基于热烟气注入的煤层气强化采出与二氧化碳封存的多目标优化：一种整合真实裂隙网络的跨尺度建模方法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Multi-objective optimization of enhanced coalbed methane recovery and CO 2 sequestration by hot flue gas injection: A cross-scale modeling approach integrating real fracture networks

　　

摘要

针对常规气驱煤层气增产技术中面临的储层注入能力低、影响范围有限等挑战，本文提出了一种将高温烟气（HFG）注入水力压裂煤层中驱替CH4并协同封存CO2的方法。聚焦于压裂煤层中多组分多相流体的跨尺度运移，建立了一种将等效连续介质模型与由微震监测数据约束的离散裂缝网络（DFN）相结合的建模方法，并建立了热-水-力（THM）耦合模型。基于该模型，揭示了地质和工程因素对CH4回收和CO2封存的影响，并进行了多目标优化以确定关键工艺参数。结果表明，CO2优先沿水力裂缝运移，显著降低了井筒附近的CH4浓度，而N2则在广阔区域快速扩散，导致在驱替前缘形成CH4富集。水力裂缝增强了流体运移并扩大了波及范围，但同时也增加了高温烟气过早突破的风险。较高的注入压力改善了早期的驱替和碳封存，但倾向于诱发过早突破并缩短有效驱替期。高CO2浓度显著增强了封存能力和早期回收率，而中等CO2浓度则延长了有效驱替时间。较高的初始CH4压力和较高的渗透率均有利于提高回收率和封存量——前者通过延迟突破实现更彻底的驱替，后者通过加速流体运移在更短的时间内实现高效驱替。敏感性分析表明，早期回收率对初始渗透率最敏感，有效回收率对初始CH4压力最敏感，碳封存量对烟气中CO2含量最敏感；烟气温度对三个指标的影响最弱。对于高瓦斯高渗透性煤层，与基准工况相比，优化方案使早期回收率、有效回收率和碳封存量分别提高了15.3%、30.2%和572%。本研究为确定高温烟气煤层气增产与碳封存的关键技术参数提供了理论基础和方法支持。

引言

煤层气（CBM）是一种与煤伴生的非常规天然气。它不仅是优质的清洁化石能源，也是煤矿灾难性事故的主要危险源和强效温室气体。1'2 高效开发煤层气资源不仅可以补充天然气供应缺口、保障能源安全，还可以从源头消除煤矿瓦斯灾害隐患、减少温室气体排放，具有显著的安全、经济和环境效益。3'? 在碳达峰和碳中和的背景下，CO2强化煤层气（CO2-ECBM）技术实现了煤层气增产与CO2地质封存的协同开发，成为非常规天然气开发和碳减排领域的研究热点。?'?

常规ECBM技术主要分为两类：纯CO2驱替和纯N2驱替。?'?'? 其中，CO2对煤基质的吸附亲和力远高于CH4，可以通过竞争吸附高效驱替煤层中吸附的CH4，同时实现CO2的长期封存。然而，CO2捕集成本高昂，对纯CO2-ECBM大规模应用构成经济制约。N2主要通过降低煤层中的CH4分压促进CH4解吸，具有驱替速度快、气源易得等优势，但极易出现N2过早突破储层的情况，显著降低CH4回收率，难以实现煤层气的长期高效开发。1?'11'12'13'1? 高温烟气（HFG）是燃煤/燃气电厂的工业尾气，主要由N2和CO2组成，并携带大量工业废热。它具有气源成本低、废热梯级利用、CH4驱替与CO2封存协同等多重优势。高温环境能有效促进CH4从煤基质中的解吸和扩散，改善煤层中的气体渗流。与常规气体驱替方法相比，高温烟气煤层气增产与CO2封存技术展现出显著优势。首先，烟气驱替可以克服纯CO2注入引起的严重煤基质膨胀导致的井筒附近煤渗透率降低问题；同时，该技术克服了纯N2驱替能力差的问题，兼具驱替和增产渗透的双重优势。其次，在碳减排方面，直接注入烟气省去了CO2捕集和浓缩过程，大幅降低了技术的运行成本。这种技术模式是一种前景广阔的煤层气增产与碳封存协同技术，具有重要的工业应用潜力。1?

