压力驱动与竞争吸附机制对注入超临界CO2强化煤层气采收的贡献辨析
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研究团队
新疆大学地质与矿业工程学院李鑫教授团队
研究团队
詹柏维a，李鑫a,b*，梁则亮b,c，杨曙光d***，韦波a,c，桑树勋a**，程鸣a,b a 新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，乌鲁木齐，830017
b 怀柔实验室新疆研究院，乌鲁木齐，830000
c 新疆亚新煤层气投资开发（集团）有限责任公司，乌鲁木齐，830009
d 新疆维吾尔自治区地质研究院，乌鲁木齐，830000
研究内容
《压力驱动与竞争吸附机制对注入超临界CO2强化煤层气采收的贡献辨析》
发表期刊
《Chemical Engineering Journal》
影响因子
中科院分区
大类：材料科学（1区）
小类：工程：环境（1区）
TOP期刊 IF=13.2
一
摘要
注入CO2提高煤层气采收率（CO2-ECBM）是一项兼具增产与碳封存双重效益的重要技术途径。然而，不同煤阶储层中竞争吸附和压力驱动机制对增产的定量贡献仍不明确。
本研究以沁水盆地高阶无烟煤和准噶尔盆地低阶烟煤为研究对象，利用核磁共振（NMR）分层表征（SFG-MSCPMG）与成像（MRI）技术，在储层条件下模拟了超临界CO2-ECBM过程，并结合注入氦气对照实验，量化了竞争吸附与压力驱动机制对提高采收率的贡献率，揭示了CH4的运移动力学特征，明确了煤中的主导机制。
结果表明：
（1）竞争吸附与压力驱动机制的贡献率在不同煤阶间差异显著。高阶煤中，竞争吸附占绝对主导，贡献率达83.42%；低阶煤中，压力驱动机制占优势，贡献率为66.22%，竞争吸附贡献率为33.78%。
（2）焖井过程中，高阶煤将CH4滞留在低渗区，导致驱替效率低且空间差异大；低阶煤则表现为快速同步驱替，CH4残留极少，效率高。
（3）在CO2-ECBM工程应用中，高阶煤储层应延长焖井时间，确保CO2充分驱替CH4，同时配合水平井布井和压裂改造，构建高渗透通道；低阶煤储层则需要更高的CO2注入压力，以形成强压力梯度，促使CH4高效运移与采出。
02
研究方法
煤柱样品
2.1
图1 不同煤阶实验样品
核磁共振设备
2.2
采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司150型核磁共振仪进行实验。
图2 核磁共振测试平台
实验设计
2.3
实验设置解吸对照、He-ECBM和超临界CO2-ECBM三组，煤样CH4饱和后注入高压气体，经焖井再降压解吸，通过采收率对比量化两种机制的权重，同时结合分层T2谱与MRI揭示CH4的空间运移特征。
图3 实验流程
三
实验结果
He-ECBM过程中CPMG序列测试
3.1
将非吸附性氦气注入CH4饱和煤样模拟He-ECBM。
焖井中，游离CH4先升后稳，吸附CH4渐降。低阶DG样孔裂隙发育、吸附弱，吸附信号2h速降、9h即稳；高阶SH样微孔为主、吸附强，吸附信号呈三阶段缓降（5h快降、5–48h变慢、48h后稳）。降压解吸，DG样初期即大量解吸，SH样解吸主要滞后于低压段且3–2 MPa出现解吸停滞。He-ECBM采收率SH为32.53%，DG为87.47%。该吸附信号衰减并非竞争吸附，而是氦气稀释致CH4分压降低所驱动的压力型解吸。
图4 模拟He注入焖井过程中CPMG测试结果
图5 模拟He注入后解吸过程中CPMG测试结果
CO2-ECBM过程中CPMG序列测试
3.2
将超临界CO2注入CH4饱和煤样模拟CO2-ECBM。
焖井期间，高阶SH样192h方达稳定，吸附CH4信号降45.40%，游离信号持续增加171.60%，反映微孔中缓慢竞争置换与游离CH4滞留；低阶DG样仅需24h，吸附信号2h内速降56.91%，游离信号先升178%后略降，显示快速置换与裂隙高效运移。降压解吸阶段，SH样游离CH4于1MPa消失，采收率68.02%；DG样游离CH4在3 MPa前即消散，采收率达97.68%。
