超临界CO2置换页岩吸附态CH4室内驱替实验研究

摘要：针对页岩气藏吸附态CH4难动用、衰竭式开发采收率低的问题，开展CO2置换页岩吸附态CH4室内驱替实验。自主设计高温高压实验装置并建立评价方法，探究注入压力、焖井时间、地层温度对置换效果的影响。结果表明，超临界压力与延长焖井时间可显著提升CH4回收率；升温加快置换见效但削弱CO2竞争吸附优势，降低最终回收率。本研究为页岩气藏注CO2吞吐开发参数优化提供实验支撑，也为页岩气高效开发与碳减排协同发展提供参考。

关键词：页岩气；CO2置换CH4；室内驱替实验；工艺参数优化；气体竞争吸附

中图分类号：TE377；TQ028.8       文献标识码：A       文章编号： 

页岩气在储层中以吸附态、游离态和溶解态赋存[1]，其中吸附态占比达20%~85%。当前页岩气藏多采用衰竭式开发，存在产量递减快、吸附气难动用的问题[2]。注CO2置换CH4技术依托CO2对CH4更强的吸附亲和力，通过竞争吸附将页岩基质表面的吸附态CH4转化为可流动的游离态[3]，同时补充地层能量、改善渗流条件，还可同步实现CO2地质封存，是兼顾页岩气高效开发与碳减排双重效益的关键技术。

该技术在煤层中的研究应用已较为成熟[4]，但在页岩储层仍处于基础研究阶段[5-6]，室内实验评价体系不完善[7-8]，关键工艺参数对置换效果的影响缺乏系统量化。为此，本研究自主设计高温高压CO2置换CH4驱替实验装置，建立完整的室内评价方法，开展不同参数下的驱替实验，明确各参数对CH4回收率的调控规律，为该技术的现场应用提供实验依据。

1  实验

1.1 主要原料与试剂

实验页岩样品取自苏北盆地页岩气储层，石英含量75%，经60~80目筛分、105℃恒温烘干2h后密封备用；实验用气为氦气（99.999%）、氮气（99.99%）、二氧化碳（99.99%）、甲烷（99.99%），均由专业供应商提供。

1.2 主要设备及仪器

本实验自主设计高温高压CO2置换CH4物模驱替实验装置，如图1所示，实验主要仪器设备包括：ISCO 260D高压恒流泵，围压泵，高精度压力表，气体质量流量控制器，高温高压岩心夹持器，恒温箱，高精度回压阀，真空泵，气相色谱-质谱联用仪（GC/MS），配套高压管线、阀门、气体收集装置等。

图1  CO2置换CH4物模驱替实验装置

Fig.1  CO2 Replacement of CH4 Physical Model Displacement Experimental Apparatus

1.3 实验方法

1.3.1气密性检测

将页岩样品装入夹持器并密封，注入3MPa氦气静置，压力变化≤±0.02MPa则判定气密性合格，否则排查漏点重新密封。

1.3.2自由空间体积测量

采用He气膨胀法结合理想气体状态方程，计算吸附岩心夹持器内颗粒空隙、管线空间等总自由空间体积。

1.3.3CH4预吸附

对实验系统抽真空并升温至设定温度，恒压注入CH4至吸附平衡压力，静置至系统压力稳定即达到吸附-解吸平衡，记录平衡压力与CH4累计注入量。

1.3.4CO2吞吐试验

完成CO2注入、焖井、降压驱替全过程，回压阀控制生产压差与流量，采用GC/MS色谱仪对样品气体进行检测，同时通过气体质量流量控制器实时记录出口气体瞬时流量与累计流量。

1.4 实验方案

以注入压力、地层温度、焖井时间为变量，设置多组平行实验，变量梯度为：注入压力 4MPa、6MPa、8MPa、10MPa；实验温度50℃、70℃、90℃；焖井时间0h、0.5h、2h、4h。采用控制变量法，每组仅改变一个目标变量，其余参数恒定。

