煤層處置二氧化碳模擬實驗研究

韓俊杰,梁衛國,張建功,張倍寧

(太原理工大學采礦工藝研究所,山西太原 030024)

煤層處置二氧化碳模擬實驗研究

韓俊杰,梁衛國,張建功,張倍寧

(太原理工大學采礦工藝研究所,山西太原 030024)

為了研究CO2在煤層中的儲存能力與置換驅替CH4特性,利用沁水煤田潞安礦區3號煤層大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤樣,在確定應力約束條件下,開展了CO2在煤體中的吸附特性與其在含甲烷煤試樣中的驅替實驗,并對含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的儲存特性做了對比分析。結果表明:在模擬真實地應力(圍壓=軸壓=8 MPa)條件與0.5 MPa注入壓力作用下, 180 min內試驗煤樣中儲存CO2量達11.03 L,CO2在測試煤體中的滲透率隨其吸附量的增加而減小;在既定的地應力條件和近于14.93 cm3/g煤層平均瓦斯含量條件下,當CO2注入壓力由0.5 MPa提高到1.0 MPa時,CO2在試驗煤體中的儲存量可提高93.00%、儲存率提高13.50%、相應CH4的解吸量提高了18.13%;在實驗初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,隨注入過程的持續,煤體中CH4的解吸量逐漸趨于平緩且遠小于CO2的吸附量;同等條件下,含CH4煤比不含CH4煤可多儲存59.29%的CO2,儲存率提高了12.51%。

二氧化碳;煤層處置;儲存率;置換驅替

CO2是主要溫室氣體,化石燃料的大量燃燒是其主要來源之一,其每年排放量高達到22×109t[1]。為了解決CO2對人類生存環境所帶來的災害,地質處置被公認為是解決溫室氣體環境影響問題的有效途徑之一。研究表明,可用于CO2地質儲存的主要場所有深部咸水含水層、廢棄油氣田、海洋深部和不可開采貧瘠煤層[2－5]。我國煤炭與煤層氣資源豐富,或埋藏深或條件差的不可開采煤層占有相當比例。向煤層中注入CO2,不僅可以減少CO2的大氣排放,還可以提高煤層中煤層氣的采收率,即國際上應用較多的CO2－ECBM法。

有關CO2在煤層中儲存的內容,國內外不少學者做了一定研究。吳世躍等[6]對在靜態條件下向煤層注CO2和N2的效果進行了實驗研究,并分析了注氣增產煤層氣機制;唐書恒等[7]對粉煤進行了注CO2驅替煤層CH4試驗研究,利用擴展Langmuir方程得到注CO2可以提高煤層氣的解吸率,并發現同等條件下,晉城煤的解吸率高于潞安煤;Liang等[8]通過對大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)原煤試件進行注CO2驅替煤層CH4實驗研究,發現在一定條件下單位體積煤體中可以儲存17.47～28.00體積的CO2; Yee和Stanton等[9－10]試驗研究發現,不同煤階煤層對CO2的吸附儲存量是可達CH4的2～10倍;Busch等[11]對Silesian盆地的煤進行高壓氣體吸附實驗,發現同等條件下煤體對CO2吸附能力始終高于對CH4的吸附,煤階與含水量會影響煤對氣體的吸附特性;S.Hol等[12]利用一種新技術,對超臨界CO2在煤層中的吸附特性進行了研究,發現在40℃和0～16 MPa注入壓力條件下,幾乎全部CO2吸附于煤基質中,且吸附量與游離CO2的化學勢密切相關。

筆者以沁水煤田大尺寸(100 mm×100 mm× 200 mm)原煤試樣為研究對象,模擬進行了原煤真實地應力條件下煤層對CO2的吸附性、CO2在含CH4煤中的置換驅替試驗,研究了CO2在煤層中的儲存能力與置換驅替CH4特性,為今后CO2煤層地質處置與煤層CH4置換驅替提供一定參考依據。

1 樣品與實驗

1.1 試樣制備

煤樣取自沁水煤田潞安五陽煤礦3號煤層。煤質屬于變質程度較高的貧瘦煤,水分為0.80%,灰分為14.92%,發熱量為30.71 MJ/kg。由最新測量數據知,該煤層瓦斯相對涌出量為13.81 t/m3,平均瓦斯含量14.91 cm3/g,視密度為1.37～1.43 t/m3,孔隙率為2.84%～3.38%,煤的堅固性系數為0.46～0.55。

