熱力作用下煤層注CO2驅替CH4試驗研究

吳　迪，劉雪瑩，孫可明，梁　冰，辛立偉

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新　123000)

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熱力作用下煤層注CO2驅替CH4試驗研究

吳迪，劉雪瑩，孫可明，梁冰，辛立偉

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新123000)

摘要:為研究體積應力和溫度對于煤層注CO2條件下CH4驅替量的影響規律，利用自制三軸吸附解吸試驗裝置，對煤試件開展考慮煤層體積應力和溫度熱力作用影響的與煤層等孔隙壓注CO2驅替CH4試驗研究。試驗結果表明：相同溫度條件下，氣體吸附量隨體積應力增加逐漸減小，下降梯度明顯；體積應力是煤層CH4驅替量的主要影響因素，擬合得出20～50 ℃區間內煤層CH4驅替量隨體積應力變化的計算公式。在相同溫度條件下，隨著體積應力增加，CH4驅替效率逐漸減小，近似于線性變化規律；隨著溫度升高，CH4驅替效率上升顯著且梯度明顯。在相同溫度條件下，隨著體積應力增加，置換體積比相應增加；隨著溫度升高，置換體積比減小，近似呈等梯度下降規律。

關鍵詞:CO2驅替CH4；體積應力；溫度；驅替效率；置換體積比

隨著煤層開采深度的急劇增加，煤層氣涌出現象明顯，我國陸上埋深1 500～3 000 m煤層氣資源約為1 500 m以下的2倍。深部煤層呈現高體積應力和高溫等特性，現有煤層氣開采技術受儲層特性和開采條件等因素制約缺乏普適性[1]，利用CO2強化儲層煤層氣回采方法具有采收率高等明顯優勢[2-6]。深部煤層注入CO2不僅可以提高CH4采收率，還可以實現CO2的永久封存[7-11]。張群等[12]證明了煤層注CO2可以提高CH4采收率；楊宏民等[13]利用煤粉開展二元氣體競爭吸附置換解吸的差異性；高莎莎等[14]利用潞安和寺河煤樣進行了不同溫度、注入壓力下的CO2，CH4混合氣體的吸附解吸試驗；王晉等[15]利用沁水煤田原煤試樣，開展了不同圍壓條件下的注CO2置換煤層CH4效果試驗；馬東民等[16]以提高煤層氣采收率為目標，利用柱體原煤進行CO2驅替CH4實驗研究；吳迪等[17]開展不同溫度下型煤對CH4/CO2混合氣的試驗研究；梁冰等[18]建立了注氣開采煤層氣多組分流體流固耦合模型；吳嗣躍等[19]建立注氣驅替提高CH4采收率的基本方程；馮啟言等[20]應用數值模擬試驗，分析CO2注入煤層后的CH4/CO2混合氣體與煤體的氣固耦合特征。由此可見，對于煤層注CO2驅替CH4的研究普遍采用煤粉顆?；蛟涸嚰M行常溫條件下的混合氣競爭吸附試驗研究，或基于理論分析進行數值模擬。因此本文開展考慮體積應力和溫度熱力作用下的煤層注CO2驅替CH4試驗研究，模擬一定地層壓力和溫度條件下的氣體注入、競爭吸附、置換和驅替過程，為煤層注CO2驅替CH4的現場應用提供一定的理論參考。

1試驗

1.1試驗裝置

試驗裝置包括注氣系統、驅替系統、溫度控制系統和數據采集系統。注氣系統通過控制高壓裝氣瓶和調氣閥將氣體注入壓力釜中，通過壓力釜中壓力的變化量計算氣體吸附量。驅替系統通過調節軸壓和圍壓對煤樣施加體積應力，如圖1所示。溫度控制系統利用水浴裝置調節注氣系統和驅替系統試驗溫度，還可以檢查裝置氣密性。數據采集系統可以準確記錄氣體壓力和溫度，驅替系統中煤樣的體積應力和溫度。

圖1　驅替系統Fig.1　Displacement experimental apparatus

1.2試驗試件

由于氣體的吸附置換和驅替過程在煤層中進行，并且原煤試件之間存在孔隙度的差異，為了便于多組試驗數據的比較，試驗對象選用自制型煤試件。型煤試件原料取自遼寧鐵法煤礦，煤種為褐煤，經破碎機粉碎后篩選直徑在0.25 mm以下的煤粉，用壓力機壓制成型。尺寸為φ50 mm×100 mm，烘干后置于干燥箱中備用。

