压力平方在空间中的 分布及煤层内压力平方接近边界面压力平方的能力；第 2项主要反映扩散速率与极限扩散量 回收率 、 煤层吸附能力、扩散系数、传质边界及孔隙结构的关系． 由上述扩散渗流方程组可知 压力平方的梯度、压力传导系数及孔隙内煤层气扩散速率越大， 煤层气 的渗流速度越大；随渗流时间延长，若外界不补给能量，流场内压力平方梯度、扩散速率及渗流速度逐渐 减小．因此开采煤层气时 ， 无论采取何种措施，只要能使压力平方的梯度、压力传导系数及孔隙内煤层 气扩散速率增大或保持不变，就能提高煤层气开采时的单产量和回收率． 2 注气对煤层气渗流速度和回收率的影响分析 注气开采煤层气就是向储层注人 N 2 ，O ，烟道气等气体，其实质是向煤层注人能量，改变压力传 导特性和增大或保持扩散速率不变， 从而达到提高单产量和回收率的目的．依据扩散渗流理论和多组分吸 附平衡理论，对先注气后采气的间断性注气模式和边注边采的连续注气模式的增产机制分析如下． 1 间断性注气吸附平衡以后煤层部分采气区的原始压力增加，开采时压力梯度增大，渗流速度增 大，衰减时间延长； 连续性注气保持了维持煤层气流动的压力梯度不变．相对提高了渗流速度．这一过程 相当增能驱动过程，与负压抽气产生的效果相似， 但比负压抽气的效果大．因为负压抽气其抽放负压仅变 化在一个大气压左右，与储气层内十几个乃至几十个大气压力相比，其增能效果非常有限；而注气压力可 达到与储气层内相同数量级的压力，甚至更高．另一方面注气造成的渗流速度增大又引起裂隙系统中煤层 气分压下降速度加快，由此引起更多的吸附煤层气参与解吸，解吸扩散速率的增大， 反过来又促使渗流速 度加快． 2 当注气压力较大时，还可能在煤层内形成新的裂隙，使渗透率 ，即压力传导系数增大，从而引起 渗流速度增大． 3 煤是一种具有较高剩余表面自由能的多孔介质．由于煤的剩余表面自由能总量 吸附空位一 定，所以煤层与混合气体达到吸附平衡后，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．注气后，竞争吸附置换，必然使一部分吸附的甲烷解吸扩散，从而引起扩散速率、渗流速度和回收率 提高． 3 注气对甲烷的置换效果分析及试验研究 ’ 3 ． 1 回收率分析 根据吸附平衡理论‘ 3 l ， 单组分 L a n g u i r e 等温吸附平衡方程在一定范围可推广应用于多组分吸附平衡 的计算，即 等 ， 8 式中， 为各组分在相应平衡分压下在煤层中的吸附量，m 3 ／ ；n 为各组分在煤层中单独吸附时在参 考压力P 下的极限吸附量，m 3 ／ m 3 ；P 为各组分在混合气体吸附平衡时的分压力 ， P a ； 为各组分在煤 层中单独吸附时的吸附平衡常数，P a ； 为混合气体中组分个数． 维普资讯 第 2期 吴世跃等注气开采煤层气增产机制的研究 2 0 1 由式 8 可知某一组分气体其单独吸附平衡时的压力与其在混合气体中的平衡分压相等时，前者吸 附量大于后者．因此，当煤层中吸附煤层气与游离煤层气处于平衡状态或吸附煤层气解吸扩散处于相对稳 定时，向 煤层中注入新的气体，注入气体要向孔隙中吸附扩散，打破了原来的平衡和稳定，所以吸附煤层 气含量要降低，解吸扩散速率要增大，渗流速度和回收率要提高． 在煤层气开采的过程中，随着时间延长，流场中煤层气的压力梯度和渗流速度逐渐降低，当降到非常 小时， 流场内任意点解吸与吸附接近静态平衡状态，煤层气开采便失去意义，此时可由残余孔隙压力 P 及静态吸附平衡方程计算出煤层气的回收量和回收率，郎 m 器[ 一 P l e x p - 一 P 0 ] 一 ， 9 p lex p - 一 P 0 ] 一 ， 如 式中， 为未注气开采时煤层气回收量，k g ／ m 3 ；7／ 为回收率， ％． 右边第 l ，2 项分别是游离和吸附煤层气的回收量和回收率． 根据式 8 和式 9 ，注气开采的回收量和回收率可由下式计算，即 m 一 p le x p 一 P 0 ] 一 ，⋯ 矿 一 p lex p 一 P o ] 一 ， 1 2 PPl P 2 ， 1 3 式中，m 为注气开采时煤层气的回收量，k g ／ m 3 ；7／ “ 为回收率， ％；下标 l的参数代表煤层气，2代表注 入气体的参数． 式 9 ～ 1 2 推导可参见文献 [ 2 ] ． 