現場切割采集大塊煤樣后,精心包裹運輸至實驗室。在實驗室內,為減小對煤體原始結構的損傷破壞,采用手工磨制加工方式,將原煤樣加工成100 mm×100 mm×200 mm的長方體大尺寸試件(圖1)?？紤]到向煤體注入或采出氣體的主要流動方向為沿原煤層賦存水平層理方向,將煤層層理方向加工成試件高度方向。在實驗中,注入與產出氣體的流動方向沿高度方向由下向上進行,類似于煤層中水平層理方向的流動。為防止實驗過程中氣體從試件側面滲流溢出,在實驗前將試件高度方向的4個側面進行了蠟封處理,保障氣體沿層理向流動。本次實驗共加工了3塊試件,其中1號試件用于CO2吸附特性研究,2號與3號試件用于CO2在含甲烷煤中的置換驅替CH4研究。

圖1 加工好的煤樣(100 mm×100 mm×200 mm)Fig.1 The prepared coal specimen (100 mm×100 mm×200 mm)

1.2 試驗裝置

本試驗所使用的設備是實驗室自行研制的三軸滲透驅替試驗裝置,該裝置可以模擬不同壓力條件下,不同巖樣與煤樣中流體的滲透和吸附特性。試件所受的軸壓由系統油缸提供,圍壓通過氣體并借助手動泵來加載,滲透壓通過手動控制氣源來實現。氣體注氣量通過氣瓶高精度壓力表換算獲得,出口處連有流量計和氣體分析儀,用于測量氣體產出量、產出氣體成分及含量。試驗系統如圖2所示。

1.3 實驗方法

實驗用的CO2和CH4氣體濃度均為99.99%,軸壓、圍壓均以0.5 MPa的梯度交替加載,直至應力接近于真實煤層壓力(圍壓=軸壓=8 MPa),實驗溫度始終為室溫。

圖2 試驗系統示意Fig.2 Sketch of experimental equipment

在一定的圍巖條件下,滲透壓對巖體滲透性有較大影響。為防止滲透壓過大對煤體自身結構的影響,同時為保障試驗過程中煤體對CO2的充分吸附,本次試驗選擇0.5 MPa和1.0 MPa兩種滲透壓力條件進行試驗。分別對CO2在煤中的吸附特性,以及在CO2對含CH4煤中CH4的驅替特性進行試驗。關于不同應力下CO2在煤體中的滲透特性,文獻[13－15]已有報道,這里不再重復。

對1號試件,進行了0.5 MPa注入壓力下的CO2吸附特性試驗,具體實驗步驟:①將處理好的煤樣放置在三軸滲流裝置內,根據實驗設計連接好各系統,然后進行密封和氣密性檢查;②對系統包括試件進行抽真空處理;③對試件進行加載,軸壓、圍壓交替加載到8 MPa,接近于原煤樣所處煤層真實地層壓力;④當壓力穩定后,以0.5 MPa的滲透壓注入氣體進行吸附特性實驗。持續注入180 min,連續記錄其注入量和出口流量。

對2號和3號試件,分別進行0.5,1.0 MPa注入壓力條件下的CO2驅替CH4試驗,具體步驟:①前3步與上述吸附特性實驗相同;②關閉出氣口,以設定壓力(0.5 MPa)持續24 h注入CH4,記錄注入量,使煤體達到一定的CH4含量;③關閉注氣口,使CH4在煤體中充分吸附后再打開出氣口,收集并測量分析自由釋放氣體;④打開注氣口,以設定的壓力持續注入CO2氣體180 min,記錄注氣量和產出量并進行成分分析。

2 實驗結果及分析

2.1 煤體對CO2的吸附儲存特性

2.1.1 煤對CO2的吸附作用

為了表征CO2在煤層中的儲存效果,筆者定義CO2儲存率為:注入過程完成后,煤體中CO2的殘留量(包括吸附態與游離態)占CO2注入總量的百分比。在180 min的持續注入條件下,CO2注入總量為66.31 L,產出55.28 L,因此,煤體吸附量為11.03 L,儲存率為16.63%。實驗過程中,前90 min CO2在煤體中的儲存量快速增加,之后煤體對CO2的儲量增速隨時間逐漸變緩(圖3(a))。

圖3 CO2儲存量和滲透率隨時間的變化曲線Fig.3 Curves of CO2storage and CO2permeability with time

2.1.2 儲存量與滲透率的關系

根據達西定律,煤對CO2的滲透率通過式(1)[8]進行計算,即

式中,K為滲透率,10－15m2;Q為氣體流量,cm3/s;μ為氣體動力黏度,CH4的動力黏度為10.87 μPa·s, CO2的動力黏度為70 μPa·s;L為試件高度,cm;P1為進口壓力,Pa;P2為出口壓力,Pa;ρ為氣體密度,g/cm3;A為試件截面積,cm2。

在注入儲存過程中,利用式(1)對CO2的滲透率進行計算,發現滲透率逐漸降低,從開始的0.018× 10－15m2降到最后的0.010 2×10－15m2,降了13.56% (圖3(b))。隨著氣體的不斷注入與輸出,煤體中儲存的CO2量逐漸增大,因此其滲透率的降低可以推測是由于煤體吸附膨脹效應所致。

