Enhanced Coalbed Methane (ECBM) Technology Introduction

Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of Sciences

Zhiming Fang

What is Coal?

 A readily combustible rock containing more than 

50% by weight and more than 70% by volume of 

carbonaceous material formed from compaction 

and induration of variously altered plant remains 

similar to those in peaty deposits – Schopf (1956)

 A carbonaceous substance composed of 

phytogenetic materials – Spackman (1958)

 A black rock that burns

What is Coalbed Methane (CBM)?

 Gas generated during coalification

 Gas is 85 – 99% methane (CH4)

 Gas is held on coal matrix by adsorption

Structure of Coal: Dual Porosity System

面割理面割理

端割理端割理基质

裂隙

孔隙

Natural fractured coal Dual porosity model

Butt cleat

Face cleat

Matrix

Cleats

Porosity

 Primary porosity          Coal matrix

 Secondary porosity         Coal cleats

Gas Storage Mechanisms 

 Gas can exist in a coal seam in two ways: 

     Free gas within coal cleats and natural fractures

     Adsorbed layer on the surface of micropores

 Because the bulk porosity of the coal cleat system (i.e. 

secondary porosity) is small (<5%) and initial gas saturation in 

the coal cleats is typically low (<10%), most of the gas‐in‐place 

in coals (>90%) is adsorbed in the coal matrix

Total gas Volume

= Free GasVolume

+ Adsorbed Gas Volume

Gas Storage Mechanisms Langmuir Isotherm

Gs=abp

1+bpwhere:

Gs = gas storage capacity, ml/g

a = Langmuir storage capacity, ml/g

b = Langmuir constant, MPa‐1

p = pressure, MPa

Typical Langmuir isotherm adsorption curve

Gas Transport Mechanisms

 Controlled by 

pressure gradient

 Follow Darcy’s Law 

 Controlled by 

concentration 

gradient

 Follow Fick’s Law 

 Controlled by partial 

pressure

 Follow Langmuir 

equation

CBM Primary Production Mechanisms

  Reduce cleat pressure by producing water

  Methane desorbs from matrix and diffuses to cleats

  Methane and water flow to wellbore

  Low coal permeability (In China, the initial permeability 

of 72% of coals < 1mD)

  Low gas flow rate

  Low gas recovery ratio

Bottleneck of CBM Primary Production

Enhanced CBM TechnologyConcept

CO2

CO2

CH4

CH4

CH4CH4

CH4CO2

To inject gas into deep unminable coalbed  for enhanced recovery of coalbed methane (ECBM) recovery

 Primary porosity          e. i., CO2

 Inert gas         e. i., N2

Enhanced CBM TechnologyMechanisms

Enhanced CBM TechnologyCO2‐ECBM Recovery Mechanisms

 Injected carbon dioxide in cleats

 Increases total cleat pressure

 Carbon dioxide diffuses into matrix and strongly adsorbs onto coal

 Reduces partial pressure of methane in cleats

 Methane desorbs from matrix and diffuses to cleats

 Methane and water flow to wellbore

Enhanced CBM TechnologyN2‐ECBM Recovery Mechanisms

 Injected nitrogen into cleats

 Increases total cleat pressure

 Nitrogen diffuses into matrix and weakly adsorbs onto coal

 Reduces partial pressure of methane in cleats

 Methane desorbs from matrix and diffuses to cleats

 Methane, nitrogen and water flow to wellbore

 CO2 is stored – Greenhouse gas reduction

 and at the same time the recovery of 

coalbed methane is enhanced ‐ 

Why CO2‐ECBM attract more attention?

Schematic of CO2-ECBM

YubariRecopol

Qinshui Basin

Central Appalachian

MGSC-ECBM

PCOR Lignite CSEMP

Fenn

SWP San Juan

Allison Unit

Black Warrior

YubariRecopol

Qinshui Basin

Central Appalachian

MGSC-ECBM

PCOR Lignite CSEMP

Fenn

SWP San Juan

Allison Unit

Black Warrior

Distribution of pilot test in the world

USA Japan UN Canada+China

CO2‐ECBM Pilot Test in The world

However, pure CO2 as a displace gas has following problems: 

1. Making the coal swell and therefore reducing its 

permeability; In China, the initial permeability of 72% of 

coals < 1mD.

2. It is difficult to identify “unminable” coal at present; The 

ECBM projects may conflict with mining. 

Challenges of CO2‐ECBM in China

Gas mixture ECBM

CO2

CO2

CH4

CH4

CH4CH4

CH4CO2

N2/CO2

CO2

CO2

CH4

CH4

CH4CH4

CH4CO2

N2/CO2Gas Mixture

Mechanisms

The  concept  of  G‐ECBM  technology  is  to  inject  gas  mixture, consisting mainly  of N2  and  CO2,  into  the  coalbed  through  the injection wells to displace the methane from the coal and drive it to the production wells. 

G‐ECBM: Features

 Balancing the preferential sorption role of CO2 and 

permeability‐enhancing role of N2.

 Suitable for low‐permeability and minable coals, help to 

control gas outburst and enhance methane recovery, 

therefore, attract the interest of enterprises.

 Lowering, even eliminating the cost of gas purification.

 Fat coal

 620m deep tunnel

 Initial permeability is ４μD

 3 test wells＋220 existing  production wells

Pilot Test in Pingdingshan Coal Mine

Overview 

of the Test

Results of pilot test

Flow

rate

of m

etha

ne(m

3 /hr)

Flow

rate

of a

ir (m

3 /hr)

0

0.5

1

1.5

2

11月5日

11月15日

11月25日

12月5日

12月15日

12月25日

1月4日

1月14日

1月24日

2月3日

日期

CH

4流量

(m3 /h

r)

0246810

注气流量（

m3 /h

r)

开始注气

注气流量

CH4流量

2.0

1.5

1.0

0.5

0

10

8

6

4

2

0

Air injection

air

Flow

rate

of a

ir (m

3 /hr)

DateNov.5 Nov.15 Nov.25 Dec.5 Dec.15 Dec.25 Jan.4 Jan.14 Jan.24 Feb.3

0

0.5

1.0

1.5

2.0

开始注气Fl

ow ra

te o

f met

hane

(m3 /h

r)Air injection

Flow

rate

of m

etha

ne(m

3 /hr)

0

0.5

1.0

1.5

2.0

Flow

rate

of m

etha

ne(m

3 /hr)

Air injection well 3

well 2

well 1Flow

 rate of m

etha

ne (m

3 /hr)

Date

Air injection

Airinjection

Air injection

Air

CH4

CH4

CH4

Comparing with 220 conventional  production wells, the average single‐well flow rate and the average concentration of the CH4 of the test wells increased by 4.7 times and 1.7 times, respectively 

Comparing with 220 conventional  production wells, the average single‐well flow rate and the average concentration of the CH4 of the test wells increased by 4.7 times and 1.7 times, respectively 

Pilot test summary

1# hole2# hole3# hole

Boring holes nearby(220 by traditional method)

Comparation ECBMwith traditional method

The number of ring hole

60.13

0.63

0.86 23.543.4

Average flow rateof CH4(m

3/hr)Average concentration

of CH4(%)

5.7 2.7

8.60.422

Thank you for your attentions!