2  结果与讨论

2.1 注入压力对置换效果的影响

固定焖井时间为4h、实验温度为70℃，考察注入压力对CH4回收量的影响。由图2、图3可见，注入压力升高使CO₂在页岩孔隙中的扩散与吸附速率提升，出口端CO2浓度“穿透时间”缩短，置换见效加快。总CH4与吸附态CH4回收率均随压力升高持续上升，低压阶段（4~6MPa）吸附态CH4回收率对总回收率贡献约34%；压力超CO2临界压力（8MPa）后，吸附态CH4回收率跨越式提升，贡献占比达76%~77%。现场推荐采用超临界压力注入。

图2  不同注入压力下出口端CO2浓度时间变化曲线

Fig.2  Time variation curve of CO2 concentration at outlet under different injection pressures

图3  不同注入压力下的CH4回收率

Fig.3  CH4 recovery rate under different injection pressures

2.2 焖井时间对置换效果的影响

固定注入压力为8MPa、实验温度为70℃，考察焖井时间对CH4回收量的影响。由图4、图5可见，焖井时间越长，出口端CO2浓度上升越快，置换见效越迅速。短焖井阶段（0~0.5h），吸附态CH4回收率约17%，对总回收率贡献42%；长焖井阶段（2~4h），吸附态CH4回收率增至38.6%~44.8%，贡献占比升至69%~77%。焖井时间不足时，CO2无法充分扩散至基质孔隙深处，仅能置换近井地带吸附态CH4；延长焖井时间可保障CO2与吸附位点充分接触，显著提升最终回收率。

图4  不同焖井时间下出口端CO2浓度时间变化曲线

Fig.4  Time variation curve of CO2 concentration at outlet under different soaking times

图5  不同焖井时间下的CH4回收率

Fig.5  CH4 recovery rate under different soaking times

2.3 温度对置换效果的影响

固定注入压力为8MPa、焖井时间为4h，考察温度对CH4回收量的影响。由图6、图7可见，分子热运动增强，CO₂扩散速率提升，出口端CO₂浓度上升加快，置换见效周期缩短。但CH₄回收率随温度升高持续下降，因气体吸附为放热过程，升温削弱CO₂与页岩吸附位点的相互作用，降低其竞争吸附优势，导致吸附态CH₄置换不充分。浅层低温页岩储层更适配该技术，深层高温储层需优化注采参数弥补负面影响。

图6  不同温度下出口端CO2浓度时间变化曲线

Fig.6  Time variation curve of CO2 concentration at outlet under different temperatures

图7  不同温度下的CH4回收率

Fig.7  CH4 recovery rate under different temperatures

3 结 论

1）自主设计的实验装置及配套评价方法，可有效模拟地层置换全流程，为同类实验提供技术参考。

2）超临界压力、延长焖井时间能显著提升CH4回收率；升温虽加快置换见效，但会降低最终回收率。

3）浅层低温页岩储层更适配注CO2置换CH4技术，现场吞吐开发建议采用超临界压力注入并延长焖井时间；深层高温储层需优化注采参数，弥补高温对置换效率的负面影响。

作者简介：赵晓航（1998—），男，工学硕士，助理工程师，主要从事油田化学工作

参考文献：

[1]朱苏阳, 彭真, 邸云婷, 等. 页岩气产能评价研究进展：内涵、方法和方向[J]. 油气藏评价与开发 ,2025, 15(03): 488-499.

[2]杨国栋, 黄冕, 刘思雨, 等. 超临界CO2强化页岩气开采技术研究现状及展望[J]. 现代化工, 2024, 44(03): 16-20.

[3]韩冬妮. 超临界二氧化碳开发页岩气技术研究进展[J]. 云南化工, 2018,45 (11): 64-65.

[4]张博, 梁文斌, 李中杨. CO2置换CH4强化煤层气开采的试验研究——以韩城矿区煤层气为例[J]. 中国资源综合利用, 2024, 42 (02): 17-19+53.

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[6]姚欢迎. CO2在页岩气开发过程中的应用研究[J]. 云南化工, 2018, 45 (10): 202-203.

[7]芦迪, 张敬茹, 张毅, 等. 注CO2提高页岩气采收率实验研究[J]. 大连理工大学学报, 2021, 61 (05): 464-470.

[8]贾连超, 刘鹏飞, 袁丹, 等. 注CO2提高页岩吸附气采收率实验——以鄂尔多斯盆地延长组长7页岩气为例[J]. 大庆石油地质与开发, 2021, 40 (02): 153-159.