石油学报

作者：张和伟, 申建, 吴财芳, 蔡颖, 张政, 王千

单位：1. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221008;2. 中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221116;3. 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101

关键词：混合气注入,CO₂封存,竞争吸附,数值模拟,高阶煤,沁水盆地

基金：张和伟,男,1994年2月生,2024年获中国矿业大学地质资源与地质工程专业博士学位,现为中国矿业大学资源与地球科学学院博士后,主要从事煤和煤层气地质方面的研究工作。Email:heweizhang@cumt.edu.cn

摘要： N2-CO2混合气注入在低产井增产改造和CO2封存方面展现出很大潜力,该过程涉及多元气体竞争吸附、多相渗流和传质换热等复杂相互作用。目前,不同煤岩类型储层对N2-CO2混合气注入增强煤层气开采(ECBM)的响应差异及其最优注入组合尚不明确。以沁水盆地南部高阶煤为研究对象,基于多尺度孔隙结构联合表征的方法,系统分析了4类煤岩的孔隙/裂隙结构特征及其对N2、CO2和CH4吸附性能的差异,探究了驱替过程中气-水、CO2-CH4的演变规律,并结合热-水-力耦合数值模拟揭示了不同煤岩类型储层在N2-CO2混合气注入ECBM工程中的差异响应过程及其机理。研究结果表明:①各类煤的孔隙均以微孔为主,微孔的孔隙比表面积占比高达99 %,具有较大的CO2封存潜力。半暗煤和暗淡煤中的介孔和宏孔较为发育。多元气体的吸附能力整体上随镜质组含量增加而增强。光亮煤和半亮煤表现出更强的N2、CO2、CH4气体吸附能力及较大的Langmuir体积差异,意味着其竞争吸附效应更为显著。②驱替过程中,裂隙水和渗流孔水易于被驱出,而吸附水则需较高压力通过吸附置换排出,可驱替水量随气体压力升高呈非线性增长并趋于饱和。CO2凭借更强的吸附竞争力,在高压下可显著提升CH4的产出效率并增加CO2的封存能力,但其置换效果受控于煤岩吸附特性和渗流条件,反映了CO2注入ECBM工程中气体置换、水分运移与力学响应之间的强耦合关系。③数值模拟结果显示,N2-CO2混合气注入通过"远驱近替"效应促进高浓度CH4向生产井迁移。相对于纯CO2注入,混合气注入可平均提升65.08%的CH4产量和17.71%的CO2封存量。在不同煤岩类型中,半暗煤和暗淡煤储层的CH4浓度响应更剧烈、碳封存量更大,但因其扩散系数较低,CH4产量相对较低。④在混合气注入过程中,N2运移速度较快易导致早期突破,从而缩短生产周期。整体上,随着混合气中CO2的比例增大,N2突破时间呈先减后增的趋势,CO2占比为50%时生产周期最短。不同煤岩类型储层对CO2封存效果最优的混合气注入的CO2配比为55%~90 %, 主要差异体现在CH4增产效果上。综合评估显示,不同煤岩类型的最优混合气注入的CO2配比分别为:在光亮煤和半亮煤中为55%~65%、在半暗煤中为60%~70%、在暗淡煤中为65%~75 %, 以兼顾CH4增产与CO2封存最大化。上述成果为不同煤岩类型储层开展N2-CO2混合气注入ECBM工程实践提供了理论支撑和技术依据。

来源：2025年第12期

《石油学报》期刊编辑部

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