中国矿业大学学报英文

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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。

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］。

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 ［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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采矿与安全工程学报煤矿安全 煤矿机械 煤矿开采 煤炭工程 煤炭技术 中国矿业 中国矿业大学学报等等

中国矿业大学学报社科

据2014年8月学校官网显示，学校建有1个国家重点实验室，1个教育部重点实验室，2个教育部工程研究中心，1个北京市重点实验室。2007年学校成立以能源与安全为特色的科技园---“中关村能源与安全科技园”和“中国矿业大学留学人员创业园”。2010年与北京市共建能源安全产业技术研究院。 国家重点实验室 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室。 教育部重点实验室 煤炭资源教育部重点实验室。 教育部工程研究中心 矿山生态安全教育部工程研究中心、教育部煤基浆体燃料工程研究中心。 北京市重点实验室 北京市岩石混凝土破坏力学重点实验室。 馆藏资源截至2013年6月，学校图书馆拥有纸质文献70万余册，电子图书50万余册。建立了CNKI 、书生之家、万方数据资源等16个中文全文数据库和Ei、Elsevier等19个外文数据库。 学术期刊《中国矿业大学学报（自然科学版）》获1997年第二届全国优秀科技期刊评比（学术类）三等奖、1999年全国优秀高校自然科学学报及教育部优秀科技期刊评比一等奖，2002年入围“中国期刊方阵‘双效’期刊”，被《工程索引》、《化学文摘》、《乌利希国际期刊指南》、《应用力学评论》、《煤文精选》、《中国科学引文（数据库）》、《中国力学文摘》、《中国学术期刊文摘》、《矿业文摘》、《中国地质文摘》、《电子科技文摘》、《中国无机分析化学文摘》、《中国国土资源文摘》、《全国报刊索引》、《测绘文摘》、万方数据库、《中国学术期刊（光盘版）》、中文科技期刊数据库、《中国期刊网》万方数据—数字化期刊群收录。 《中国矿业大学学报（社会科学版）》是中国人文社科学报核心期刊、全国高校百强社科期刊、执行《CAJ-CD规范》优秀期刊，被中国核心期刊（遴选）数据库、《中国学术期刊综合评价数据库》、《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、中文科技期刊数据库、万方数据-数字化期刊群收录。

中国矿业大学学报是核心期刊。中国矿业大学学报(社会科学版)，是经国家新闻出版署正式批准，在国内外公开发行的社会科学综合性学术理论刊物。该刊现为《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录期刊，《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊，是社科类中文核心期刊。学刊展示学校社会科学工作者的最新研究成果，同时面向全国，广泛开展学术交流，促进社会科学研究的繁荣。该刊主要刊登哲学、经济与社会、政治与法律、历史与文化、管理科学、高等教育、语言与艺术、新闻与出版、社会主义精神文明建设等方面的学术论文。该刊录用稿件标准首重学术研究上的开拓创新，特别欢迎在掌握翔实资料和深入研究的基础上提出的新思想、新理论、新观点、新论证、新表述，提倡严谨、朴实、明快、清新的文风。

