摘要

注入CO₂提高煤層氣采收率（CO₂-ECBM）是一項(xiàng)兼具增產(chǎn)與碳封存雙重效益的重要技術(shù)途徑。然而，不同煤階儲(chǔ)層中競爭吸附和壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制對增產(chǎn)的定量貢獻(xiàn)仍不明確。

本研究以沁水盆地高階無煙煤和準(zhǔn)噶爾盆地低階煙煤為研究對象，利用核磁共振（NMR）分層表征（SFG-MSCPMG）與成像（MRI）技術(shù)，在儲(chǔ)層條件下模擬了超臨界CO₂-ECBM過程，并結(jié)合注入氦氣對照實(shí)驗(yàn)，量化了競爭吸附與壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制對提高采收率的貢獻(xiàn)率，揭示了CH₄的運(yùn)移動(dòng)力學(xué)特征，明確了煤中的主導(dǎo)機(jī)制。

結(jié)果表明：

（1）競爭吸附與壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制的貢獻(xiàn)率在不同煤階間差異顯著。高階煤中，競爭吸附占絕對主導(dǎo)，貢獻(xiàn)率達(dá)83.42%；低階煤中，壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制占優(yōu)勢，貢獻(xiàn)率為66.22%，競爭吸附貢獻(xiàn)率為33.78%。

（2）燜井過程中，高階煤將CH₄滯留在低滲區(qū)，導(dǎo)致驅(qū)替效率低且空間差異大；低階煤則表現(xiàn)為快速同步驅(qū)替，CH₄殘留極少，效率高。

（3）在CO₂-ECBM工程應(yīng)用中，高階煤儲(chǔ)層應(yīng)延長燜井時(shí)間，確保CO₂充分驅(qū)替CH₄，同時(shí)配合水平井布井和壓裂改造，構(gòu)建高滲透通道；低階煤儲(chǔ)層則需要更高的CO₂注入壓力，以形成強(qiáng)壓力梯度，促使CH₄高效運(yùn)移與采出。

研究方法

煤柱樣品

圖1 不同煤階實(shí)驗(yàn)樣品

核磁共振設(shè)備

圖2 核磁共振測試平臺

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置解吸對照、He-ECBM和超臨界CO₂-ECBM三組，煤樣CH₄飽和后注入高壓氣體，經(jīng)燜井再降壓解吸，通過采收率對比量化兩種機(jī)制的權(quán)重，同時(shí)結(jié)合分層T₂譜與MRI揭示CH₄的空間運(yùn)移特征。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

He-ECBM過程中CPMG序列測試

將非吸附性氦氣注入CH₄飽和煤樣模擬He-ECBM。

燜井中，游離CH₄先升后穩(wěn)，吸附CH₄漸降。低階DG樣孔裂隙發(fā)育、吸附弱，吸附信號2h速降、9h即穩(wěn)；高階SH樣微孔為主、吸附強(qiáng)，吸附信號呈三階段緩降（5h快降、5–48h變慢、48h后穩(wěn)）。降壓解吸，DG樣初期即大量解吸，SH樣解吸主要滯后于低壓段且3–2 MPa出現(xiàn)解吸停滯。He-ECBM采收率SH為32.53%，DG為87.47%。該吸附信號衰減并非競爭吸附，而是氦氣稀釋致CH4分壓降低所驅(qū)動(dòng)的壓力型解吸。

圖4 模擬He注入燜井過程中CPMG測試結(jié)果

圖5 模擬He注入后解吸過程中CPMG測試結(jié)果

CO₂-ECBM過程中CPMG序列測試

將超臨界CO₂注入CH₄飽和煤樣模擬CO₂-ECBM。

燜井期間，高階SH樣192h方達(dá)穩(wěn)定，吸附CH₄信號降45.40%，游離信號持續(xù)增加171.60%，反映微孔中緩慢競爭置換與游離CH₄滯留；低階DG樣僅需24h，吸附信號2h內(nèi)速降56.91%，游離信號先升178%后略降，顯示快速置換與裂隙高效運(yùn)移。降壓解吸階段，SH樣游離CH₄于1MPa消失，采收率68.02%；DG樣游離CH₄在3 MPa前即消散，采收率達(dá)97.68%。

圖6 模擬CO₂注入燜井過程中CPMG測試結(jié)果

圖7 模擬CO₂注入后解吸過程中CPMG測試結(jié)果

CO₂-ECBM過程中SFG-MSCPMG序列測試

燜井過程中，SH樣品CH₄呈空間分異，可分為近端、中部和遠(yuǎn)端三段。燜井演化三階段：早期遠(yuǎn)端驅(qū)替顯著，近端變化極??；中期中部富集、遠(yuǎn)端停滯回升；晚期近端緩降、中部富集達(dá)峰。降壓解吸階段，高壓區(qū)間遠(yuǎn)端貢獻(xiàn)為主，中壓區(qū)間為解吸主窗口，但4~3MPa出現(xiàn)解吸滯后，歸因于微孔喉毛管阻力；低壓區(qū)間轉(zhuǎn)為近端主導(dǎo)。