设注气开采停采时煤层气的残余孔隙分压与未注气开采时的残余孔隙压相同，则由式 8 ～ 1 2 可知 注气开采时的回收量和回收率高于未注气开采时的回收量和回收率；由于煤层气含量的 踟％～ 9 0 ％以上处于吸附状态，所以利用式 9 ～ 1 2 计算时可忽略右边第 1 项 ，于是回收量的增加量及回 收率提高的百分比分别为 A m 丽 卷 ， 14 雨 币 而 ’ u J △ ％ - 15 上式表明，注气增加的回收量与煤层和注人气体的吸附特性、停采时注入气体和煤层气分压有关，与 初始压力无关；而回收率提高的百分比与这些因素都有关；注入气体分压力和吸附常数越太，增加的回收 量越多，回收率也越高．因此， 对吸附性能差的气体 ，可以通过提高注气压力，达到提高回收率的目的． 3 ． 2 试验研究 采用吸附容量法，分别做两个煤田煤样在 3 0℃时对 c I- h ，N 2 ，o 3 2 ，c I -I 4 一 N 2 ，C I- h O 0 2 吸附平衡 试验．混合气体高压初始吸附时，吸附缸内两种气体的压力比为 1 1 ．由于容积相同，根据气体状态方 程，所以其质量比就等于两种气体分子量之比的倒数．试验数据整理分析表明无论单组分，还是双组分气 体其吸附规律都近似符合 L a n g u i r e 等温吸附方程式，相关系数 r 和吸附平衡常数见表 1 ．VP试验曲 线如图 1 中的实线所示，实线从上到下依次是 o 3 2 ，c I- I4 一 o 3 2 ，c I- h ，c I -I 4 一 N 2 ，N 2 ． 图 1 中虚线是依据式 8 和式 1 3 及试验测得混合气体总平衡压力 P和总吸附量 反计算得到混 合气体各组分的吸附平衡分压和吸附量之间的关系曲线．图1 a 中虚线从上到下依次是c I- h O 0 2 混 合气体吸附时，O 0 2 和 c I- I , 的吸附量与其平衡分压的关系曲线； C I- I4 一N 2 混合气体吸附时，c I- I4 和 N 2 的 维普资讯 2 0 2 煤 。 炭 学 报 2 0 0 1 年第2 6 卷 z 差 ● 啦 附 平 需 盐 力 p／ MP a 霞 时 平 霄 压 力 p／ MPa a b 图 1 煤样吸附量与压力的关系 № 1 R e l a t k m b e t w e e n a d s o r p t i o n q u a n t i t y c o a l s a p l e a n d p t o u x e a 1 号煤样； b 2 号煤样 在图 1 b 中，最上方的第 1 条虚线和最短的一条虚线分别是 c I-hc o z 混合气体吸附时 c o z 和 C H 4 吸附量与其平衡分压的关系曲线，上方第2 条虚线和剩余的一条虚线分别是 c I- hN 2 混合气体吸附 时C H 4 和 N 2 的吸附量与其平衡分压的关系曲线．下方两条虚线在试验范围内基本重合． 由图1 可以得出以下结论① 混合气体等温吸附线靠近吸附性能大的气体等温吸附线；② 当压力一 定时，甲烷单组分吸附时的吸附量大于双组分混合吸附时甲烷吸附量，其差值就是注气增加的回收量；③ 同一煤样对不同气体，吸附能力越大的气体，增加的回收量越多，如 2 号煤样二氧化碳吸附能力 比氮气 大，所以增加的回收量越多；不同煤样对同一气体，吸附能力越大煤样，增加的／N 收量越多，如 2 号煤样 对二氧化碳吸附能力比1 号煤样大，所以增加的回收量多；由图1 a 可知，同一甲烷分压条件下，注 氮增加的回收量比二氧化碳还大，这是因为试验时氮气分压比二氧化碳分压大．这与式 1 4 和式 1 5 理论分析相一致； ④ 根据图 1 及式 1 4 和式 1 5 可以对注气效果进行评价和近似设计注气量．其方 法是根据图计算出某一甲烷分压下注气增加的回收量 ， 然后由式 1 4 计算出停采时注人气体的分压 注 气量 ，再由式 9 ～ 1 3 ，式 1 5 式计算出其他参数；⑤ 由结论③ ，④，式 1 4 及式 1 5 可 知，选择注气种类时，要综合考虑煤和气体吸附能力、增加的回收量、气体的来源及对环境的影响等，对 低吸附性能的气体可通过提高注气压力来提高回收率．煤矿井下注二氧化碳会影响环境，所以可考虑注空 气，因为空气主要成分是试验用的氮气 ， 根据前述分析 ， 其它成分的影响也是正面的． 上述结论是在流场中压力梯度和渗流速度非常小，即解吸与吸附接近静态平衡； 两种气体初始压力比 为 1 1 条件下得出的．因此，它仅可用来评价注气开采的效果和估计注气参数．对注气动态过程、注气比 一 一 一 一 维普资讯 第 2期 吴世跃等 注气开采煤层气增产机制的研究 及混合注气则需进一步研究 4 结 论 1 注气增加储层能量，提高储层压力传导系数并产生竞争吸附置换效应，从而提高煤层气开采时的 单产量及回收率． 2 给出了准静态平衡时 停采时回收量和回收率的计算公式，利用这些公式可以评价注气效果和 选择注气种类． 