中国矿业大学学报(社会科学版) ，是经国家新闻出版署正式批准，在国内外公开发行的社会科学综合性学术理论刊物。该刊现为《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录期刊，《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊，是社科类中文核心期刊。学刊展示学校社会科学工作者的最新研究成果，同时面向全国，广泛开展学术交流，促进社会科学研究的繁荣。该刊主要刊登哲学、经济与社会、政治与法律、历史与文化、管理科学、高等教育、语言与艺术、新闻与出版、社会主义精神文明建设等方面的学术论文。该刊录用稿件标准首重学术研究上的开拓创新，特别欢迎在掌握翔实资料和深入研究的基础上提出的新思想、新理论、新观点、新论证、新表述，提倡严谨、朴实、明快、清新的文风。中国矿业大学学报（社会科学版）自1999年创刊以来，坚持正确的办刊方针，依托学校的相关学科专业和学术队伍，积极争取国内社科界的支持，努力提高学术品位、彰显学校特色，在促进人才培养、学术研究、学科建设、队伍建设、扩大学校的学术影响等方面发挥了重要作用，在较短时间内实现了办刊质量和学术影响的大幅度提升，先后被评选为江苏省期刊方阵优秀期刊、江苏省一级期刊、全国优秀社科学报、中国人文社科学报核心期刊、全国百强社科学报，2008年又再次跻身于全国高校百强社科期刊行列。经过十多年的努力，学报（社会科学版）已经发展成为在国内外有重要影响的学术研究与学术交流平台。根据2009年的统计，我校学报（社会科学版）的机构用户为2404个，分布在22个国家和地区，个人读者分布在29个国家和地区。2008年，学报（社会科学版）被人大复印资料等转载的论文数量在全国理工类大学学报社科版中排名第15位。2010年在重庆举行的全国高等学校文科学报研究会六届二次理事会暨2010学术年会上，公布了第四次全国高校文科学报百强评选结果，《中国矿业大学学报》（社会科学版）在全国一千多家高等学校文科学报中脱颖而出，入选全国高校百强社科期刊。全国高校社科期刊百强评选工作每4年举行一次，本次系第四次评选，历时4个多月时间。本次评选工作由教育部社会科学司委托全国高等学校文科学报研究会具体实施。该研究会目前拥有近800家会员单位。本次全国高校百强社科期刊按照严格的程序，由全国高等学校文科学报研究会在各省、市、自治区通过层层评选，匿名投票推举产生。江苏省作为经济文化大省，有10家社科期刊入选全国高校文科学报百强，我校学报（社会科学版）在其中名列第七。 根据《著作权法》，并结合本刊具体情况，凡接到本刊回执后3个月内未接到稿件处理通知者，系仍在审阅中。作者如欲投他刊，请先与本刊联系，切勿一稿两投。来稿请自留底稿。不采用的稿件一般不寄还。 来稿一律文责自负。依照《著作权法》有关规定，本刊可对来稿做文字修改、删节，凡有违背原意的修改，则提请作者考虑。修改稿逾3个月不寄回者，视作自动撤稿。本刊处理稿件的一切事宜，只与通信作者或第一作者联系。 该刊对重大研究成果，将使用“快速通道”在最短时间内发表。凡要求以“快速通道”发表的论文，作者应提供关于论文创新性的书面说明和查新报告和两位专家的推荐信，以说明该项成果的学术价值。经审核同意后一般在收到稿件后3个月内出版。要求刊印彩图者需另付彩图印制工本费。稿件刊登后酌致稿酬(已含其他形式出版稿酬)，赠当期杂志1册。

中国矿业大学学报原主编

缪协兴，男，汉族，1959年8月生，江苏江阴人，博士，教授。国家杰出青年科学基金获得者，国家重点基础研究发展计划（973计划）项目首席科学家，全国优秀博士后。任中国矿业大学副校长，研究生院院长，“深部岩土力学与地下工程”国家重点实验室主任。兼任第十、第十一届全国人大代表，民盟中央委员，国际岩石力学学会（ISRM）委员，中国煤炭学会常务理事，中国岩石力学与工程学会常务理事，《Mining Science and Technology》、《采矿与安全工程学报》和《中国矿业大学学报》主编。缪协兴教授长期深入矿区，从事煤炭资源绿色开采的基础理论、技术开发和工程实践的科学研究工作，并初步建立了煤矿绿色开采的基础理论与技术框架。在深入研究层状采动岩体力学行为的基础上，提出了“采动岩体力学”的概念；揭示了稳定采动岩体结构关键层的充填采煤原理，成功开发了利用矿区固体废物充填采空区置换“三下”压煤技术；揭示了稳定隔水关键层的保护矿区水资源原理，成功开发了矿区水资源保护技术；工程实践与推广应用涉及十多个大型矿区，取得了显著的经济、社会和环境效益。先后获国家科技进步二等奖2项（均排名第一），获省部级科技进步一等奖4项（分别排名第一或第二），获国际国内发明专利4项。出版专著4部，其中1部获江苏省优秀图书一等奖。发表学术论文150余篇，被SCI和EI收录102篇，主要论著被他引1813次。

长期从事资源环境技术经济与管理、矿业权评估理论与实务、矿产资源规划与管理、矿产资源经济评价与管理、环境会计等方面的科研和教学工作。近年来为本科生和研究生开设了《矿业经济与管理》、《矿业权评估理论与实务》、《矿产资源评价与储量管理》、《会计学》等课程。先后主持和参与了包括国家自然科学基金、国家社会科学基金、国家科技支撑计划、中国博士后基金、山西省软科学基金、江苏省博士后基金项目和企业委托的科研项目20余项，在《Mining Science and Technology》、《International Journal of Global Energy Issues》、《中国矿业大学学报》、《财务与会计》、《工业技术经济》等杂志发表论文50余篇，其中10篇被EI检索，3篇被ISTP检索，1篇被人大复印刊全文转载，2篇被CSSCI检索。出版专著1部，合作撰写专著1部，主编教材3部。研究成果获省部级科技进步二等奖5项，江苏省科技进步三等奖1项，江苏省哲学社会科学三等奖1项，其他司局级奖励3项。博士学位论文被评为2008年度江苏省优秀博士论文。目前为中国自然资源学会会员，中国会计学会高等工科院校分会理事。担任《经济视角》、《劳动保障世界》等杂志编委。