图6 模拟CO2注入焖井过程中CPMG测试结果
图7 模拟CO2注入后解吸过程中CPMG测试结果
CO2-ECBM过程中SFG-MSCPMG序列测试
3.3
焖井过程中，SH样品CH4呈空间分异，可分为近端、中部和远端三段。焖井演化三阶段：早期远端驱替显著，近端变化极小；中期中部富集、远端停滞回升；晚期近端缓降、中部富集达峰。降压解吸阶段，高压区间远端贡献为主，中压区间为解吸主窗口，但4~3M（MMM）Pa出现解吸滞后，归因于微孔喉毛管阻力；低压区间转为近端主导。
图8 高阶样品模拟CO2注入焖井过程中SFG-MSCPMG测试结果；（a）-（e）分别代表煤样不同层位CPMG测试结果
图9 高阶样品模拟CO2注入后解吸过程中SFG-MSCPMG测试结果；（a）-（e）分别代表煤样不同层位CPMG测试结果
CO2-ECBM过程中MRI成像结果
3.4
MR伪彩色图像与分层NMR T2弛豫特征严格一致，直观展示了超临界CO2-ECBM过程中甲烷的空间运移机制。
焖井9h，30~40mm段出现微弱黄色条带低信号区，对应T2信号下降13.63%；焖井24h，该段转为绿色条带低信号，表明裂隙充分发育，T2信号再降8.06%，而0~30 mm近端段仍呈红色高信号。中后期（120~192 h），中部20~30 mm段持续出现红色高亮聚集，T2信号上升7.24%，指示甲烷富集；远端30~50 mm段变为黄绿色，信号显著降低。高压解吸（11~5 MPa），MR图像呈低值颜色，远端信号持续下降12.66%~14.84%；低压阶段（2~0.7 MPa），近端红色高信号区收缩，对应T2信号下降20.67%。上述演化与分层T2谱定量结果相互印证，揭示了甲烷空间运移与富集规律。
图10 高阶样品模拟CO2-ECBM过程中MRI成果
四
实验结果分析
实验结果表明，增采机制贡献存在显著的煤阶差异。
在本次研究条件中，高阶煤样以竞争吸附机制主导，其贡献率达83.42%；而低阶煤样以压力驱动机制主导，其贡献率为66.22%。
该差异源于煤阶所控制的孔隙结构与吸附特性：高阶煤具有更发育的微孔系统，比表面积大，为超临界CO2提供了更多吸附位点，超临界CO2凭借其相对CH4更小的分子动力学直径与更强的吸附能力使其优先占据微孔并有效置换CH4，竞争吸附贡献突出；低阶煤则发育较丰富的中-大孔与裂隙网络，有利于超临界CO2的快速渗流，同时其自身吸附能力较弱，导致竞争吸附作用相对不明显，以驱动机制主导。
五
结论
1
焖井时间和CH4采收率受煤阶影响显著。
高阶无烟煤需192小时达到焖井稳定，CH4采收率（Rr）为68.02%，较非ECBM组提高了42.61%；而低阶烟煤（DG样）仅24小时即达焖井稳定，Rr为98.68%，提高了32.37%。
2
竞争吸附与压力驱动机制对提高
采收率的贡献在不同煤阶间差异显著。
高阶煤中，竞争吸附机制对增产的贡献率达83.42%，压力驱动机制仅贡献16.58%；低阶煤中，压力驱动机制占主导，贡献率为66.22%，竞争吸附贡献33.78%。
基于上述机制差异，建议高阶煤储层延长CO2焖井时间以提高驱替效率，并辅以水平井和压裂改造促进CO2运移与CH4驱替；低阶煤储层则应提高注入压力以建立强压力梯度，同时结合压裂和支撑剂充填等措施保持储层高渗透性，强化CH4运移。
3
不同煤阶的CH4产出行为与空间分布
差异显著。
高阶煤储层中，CH4易于滞留在低渗透区，导致显著的空间非均质性和较低的产出效率；低阶煤储层中，CH4产出呈现全域协同快速响应，残留量少、采收率高。
对于低渗煤储层，建议在实施CO2-ECBM前进行合理的压裂改造，特别注意控制裂缝强度以避免气窜，同时采用水平井构建连续稳定的主渗流通道，从而提升CH4整体采收率、缩短焖井时间、提高经济效益，并增加CO2在储层中的波及与封存效率，实现增产与碳封存的协同优化。