圖4為煤體對CO2滲透率與其CO2儲存量的關系。隨著煤體內儲存(主要為吸附態)氣體量的增多,煤基質表面張力下降,表現為煤基質的吸附膨脹變形[16],內部孔裂隙相互擠壓,導致孔隙率降低;同時由于吸附氣體,煤體孔裂隙通道吸附層增厚,滲流通道面積減小,從而導致煤體滲透率降低。隨著吸附量的增加,吸附引起的膨脹變形與外部應力引起的煤體擠壓變形達到平衡,孔裂隙內吸附氣體達到上限,表現為后期滲透率下降并逐漸趨于平緩,這與覃世福等[17]對?50 mm×100 mm試件進行的關于吸附作用對原煤滲透率影響的試驗規律相一致。

圖4 CO2滲透率與儲存量關系曲線Fig.4 Relationship between CO2permeability and storage

2.2 CO2在含CH4煤中的置換驅替特性

向煤體試樣中注入CH4,并穩定一段時間,令其在煤體中充分吸附。經測試,2號與3號兩塊煤樣分別吸附CH4量達41 056.8 mL和41 715.2 mL。兩塊煤樣實驗前所測質量分別為2 820.1g和2 891.3 g,因此,吸附CH4后測試煤體單位質量的CH4含量分別為14.56 cm3/g和14.43 cm3/g,這與煤樣所取煤層的平均瓦斯含量14.93 cm3/g非常相近。

在相同的約束應力條件下,對兩個試件的氣體注入壓力分別為0.5 MPa和1.0 MPa時,2號試件吸附CO2量為17.57 L,解吸CH4量7.61 L;3號試件吸附CO2量33.91 L,解吸CH4量8.99 L。因此,CO2的儲存率分別為29.14%和42.64%。在這兩組驅替實驗中,注入CO2對原煤中CH4氣體的置換比(CO2的吸附量/CH4的解吸量)分別為2.13和3.77,具體吸附解吸參數值見表1。

表1 CO2在含甲烷煤中的驅替實驗結果Table 1 Results of replacement of CH4by CO2

從表1看出,在其他條件不變的情況下,CO2注入壓力由0.5 MPa(2號試件)提高到1.0 MPa(3號試件),相同時間下CO2吸附量提高了93.00%、CO2儲存率提高了13.50%、CH4解吸量提高了18.13%、驅替置換比提高了63.20%,表明在一定范圍內,CO2注入壓力對CO2在含甲烷煤中的儲存和驅替效果有顯著影響。分析其原因,主要為注入壓力升高,單位時間流速、流量隨之升高,CO2氣體將更快速廣泛地分布于煤體內的孔裂隙,與更多的CH4發生競爭吸附;另外,由于流速的提高,CO2氣體會更快速地首先剝離附著在大孔裂隙通道中的CH4,從而有更多時間與微孔裂隙中的CH4產生競爭吸附,導致存儲量和驅替效果上升。這與Masaji Fujioka等[18]在日本Ishikari盆地CO2煤層儲存現場試驗可相互印證。

2.3 CO2置換驅替煤體CH4機理

由于煤基質對氣體的吸附存在著差異,導致兩種不同氣體同時存在于煤基質時產生競爭吸附。CO2在煤中的吸附勢能大于CH4,在CO2注入煤層后, CO2的劇烈熱運動將促使CH4從煤基質表面上解吸下來,從而在相同的吸附位儲存CO2,其實質就是游離的CO2對吸附態CH4的置換。

圖5為2號和3號試件在試驗過程中,CO2吸附量、CH4解吸量隨時間的變化曲線,由圖5可知:

(1)CO2在前期的吸附速率比后期高。這主要由于前期在注入氣流的帶動下,CO2會迅速占領游離態CH4的位置并賦存于大孔裂隙;另外,由于CO2的吸附勢能大于CH4的吸附勢能,在相同的吸附位占有絕對的優勢,從而儲存了更多的CO2。在注入過程的初期,CO2在煤層的吸附儲存速度更快,效果更好。

(2)CH4在前期的解吸量高于CO2的吸附量。這是由于在驅替試驗前,煤體中吸附的CH4有一部分處于游離狀態,在CO2的高速注入下,處于游離狀態和附著于大孔裂隙通道上的CH4會在氣流的帶動下(因孔裂隙內外的勢能差)迅速脫離;當這部分CH4被置換完后,由于處在煤基質內部微小孔隙里的CH4對流速作用影響甚小,只有正常的競爭吸附置換。因此,后期CH4的解吸量逐漸趨于勻速平緩,且遠小于同等時間CO2的吸附量。

