唐会霞论文发表

冯其红 石洪福 张先敏

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555）

摘 要：当前制约我国煤层气发展的瓶颈是单井产量低、经济效益差，因此提高煤层气单井产量是我国 煤层气开发亟须解决的问题。注气增产法是一种提高煤层气采收率的增产技术，其原理是通过向煤层中注入 其他气体（CO2、N2或混合气体），与甲烷竞争吸附或降低甲烷有效分压，促进煤层甲烷的解吸。该技术可 以保证煤层的能量，有利于甲烷产出，可大幅度提高煤层气单井产量和采收率，延长煤层气田的开采期。本 文主要对注气开采煤层气增产机理、室内现场实验以及数值模拟等方面的国内外研究现状进行了综述，总结 了该领域目前面临的主要难点，展望了进一步深入研究的方向。

关键词：煤层气；注气；解吸；数值模拟

注气驱替煤层气具有减少温室气体排放和提高煤层气采收率的双赢效果。相比传统的储层压力衰竭法 开采，注入气体可以保持地层能量，延长煤层气井寿命，提高采收率［1］，该技术还适用于开发深部低渗透 性松软煤层的煤层气。因此，气体驱替煤层气技术的相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。

1 注气驱替煤层气的机理

煤是一种孔隙高度发育的有机固体物质。气体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，不同气体在煤表面的吸附能力差异主要是分子间作用力的不同。Cunningham［2］和Parkash［3］ 认为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，因此煤对气体的 吸附能力表现为：CO2 ＞CH4 ＞N2。降文萍等［4］则从量子化学的角度计算发现煤表面CO2的吸附势阱要 大于CH4，因此CO2的吸附能力强于CH4。Marco Mazzotti［5］研究发现吸附气体会导致煤岩膨胀且膨胀 量为CO2 ＞CH4 ＞N2，因此注入CO2驱替煤层气会导致渗透率明显降低。

后来，杨涛等［6］建议采用注入超临界CO2来开采煤层气，超临界CO2能以气体的身份与CH4进行 竞争吸附，同时还能以液相的性质在渗流通道内萃取出极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物，从而 增加了其孔隙度和渗透性。

N2的吸附能力比CH4弱［7］，因此N2驱替煤层气的机理与CO2驱替不同（图1）。注入N2后可以 降低CH4的分压从而促进CH4的解吸，N2置换CH4后煤岩会收缩引起渗透率的上升，加拿大艾伯特省 Felm Big Vaney［8］试验区的单井注入试验已经证明了这一点。

图1 注CO2和N2驱替煤层气的原理示意图

总之，CO2驱替煤层气技术比较适合于高渗透、不可开采煤层，对于我国低渗透、可开采煤层有一 定的局限性。另外N2的成本比较低，提纯容易。因此，建议采用富含N2的混合气体驱替开采我国的 低渗透煤层气，一方面发挥了CO2的高驱替能力，另外一方面发挥了N2的增渗作用。

2 注气开采煤层气的试验

国内外开展了大量注气开采煤层气的室内以及现场试验。室内试验主要以气体的吸附/解吸、形变 和渗透率的测量为主，现场主要进行了CO2煤层埋存以及混合气体驱替煤层气的试验。

2.1 室内试验

煤对气体的吸附性大小主要取决于煤的岩石学组成、物理化学结构、煤阶、水分含量等自身因素，另外温度、压力也对煤岩的吸附性有较大的影响。针对煤对单组分气体的吸附，国内外的学者开展了大 量的深入研究［9～24］。

关于煤对多元混合气体的吸附，国内外专家学者［25～39］普遍认为多元气体吸附时，每种气体不 是独立吸附的，而是不同气体间存在着竞争吸附。二元气体的吸附等温线总是介于吸附能力强和吸 附能力弱的纯组分气体吸附等温线之间，混合体系中每一组分的吸附量都小于其单独在相同分压下 的吸附量。

室内的注气驱替实验的一般程序是：煤岩充分吸附CH4，然后注入其它气体，可以边注边抽，也可 以注入后待其它气体与甲烷充分竞争吸附后再抽，然后测试产出气体量和成分以及它们与注气压力、注 气速率等的关系。研究表明CO2/CH4的置换比高达1：7，N2/CH4可以达到1：4，产出气体中初期甲烷含 量几乎为100％，待注入气体突破后，甲烷含量明显降低［40，41］。