1.3試驗方案

試驗按溫度變化分為4組，分別為20，30，40和50 ℃，采用室內試驗研究方法，開展考慮煤層體積應力和溫度影響的注CO2驅替CH4試驗研究。首先對飽和吸附CH4的型煤試件注入CO2，通過驅替前后壓力差值計算CO2吸附量，得出CO2吸附量隨體積應力和溫度的變化規律；利用氣相色譜儀分析混合氣組分，得出CH4驅替隨煤層體積應力和溫度變化的規律，進而計算CH4驅替體積和CO2的置換效率。

1.4試驗步驟

(1) 檢查裝置氣密性。對試件施加10 MPa圍壓和8 MPa軸壓，注氣系統內通入壓力為1 MPa的CH4氣體，關閉閥門保持6 h以上，若壓力表無變化，則裝置氣密性良好。

(2) 預熱試驗裝置，待溫度和壓力達到預定值，打開閥門向驅替裝置中注入1 MPa的CH4，持續24 h，認為煤樣吸附達到飽和，并記錄數據。

(3) 對注氣壓力釜抽真空后注入1 MPa的CO2氣體，穩定后打開閥門進行驅替試驗，持續24 h，記錄數據。

(4) 收集混合氣并測量體積，利用氣相色譜儀分析氣體組分，計算驅替量。

(5) 更換煤樣，改變試驗煤樣體積應力和溫度，重復上述步驟，得出CH4驅替量在不同體積應力和溫度條件下的試驗數據。

2煤層注CO2驅替CH4試驗

2.1CH4驅替量隨體積應力和溫度的變化規律

從圖2可以得出，CH4和CO2吸附量隨體積應力和溫度變化趨勢基本一致，都是隨體積應力和溫度的增加，吸附量逐漸減少，但變化梯度逐漸減??；當體積應力為18 MPa，不同溫度條件下CH4或CO2吸附量數值基本相同，曲線逐漸趨于一點；相同體積應力和溫度條件下，CO2的吸附量約為CH4的2倍。從圖3同樣可以得出，相同溫度條件下，隨著體積應力增加，型煤試件對于CH4的驅替量逐漸減小，在初始階段CH4驅替量下降幅度明顯，隨著體積應力的逐漸增大，型煤試件內部孔隙或裂隙空間逐漸閉合，吸附位減少，致使CH4驅替量下降幅度較小。隨著溫度的升高，氣體吸附量呈現下降趨勢，而CH4的驅替量呈現上升趨勢，這主要是由于溫度對于氣體起到活化作用，溫度越高，氣體越難被吸附，相反更易于解吸，同時溫度和應力對煤樣內部孔/裂隙空間產生影響，同樣抑制氣體的吸附。從圖2和圖3可以明顯看出，煤層體積應力和溫度是CH4驅替量的主要影響因素。

圖2　不同溫度條件下CH4和CO2吸附量隨體積應力的變化曲線Fig.2　Adsorption of methane and carbon dioxide with volume stress rising at different temperature

圖3　不同溫度條件下CH4氣體驅替量隨體積應力變化曲線Fig.3　Methane displacement with volume stress rising at different temperature

對不同溫度條件下CH4驅替量隨體積應力變化試驗數據進行擬合，得出

(1)

其中,V為CH4驅替量，cm3/g；θ為體積應力，MPa；a,b,c為擬合常數，可以根據不同溫度條件下的CH4驅替量求得(表1)。

根據表1中的擬合常數，可以得出不同溫度條件下CH4驅替量試驗數據與擬合曲線對比結果，如圖4所示。從圖4可以看出,擬合常數的擬合度都近似為1，說明式(1)可以準確計算出煤層溫度在20～50 ℃區間內不同體積應力條件下煤層CH4的驅替量。

表1　CH4驅替量試驗數據擬合結果

圖4　不同溫度條件下CH4驅替量試驗數據與擬合曲線Fig.4　Methane displacement compared with fitted data at different temperature

2.2驅替效率和置換體積比隨體積應力和溫度的變化規律

驅替效率是CH4氣體驅替量與波及范圍內煤層CH4總含量之比，能夠反映氣藏驅替效果。圖5為不同溫度條件下CH4驅替效率隨煤層體積應力的變化曲線，可以得出,同一溫度條件下，驅替效率隨體積應力變化基本呈現線性分布規律，但斜率為負。體積應力從6 MPa增加到18 MPa，驅替效率平均下降23.5%。相同體積應力條件下，隨著溫度的升高，驅替效率呈現上升趨勢，平均上升14.6%，因此體積應力和溫度是驅替效率的主要影響因素，雖然CH4驅替效率隨體積應力的增加而減小，但在恒定條件下，煤層CH4能夠平穩產出。