3 CO2在煤層中儲存條件的討論

研究發現,在其他條件不變的情況下,不含甲烷煤和含甲烷煤對CO2的吸附量存在著差異(圖6,注入壓力0.5 MPa、體積應力24 MPa)。

圖5 CO2吸附量、CH4解吸量隨時間的變化曲線Fig.5 Curves of CO2adsorption and CH4desorption with time

圖6 CO2吸附量與時間關系曲線Fig.6 Relation curves between CO2adsorption and time

在相同條件下,含甲烷煤的CO2儲存量始終高于不含甲烷煤。在180 min的持續注入條件下,不含甲烷煤體的CO2儲存量為11.03 L,而含甲烷煤體則提高到17.57 L,儲量增大59.29%,儲存率提高了12.51%。這可能是因為在含甲烷煤體中,由于甲烷注入,在一定的壓力下,經過24 h在煤中的充分吸附,打開了更多的孔裂隙和微孔隙(與不含甲烷煤比),所以在注入CO2后,通過競爭吸附,在以前沒有打開的通道中存入了CO2,致使CO2的儲存量大于不含甲烷煤中儲量。這與王雪峰等[19]在量子化模型中得到的關于當煤中吸附1個或2個CO2分子時,有1個甲烷分子就會促進煤對CO2的吸附的結論相印證。

另外,除了瓦斯含量、注入壓力對煤中儲存CO2有影響外,還有溫度、地應力、注入時間、吸附引起的膨脹、CO2的形態等多因素影響,尚需進一步深入探究。

4 結 論

(1)在體積應力為24 MPa、注入壓力為0.5 MPa下,180 min持續注入煤體中CO2儲存量達11.03 L,儲存率為16.63%。其間,CO2的滲透率隨吸附量的增加而減小,降低了13.56%。

(2)在體積應力24 MPa、煤層平均瓦斯含量接近于原煤14.93 cm3/g條件下,煤體CO2注入壓力由0.5 MPa提高到1.0 MPa時,CO2的儲存量提高了93.00%,儲存率提高了13.50%、CH4的解吸量提高了18.13%。表明注入壓力對煤層儲存CO2有重要影響。

(3)由于流體運移所致對流擴散等作用,驅替試驗初期CH4的解吸量高于CO2的吸附量,隨后CH4的解吸量逐漸趨于勻速平緩且遠小于同等時間CO2的吸附量。

(4)同等條件下,含甲烷煤比不含甲烷煤多儲存了59.29%的CO2,儲存率提高了12.51%。表明含甲烷煤層不僅能夠產出更多的煤層氣,而且能夠儲存更多的CO2。

在研究CO2煤層儲存中,體積應力和平均瓦斯含量始終設定在一定值下,是為了還原所取煤樣煤層的真實情況。因此,本文的結論暫只適用于500 m以淺煤層的CO2儲存,至于更深煤層的超臨界CO2儲存,有待今后進一步研究。

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Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam

HAN Jun-jie,LIANG Wei-guo,ZHANG Jian-gong,ZHANG Bei-ning

(Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In order to study the capacity of CO2storage in coal bed and the displacement of methane CH4in coal by CO2injection,an experiment about the CO2adsorption and coalbed methane(CBM)replacement in coal under given pressure was carried out with coal specimens of large size(100 mm×100 mm×200 mm)from the No.3 coal seam,Qinshui Basin,China.Based on the experiment,the CO2storage capacity difference between coal containing CH4and coal without CH4was contrastively analyzed.The experimental results demonstrate that,the storage of CO2in the coal specimen can amount to 11.03 L under the in-situ stress condition of the coal bed and injection pressure of 0.5 MPa.CO2permeability through the coal decreases with the increase of its adsorption amount during the experiment duration of 180 min.When the CO2injection pressure increases to 1.0 MPa from 0.5 MPa under the same confining stresses,the CO2storage amount in the coal increases by 93.00%,the storage rate increases by 13.50%and the amount of CH4desorption increases by 18.13%.It is found that the amount of CH4desorption is larger than CO2adsorption in the initial experimental stage.After that,the amount of CH4desorption tends to be stable but far less than CO2adsorption amount.Under the similar experimental condition,the CO2storage capacity in coal containing CH4is 59.29%more than that of coal without CH4,and the storage rate in coal containing CH4increases by 12.51%compared that in coalwithout CH4.

carbon dioxide;geological storage in coalbed;storage rate;replacement

P618.11

A

0253－9993(2014)03－0531－06

韓俊杰,梁衛國,張建功,等.煤層處置二氧化碳模擬實驗研究[J].煤炭學報,2014,39(3):531－536.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656

Han Junjie,Liang Weiguo,Zhang Jiangong,et al.Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):531－536.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656

2013－11－11 責任編輯:韓晉平

國家杰出青年科學基金資助項目(51225404)

韓俊杰(1989—),男,山西懷仁人,碩士研究生。通訊作者:梁衛國,教授,博士生導師。E－mail:liangweiguo@tyut.edu.cn