2.2 现场注气试验

美国、加拿大、日本、欧盟等先后进行了不同规模的注气驱替煤层气现场试验。1993年，美国的 BP Amoco公司在圣胡安盆地进行了世界上第一次注气（83％的N2和12％的CO2）提高采收率的相关 试验［42］。1995年，美国又在圣胡安盆地向Allison和Tiffany煤层进行纯CO2和纯N2注入试验［43］。为 了测试不同地质条件下ECBM技术的适用性，加拿大在Alberta［44］盆地进行了小规模的CO2-ECBM工 程，采收率得到明显提高。中国和加拿大也联合在沁水盆地南部的TL-003井也进行了CO2-ECBM的 微型先导性试验，测试数据显示注气后产气量明显上升，产水量有所下降［45，46］。除此之外，在日本在 北海道，欧盟在波兰也进行过类似的现场试验。

目前看来，几个国家的现场测试结果都比较令人满意，注入CO2后气井产量均有大幅增长，但是近 井周围的渗透率在注气后有所降低，随着排采过程又有一定程度的恢复。一方面是因为CO2的扩散趋 于均匀，不再像注入初期那样聚集在井筒附近，另一方面是排采过程中储层压力降低，煤基质收缩导致 渗透率有所增大。

3 注气开采煤层气的数值模拟

注入气体和煤层甲烷在煤层中赋存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 实质是一个注入气体与甲烷在煤层中竞争吸附、解吸，扩散，以及水、气多相渗流的过程。ECBM 过程中煤层气的运移是一个非常复杂的过程，包括煤层气及注入气体的竞争吸附、解吸、扩散以及 达西流动等。气体的吸附、解吸会使煤岩产生膨胀、收缩变形，从而引起煤岩的孔隙结构变化，进 而引起煤岩渗透系数的变化。煤岩的孔隙结构和渗透系数变化反过来又影响气体在煤岩中的赋存与 流动。因此，ECBM过程是一个多组分气相-水相-煤岩固相耦合的过程。由于该过程非常复杂，即使建立了完整的数学模型，其求解也相当困难，因此，目前国内外学者Ekrem Ozdemir［47～50］，Julio Manik，Seto，吴嗣跃，孙可明［50～52］等在建立ECBM过程模型的时候一般都作了一些假设，忽 略某些因素，使求解变得简单。

常规煤层气模拟器一般可以模拟：(1)双重孔隙系统；(2)单组分气体在孔隙系统的吸附和扩散； (3)裂隙系统达西渗流；(4)吸附气体解吸产生的煤岩收缩。模拟ECBM过程还必须考虑：(1)CO2吸附引 起的煤岩膨胀；(2)混合气体吸附；(3)混合气体扩散；(4)由于注入气体和煤层和之间的温差造成的非等 温吸附等。

针对ECBM过程的这些特点，目前，国内外广泛使用的ECBM模拟器主要包括商业的模拟器，如： GEM、ECLIPSE、SIMED11、COMET2，METSIM2和非商业的模拟器，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做了深入的研究，详细比较了上 述几种模拟器的模拟效果，各自的功能特点见表1。

表1 目前主要的ECBM软件的功能特点

4 总结

总结国内外的研究成果，注气提高煤层气采收率的可行性和原理已经得到了充分的论证，然而，前人的研究工作多处于纯理论研究阶段，缺乏理论和实践的结合，而且存在如下可进一步研究的 问题：

（1）深入研究多组分气体在煤样中的竞争吸附/解吸效应，确定相对吸附（解吸）速率、置换速率 与吸附平衡压力、各组分气体分压、时间的关系。

（2）通过注气驱替渗流实验，研究煤层气采收率与注气方式、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的影响。