高温烟气煤层气增产过程涉及煤体变形、多组分气体吸附-解吸-扩散、气水流动和传热之间的多物理双向耦合。1? 全球学者对注气强化煤层气回收的多物理耦合过程进行了广泛研究，从单渗流模型逐步发展到应力-渗流或温度-渗流耦合模型，再到完全耦合的热-水-力（THM）多物理耦合模型。在介质表征方面，研究也从单孔隙介质模型发展到基质-裂缝双孔隙模型，能够更精确地描述煤层的孔隙-裂缝结构。1?'1? 传统的等效连续介质方法在描述主储层中物理场演化方面具有较好的适用性。

然而，大多数高瓦斯煤层渗透率低，且高温烟气注入引起的基质膨胀效应导致注入能力差，难以实现令人满意的增产和碳减排效果。针对这一问题，本文提出了"水力压裂+高温烟气驱替"的技术方案。通过将高温烟气注入压裂后的煤层中驱替煤层气，该方法不仅显著提高了储层注入能力，还大幅扩展了高温烟气的有效影响范围（图1）。为表征水力裂缝内的流体运移过程，相关学者引入了离散裂缝网络（DFN）模型。尽管该模型能充分反映水力裂缝对流体运移的影响，但现有研究多采用随机生成或符合某种统计分布的裂缝网络（缝宽服从对数正态分布，缝长服从幂律或对数正态分布，方向服从正态或均匀分布），无法表征现场工程产生的真实裂缝网络几何形态及其对流体迁移的影响。1?'2?'21'22

在驱替机理和参数优化方面，现有研究初步揭示了注气压力、温度和气体组成比例对高温烟气驱替性能的影响，并明确了关键工艺参数对驱替效率的作用。然而，这些研究大多侧重于单参数敏感性分析，对工艺参数与储层地质参数之间的耦合作用研究不足。此外，参数优化往往仅以煤层气回收率为单一目标，缺乏同时兼顾短期现场产气需求、长期回收效益和碳封存要求的多目标协同优化方法。因此，难以针对不同地质条件制定精确的注气方案。23'2?'2?

为弥补上述研究空白，本研究首先建立了一个考虑由基质孔隙、天然裂缝和水力裂缝组成的三重孔隙介质中跨尺度流体运移的完全耦合热-水-力（THM）数学模型。推导了应力场、基质扩散场、裂缝渗流场和温度场的控制方程，并明确定义了这些物理过程之间的双向耦合机制。其次，基于现场水力压裂期间微震监测数据的反演获取水力裂缝网络几何形态，建立了高温烟气煤层气增产与CO2封存的现场尺度数值模拟模型。该模型系统揭示了整个注入过程中多组分多相流体迁移、温度演化和煤层渗透率动态变化。随后，以早期产气回收率、有效回收率和累计碳封存量为核心工程指标，定量分析了高温烟气注入压力、温度、CO2含量等关键工艺参数以及初始CH4压力和煤层初始渗透率等关键地质因素对煤层气生产和CO2封存的影响。最后，构建了耦合多参数的响应面模型和多目标协同优化方法。基于地质特征将煤层分为四种典型类型，获得了每种类型的最优工艺参数组合，并生成了关键工艺参数的优化图谱，为高温烟气煤层气增产技术的工业应用提供了方法支持。

章节片段

物理控制方程与模型验证

在裂缝型储层中，高温烟气煤层气增产与CO2封存过程涉及复杂的跨尺度流体运移过程，包括多组分气体在微纳孔隙中的竞争吸附与扩散，以及天然裂缝和水力裂缝中的气水流动（如图2所示）。此外，储层内的传热对煤层气生产和CO2封存也产生不可忽视的影响。

为便于建模，以下进行……

压裂煤层中高温烟气煤层气增产与CO2封存的几何模型构建方法

在以往的研究中，DFN模型中的离散裂缝通常采用随机分布方法构建，无法反映工程现场真实水力压裂裂缝网络的几何形态和分布特征。因此，基于传统方法反演的流场和煤层气产量也偏离实际情况。为应对这些挑战，本文以某煤层气气井的压裂增产……

CH4含量

高温烟气注入期间煤层中CH4含量的分布如图6(a)所示。在高温烟气驱替和抽采作用下，注采井附近煤层中的CH4含量迅速下降。随着时间推移，水力裂缝中的CH4含量持续降低，至3000天时，煤层大部分区域的CH4含量显著下降。值得注意的是，N2推动CH4前移的过程会导致……

结论

(1) 聚焦于压裂煤层中多组分多相流体的跨尺度运移，提出了一种基于微震监测结果构建裂缝网络的方法。通过等效连续介质与离散裂缝网络耦合的建模方法，建立了整合微纳孔隙、原生微裂缝和水力裂缝的工程尺度跨尺度模型及其相应方程。这为……

作者贡献声明

刘婷：撰写-审阅与编辑、资金获取、概念构思。王新浩：撰写-初稿、调查研究。王建华：软件、方法学。林百权：撰写-审阅与编辑、指导监督。范超军：撰写-审阅与编辑。邹泉乐：撰写-审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52474261）和江苏省基础研究计划（BK20240207）的资助。

刘婷 | 王新浩 | 王建华 | 林百权 | 范超军 | 邹泉乐