圖5　不同溫度條件下CH4驅替效率與體積應力變化曲線Fig.5 　Methane displacement efficiency with volume stress change at different temperature

置換體積比為CO2的吸附量與產出CH4的體積比，用以描述CO2對CH4的競爭吸附能力。圖6為置換體積比隨體積應力的變化規律，可以得出，置換體積比隨著體積應力的增加逐漸增大，但增加幅度逐漸減小，這意味著體積應力對CH4的置換量有很大影響，當體積應力較小時，等孔隙壓力條件下煤樣中可以注入較多的CO2，因此置換體積比較??；煤樣所受體積應力越大，產出單位體積CH4所需注入的CO2量越多，相同溫度條件下，體積應力由6 MPa增大到18 MPa，置換體積比平均上升1.88。這主要由于煤樣受較低體積應力作用時，內部孔/裂隙空間較大，被驅替的CH4氣體在煤樣內部能夠較迅速擴散并具有較強的流通性，CH4氣體的分壓上升較慢，因此解吸量相對較多；而當煤樣受較高體積應力作用時，內部孔/裂隙空間被壓縮致使連通性差，致使被驅替的上升的CH4氣體不能快速的擴散，CH4氣體分壓上升較慢，解吸量降低。溫度變化對于氣體在煤基質內部的吸附和解吸產生重要影響，因此對于置換體積比同樣影響顯著，溫度每升高10 ℃，置換體積比平均下降1.02，近似呈現等梯度下降規律。

圖6　不同溫度條件下CO2置換體積比隨體積應力變化曲線Fig.6　Replacement volume ratio of carbon dioxide with volume stress change at different temperature

3結論

(1) 相同溫度條件下，氣體吸附量隨體積應力增加逐漸減小，并且下降梯度明顯，CO2吸附量約為CH4的2倍。體積應力和溫度是CH4驅替量的主要影響因素，CO2在等孔隙壓力注入條件下，煤層體積應力越小、溫度越高(50 ℃)，驅替效果越明顯，擬合得出20～50 ℃區間內煤層CH4驅替量隨體積應力變化的計算公式。

(2) 在相同溫度條件下，體積應力從6 MPa增加到18 MPa，CH4驅替效率逐漸減小，平均下降23.5%，近似于線性變化規律；在相同體積應力條件下，隨著溫度升高，CH4驅替效率明顯增加，平均上升14.6%。

(3) 在相同溫度條件下，隨著體積應力增加，置換體積比增加，平均上升1.88；在相同體積應力條件下，隨著溫度升高，置換體積比減小，溫度每升高10 ℃平均下降1.02，近似呈現等梯度下降規律。

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Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action

WU Di,LIU Xue-ying,SUN Ke-ming,LIANG Bing,XIN Li-wei

(MechanicsandEngineeringSchool,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:In order to study the methane displacement in coalbed by carbon dioxide with different volume stress and temperature,using self-developed seepage device for triaxial absorbing and desorbing,an experimental study was carried out on methane displacement with the consideration of volume stress and temperature variation under the thermo-mechanical action,and under the pore pressure of equaling to coalbed.The results show that at the same temperature,the adsorption decreases with the increase of volume stress,and the gradient declines obviously;the volume stress and temperature are the main causes of methane displacement,and the formula is fitted that the coalbed methane displacement varies with volume stress change at 20-50 ℃.At the same temperature,the displacement efficiency drops linearly with the increase of volume stress;as temperature increases,the displacement efficiency increases obviously.At the same temperature,the replacement volume ratio expands;with temperature increase,the replacement volume ratio falls,and the gradient remains the same.

Key words:methane displacement by carbon dioxide;volume stress;temperature;displacement efficiency;replacement volume ratio

中圖分類號:P618.11

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0162-05

作者簡介:吳迪(1981—)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士。E-mail：wudi202@126.com。通訊作者：梁冰 (1962—)，女，遼寧盤錦人，教授，博士。Tel：0418-3351517，E-mail：lbwqx@163.com

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2011CB201206)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51504122)

收稿日期:2015-08-25修回日期:2015-11-05責任編輯:張曉寧

吳迪，劉雪瑩，孫可明,等.熱力作用下煤層注CO2驅替CH4試驗研究[J].煤炭學報,2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020

Wu Di,Liu Xueying,Sun Keming,et al.Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020