（4）开展高温、高压下的煤岩储层注气效果评价。

（5）采用格子Boltzmann方法［54］和分子动力学方法（MD）［55］进行注气开发的微观模拟。

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1Marriage form and fertility in rural China: an investigation in three countiesJin Xiaoyi, Li Shuzhuo and Marcus FeldmanPopulation Research and Policy Review 2006，25: 141-156.2Marriage form and age at first marriage: A comparative study in three counties in contemporary rural ChinaJin Xiaoyi, Li Shuzhuo, and Marcus FeldmanSocial Biology 2007，52 (1-2)3Marriage form and duration of post-marital co-residence with parents in rural China: Evidence from SongziLi Shuzhuo Marcus Feldman Jin XiaoyiJournal of Comparative Family Studies, 2005，36(1): 1214Best Practices Research: A Methodological Guide for the PerplexedStuart Bretschneider, Frederick J. Marc-Aurele and Jiannan WuJournal of Public Administration and Theory，Lawrence: Apr 2005. Vol. 15, Iss. 2; p.3075Gender differences in activity of daily living of the elderly in rural China: Evidence from ChaohuZhang Wenjuan Li Shuzhuo Marcus Feldman.Journal of Women and Aging 2005，17（3）:73-896公共管理与复杂性科学白萌浙江社会科学7公共管理中复杂性科学研究的进展与展望——以农民工流动研究为例白萌中国行政管理8EpiData软件与Excel软件在合作医疗监测中的运用陈钢 高建民现代预防医学 2006（5）9基于生物－心理－社会医学模式的个人健康状况模糊综合评价陈善平 李树茁 李淑娥 许宗岷北京体育大学学报2005（1）10运动承诺和锻炼条件对大学生体育锻炼行为的影响陈善平 李树茁 容建中北京体育大学学报2005（11）11体育消费认知决策模型的研究陈善平 李树茁 闫振龙体育科学2006（10）：82－8612基于运动承诺视角的大学生锻炼机制研究陈善平 李树茁 闫振龙体育科学2006（12）：48－5513价值工程在新产品成本控制决策中的应用研究陈仲伟 雷战波 朱莹商业研究2005.514企业参与校企合作教育动因的实证研究崔瑞峰高等工程教育研究15国际工程教育撷英（第10辑）崔瑞峰高等工程教育研究16企业学习型组织职业教育与培训活动：美国的经验及启示崔瑞峰继续教育17美国能力本位职业教育评估模式探析崔瑞锋，田东平成人教育 2008.218全球视野下欧洲工程教育项目的跨国认可与认证崔瑞锋，田东平高等工程教育研究 2008.219美国成人高等教育机构的自我评估：内涵、范例及特点崔瑞锋，田东平，魏小艾，苗玉凤现代远距离教育 2008.120美国著名大学电气专业教育发展特点分析——基于专业使命、教育目标及结果的视角崔瑞锋，郑南宁，王兆安，齐勇电气电子教学学报 2008.121公共管理中复杂性科学研究的进展与展望—以农民工流动研究为例杜海峰中国行政管理22求解TSP问题的三角形编码抗体克隆选择算法杜海峰西安电子科技大学学报(自然科学版)23公共管理与复杂性科学杜海峰浙江社会科学24当代西方社会融合研究的概念、理论及应用杜海峰公共管理学报25基于小世界原理的模型降阶优化研究杜海峰西安交通大学学报26一种基于流形距离的迭代优化聚类算法杜海峰西安交通大学学报27一种基于种群熵的混沌小世界优化算法杜海峰西安交通大学学报28农民工的社会网络结构分析杜海峰西安交通大学学报(社会科学版29中国农民工社会网络的凝聚子群结构分析杜海峰社会30资本结构选择偏好与企业绩效的关系研究——基于“过度负债”与“财务保守”行为的实证分析封铁英科研管理，2006（6）：54-6131基于杠杆效应的企业风险与资本结构选择——来自中国上市公司的证据封铁英《生产力研究》，2007年第15期32农村最低生活保障线测定的模型构建及应用封铁英西安交通大学学报（社科版） （ISSN 