3 对 O 和N 2 在静态下的注气效果进行了试验研究，试验结果和理论分析一致．试验结果可用来 评价注气效果，估计注气参数． 参考文赫 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 吴世跃，郭舅义关于注气开发煤层气机理的探讨 [ J ] ．太原理工大学学报 ， 2 O O 0 ，3 1 4 3 6 1 --3 6 3 吴世跃。郭舅义．煤层气运移特征的研究 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 9 ，2 4 1 6 5 6 9 叶振华．化工吸附分离过程 [ M] ． 北京中国石化出版社 ， 1 9 9 2 ． 拉梅 R D 澳大利亚 ． 混合气体对煤的吸附作用、解吸作用及其在矿井通风中的意义 [ J ] ．第四届国际矿井通风会 议论文集 [ c ] ，[ s ．1 ． ] [ s ．n ． ] ，1 9 8 9 ． 作者简介 吴世跃 1 9 5 9 一 ， 男 ， 山西临猗人，工学硬士，副教授 ，1 9 8 7 年毕业于东北大学安垒工程专业，现从事安垒工程方面 的教学和科研工作，发表 “ 煤层气运移特征的研究”等论文近 2 0 篇， 合作著书 1 部 S t u d y o f t h e me c h a n i s m o f i n c r e a s i n g p r o d u c t i o n o f e x p l o i t a t i o n c o a l b e d me t h a n e b y g a s i n j e c t i o n wU S h i - y u e ．GUO Yo n g - y i E ，T a ly u a n U m h y ， ，T a l y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e o r y 0 f d i f f u s i o n a n d p e r m e a ti o n ，a n d theory 0 f a d s o r p t i o n e q u i l | b 血m1 0 f o o n x t u r e g a s ，t h eme c h a n i s mo f i n c r e a s i ng c o a l - b e dm e t h a n e p r o d u c t i o nb yg a s i n i e c t i o ni s s t u d i e d ． wi t hwh i c hi t i s i l l u s - t_ r a t e d f o r e n h a n c i ng 即e r g y o f s t o r i n g g a s s t r a t u m，h 吨 h t e n i ng p r e s s u r e c o n d u c t i o n c o e f f i c i e n t o f s t o r i n g g a s s t r a t u m a n d h i n g i ng d o mi n o e ff e c t o f c o mp e t i t i o n a d s o r p ti o nb y g a si n j e c fi o n ， c o n s e q u e n d yy i e l d a n d r a t i o o f r e o v e r y o f ∞ b e dme t h m e a r e a l s 0 e n h a n c e d．Th e c a l c u l a t i o nf o r mu l a so f r a t i o 0 f r e c o v e r y a r e d e d u c e d．Th e s e c o n c l u s i o n s h a v e d { m c e s i g n i f i e a c e to e x p l o i t a t i o n c o a l - b e d me t h a n e b y g as i n j e c t O l 3 ． K e y w o r d s c o a l - b e d me t h a n e ；e x p l o i t a t i o n b y g a s i n j e c t i o n ；me c h a n i s m o f i n c r e a s i n g p r o d u c t i o n 维普资讯