圖8 高階樣品模擬CO₂注入燜井過程中SFG-MSCPMG測試結(jié)果；

（a）-（e）分別代表煤樣不同層位CPMG測試結(jié)果

圖9 高階樣品模擬CO₂注入后解吸過程中SFG-MSCPMG測試結(jié)果；

（a）-（e）分別代表煤樣不同層位CPMG測試結(jié)果

CO₂-ECBM過程中MRI成像結(jié)果

MR偽彩色圖像與分層NMR T₂弛豫特征嚴(yán)格一致，直觀展示了超臨界CO₂-ECBM過程中甲烷的空間運(yùn)移機(jī)制。

燜井9h，30~40mm段出現(xiàn)微弱黃色條帶低信號區(qū)，對應(yīng)T₂信號下降13.63%；燜井24h，該段轉(zhuǎn)為綠色條帶低信號，表明裂隙充分發(fā)育，T₂信號再降8.06%，而0~30 mm近端段仍呈紅色高信號。中后期（120~192 h），中部20~30 mm段持續(xù)出現(xiàn)紅色高亮聚集，T₂信號上升7.24%，指示甲烷富集；遠(yuǎn)端30~50 mm段變?yōu)辄S綠色，信號顯著降低。高壓解吸（11~5 MPa），MR圖像呈低值顏色，遠(yuǎn)端信號持續(xù)下降12.66%~14.84%；低壓階段（2~0.7 MPa），近端紅色高信號區(qū)收縮，對應(yīng)T₂信號下降20.67%。上述演化與分層T₂譜定量結(jié)果相互印證，揭示了甲烷空間運(yùn)移與富集規(guī)律。

圖10 高階樣品模擬CO₂-ECBM過程中MRI成果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增采機(jī)制貢獻(xiàn)存在顯著的煤階差異。

在本次研究條件中，高階煤樣以競爭吸附機(jī)制主導(dǎo)，其貢獻(xiàn)率達(dá)83.42%；而低階煤樣以壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制主導(dǎo)，其貢獻(xiàn)率為66.22%。

該差異源于煤階所控制的孔隙結(jié)構(gòu)與吸附特性：高階煤具有更發(fā)育的微孔系統(tǒng)，比表面積大，為超臨界CO₂提供了更多吸附位點(diǎn)，超臨界CO₂憑借其相對CH₄更小的分子動(dòng)力學(xué)直徑與更強(qiáng)的吸附能力使其優(yōu)先占據(jù)微孔并有效置換CH₄，競爭吸附貢獻(xiàn)突出；低階煤則發(fā)育較豐富的中-大孔與裂隙網(wǎng)絡(luò)，有利于超臨界CO₂的快速滲流，同時(shí)其自身吸附能力較弱，導(dǎo)致競爭吸附作用相對不明顯，以驅(qū)動(dòng)機(jī)制主導(dǎo)。

結(jié)論

1.燜井時(shí)間和CH₄采收率受煤階影響顯著。

高階無煙煤需192小時(shí)達(dá)到燜井穩(wěn)定，CH₄采收率（R_r）為68.02%，較非ECBM組提高了42.61%；而低階煙煤（DG樣）僅24小時(shí)即達(dá)燜井穩(wěn)定，R_r為98.68%，提高了32.37%。

2.競爭吸附與壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制對提高采收率的貢獻(xiàn)在不同煤階間差異顯著。

高階煤中，競爭吸附機(jī)制對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)83.42%，壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制僅貢獻(xiàn)16.58%；低階煤中，壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制占主導(dǎo)，貢獻(xiàn)率為66.22%，競爭吸附貢獻(xiàn)33.78%。

基于上述機(jī)制差異，建議高階煤儲(chǔ)層延長CO₂燜井時(shí)間以提高驅(qū)替效率，并輔以水平井和壓裂改造促進(jìn)CO₂運(yùn)移與CH₄驅(qū)替；低階煤儲(chǔ)層則應(yīng)提高注入壓力以建立強(qiáng)壓力梯度，同時(shí)結(jié)合壓裂和支撐劑充填等措施保持儲(chǔ)層高滲透性，強(qiáng)化CH₄運(yùn)移。

3.不同煤階的CH₄產(chǎn)出行為與空間分布差異顯著。

高階煤儲(chǔ)層中，CH₄易于滯留在低滲透區(qū)，導(dǎo)致顯著的空間非均質(zhì)性和較低的產(chǎn)出效率；低階煤儲(chǔ)層中，CH₄產(chǎn)出呈現(xiàn)全域協(xié)同快速響應(yīng)，殘留量少、采收率高。

對于低滲煤儲(chǔ)層，建議在實(shí)施CO₂-ECBM前進(jìn)行合理的壓裂改造，特別注意控制裂縫強(qiáng)度以避免氣竄，同時(shí)采用水平井構(gòu)建連續(xù)穩(wěn)定的主滲流通道，從而提升CH₄整體采收率、縮短燜井時(shí)間、提高經(jīng)濟(jì)效益，并增加CO₂在儲(chǔ)層中的波及與封存效率，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)與碳封存的協(xié)同優(yōu)化。

推薦設(shè)備

大口徑核磁共振成像分析儀

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參考文獻(xiàn)：

Zhan B W, Li X, Liang Z L, et al. Distinguishing the contributions of pressure-driven and competitive adsorption to supercritical CO2-enchanced coalbed methane recovery[J]. Chemical Engineering Journal, 2025, 525：170353.