1008-245X) 2008.233社会养老保险城乡统筹发展问题研究综述封铁英生产力研究 2008.134门诊药房剥离对非营利性医院的影响研究高建民中国医院管理2004（10）35医疗机构门诊药房社会化经营的补偿政策研究与探讨高建民中国卫生经济2004（10）36基本卫生人力政策研究高建民中国卫生经济2006（10）： 14-1637Effects of Rural Mutual Health Care on outpatient service utilization in Chinese village medical institutions:evidence from panel data高建民Health Economics38 西安市医保人群接种流感疫苗效果研究高建民中国药业39西安市社会医疗保险参保人群接种流感疫苗的成本效益分析高建民中华流行病学杂志40医疗机构实施“医药分离”的探索性研究高建民医学与哲学41新型农村合作医疗补偿基金测算方法的探讨高建民统计与决策42医疗卫生服务需求弹性国内外研究进展高建民现代预防医学43农村互助医疗卫生服务利用的季节规律研究高建民现代预防医学44农村互助医疗模式下的居民受益率与利用率高建民中国卫生经济45引入流程管理 提高护理质量高建民中国卫生质量管理46医生人力资本与劳动定价研究高建民 徐俊秀杨晓玮中国卫生经济 2005（8）47我国汉唐时期绩效考评的特色与启示高小平、陈春会、吴建南《中国行政管理》，2007年第2期48持久收入假说与我国农村居民旅游消费模型研究顾景西 黎洁《集团经济研究》2007年4月49我国生育保险制度改革探析胡芳肖人口学刊，2005年第2期50完善西部农村最低生活保障资金筹集方式探析胡芳肖中国经济与管理51国外提高贫困人口消费水平的经验借鉴胡芳肖市长参考 2008.852完善西部农村最低生活保障资金筹集方式探析胡芳肖中国社会保障制度建设30年研讨会学术论文集 2008.553国外提高贫困人口消费水平的经验借鉴胡芳肖、王育宝消费经济，2007第4期54我国企业构建绿色营销体系的障碍因素分析，胡芳肖、王育宝商业经济与管理，2005年第9期55我国政府反贫困战略及其完善胡芳肖、王育宝西安财经学院学报，2005年第2 期56我国政府反贫困战略及其完善胡芳肖、王育宝农业经济导刊，2005年第9期57农村贫困人口适度消费的实现途径初探胡芳肖、文启湘消费经济，2005年第1期，58公司治理与多元化经营――基于我国上市公司的实证研究黄海波、李树茁经济与管理研究2007（6）：70-765920世纪中国失踪女性数量的估计姜全保 李树茁 费尔德曼中国人口科学2005（4）60农村大龄未婚男性家庭压力和应对策略研究——基于YC县访谈的发现靳小怡人口与发展61社会网络与农民工初婚：性别视角的研究靳小怡人口学刊62人民币汇率和购买力平价关系的实证研究雷娟 张思锋统计与决策，2005.1163市政管线突发灾难预警决策支持系统构建雷战波 冯德多商业时代 2007 21期64我国电子政务绩效评估发展综述雷战波 姜晓芳情报杂志 2007.165基于UML的供应链危机预警支持系统的建模与开发雷战波 袁彩燕 刘二鹏系统工程2004.1266企业危机预警理论及其对我国社会危机预警的启示雷战波 赵吉博 朱正威中国行政管理2005.267区县政府电子政务系统存在的问题及改进对策雷战波 周博宁城市问题 2007.368西部农村社区发展生态旅游的就业与收入分配实证研究黎洁旅游学刊2005.569陕西太白山生态旅游者特征与激励因素研究黎洁<<经济地理>>2005年第5期70《旅游卫星帐户与旅游业的产出核算研究》黎洁《统计与决策》（理论版）2007年1月71江苏旅游业固定资产投资对地区经济的贡献黎洁统计与决策 2008.972隐性失业对要素产出弹性估计影响分析黎洁 朱志明《商业研究》2004年第21期2004.973我国生态旅游者的激励特征与市场细分研究黎洁 井悦铃<<预测>>2005年第5期74关于陕北地区征收生态环境补偿费问题的研究黎洁 乔丽霞《集团经济研究》2007年4月75社会性别公平促进决策支持系统研究——在生殖健康/计划生育优质服务领域的探索李亮（杨雪燕是第二作者）妇女研究论丛 2008.476农村社会变迁中女性对家务分工的期望及其影响因素研究——基于安徽居巢农村地区的调查研究李亮（杨雪燕是第二作者）西北人口 2008.2772007年大学生青年志愿者‘关爱女孩行动’专题调查研究李树茁《人口与计划生育》78中国农村大龄未婚男青年的压力与应对——河南YC区的探索性研究李树茁《青年研究》79公共管理与复杂性科学李树茁《浙江社会科学》80一种求解多维背包问题的小世界算法李树茁《西安交通大学学报》