水-熱耦合作用下含瓦斯柱狀原煤滲吸效應的實驗研究

段正鵬，李志強，陳向軍，張書金，李國紅

（1.貴州省礦山安全科學研究院有限公司，貴州貴陽 550025；2.貴州省煤礦瓦斯防治工程技術研究中心，貴州貴陽 550025；3.河南理工大學煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南焦作 454000）

貴州黔西北礦區有豐富的地熱資源[1]，有礦井在開拓過程中揭露有井下溫泉，一些實現了直接引入溫泉水作為礦井洗浴用水，將溫泉熱水注入出現低壓瓦斯驅動力不足的煤層，通過熱能傳導和水的滲吸置換效應進一步促進吸附瓦斯的脫附，是降低煤層瓦斯含量，提高煤層氣（瓦斯）采出率，縮短瓦斯治理周期，快速實現瓦斯抽采達標的可行性方法。

高瓦斯含量無煙煤煤層實現瓦斯抽采達標難度大，黔西北礦區部分地區煤層瓦斯含量高達30 m3/t，由于無煙煤比表面積大[2]，瓦斯殘存量高[3]，抽采至后期雖然殘余瓦斯壓力已低于0.74 MPa 的突出臨界指標，但殘余瓦斯含量仍高于8 m3/t 已是常態，此時易出現瓦斯驅動力不足，瓦斯抽采困難。

為了提高煤層瓦斯采出率，唐明云等[4]提出了通過注熱（水）促抽煤層瓦斯的方法，唐明云等[5]、王俏等[6]研究發現甲烷在煤中的吸附量與溫度呈負相關關系，高溫條件下吸附量低于低溫下的吸附量，升溫后微觀上甲烷分子較常溫下動能更高，煤基質受熱孔隙出現擴張易于甲烷分子擴散[7]，擴散系數隨溫度的升高而增大[8]，宏觀上表現為溫度越高同壓解吸量越大，煤巖對甲烷的吸附量越低，同時升溫使得分子的滑脫效應更顯著，熱應力增大促使熱膨脹可進一步提高煤體滲透率[9]，總體表現為升溫熱激勵促進瓦斯脫附解吸。

在注熱蒸汽或熱水過程中，微觀上由于煤基質對水分子的吸附能力大于對甲烷分子的吸附能力，水分會在毛管壓力作用下滲吸進入煤基質內部置換吸附態瓦斯為游離態[10]，有利于低壓瓦斯形成高壓，增大瓦斯驅動能力。樊亞慶等[11]研究發現隨著吸附瓦斯不斷被水分子置換為游離瓦斯，系統內壓力出現了增大現象；吳家浩等[12]開展的含水煤極限解吸實驗發現含水煤瓦斯殘存量低于干燥煤，極限解吸率隨含水率的增大而升高[13]；李永等[14]研究指出注熱疏孔可提高孔裂隙連通性及滲透性，有利于瓦斯在煤體內的解吸與滲流；李惟慷等[15]通過實驗研究指出50 ℃以上半徑范圍內可認為是注熱有效半徑，且應限制注熱時長。

以往研究多采用粒煤或粉碎后重新壓制的型煤進行常溫滲吸實驗[11,16]，由于粉碎過程將破壞掉原始煤體內部的孔隙及裂隙，水分進入煤體內部的速率非常快，常溫下48 h 以內即可達到極限滲吸狀態，而原煤孔隙率遠低于型煤[17]，水分沿型煤和原煤裂隙、孔隙滲吸置換吸附瓦斯的特性具有較大差異。為此采用含有原始裂隙的柱狀原煤開展了0.5、1.0、2.0、3.0 MPa 初始平衡壓力在20、40、60、80 ℃下240 h 水-熱耦合作用滲吸實驗，分析不同溫壓下的滲吸特性，以豐富注熱（水）增產煤層氣（瓦斯）的研究成果。

1 滲吸置換實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗煤樣

采集貴州省畢節市某礦井M6 煤層新鮮暴露高品質無煙煤作為實驗煤樣，煤樣基礎特征參數見表1。為了客觀反映水分子在毛管壓力作用下在原始煤體內部裂隙及孔隙中的滲吸置換規律，用砂線切割機將采集的煤樣在實驗室制備為50 mm×100 mm柱狀原煤，烘干后作為滲吸置換甲烷實驗用煤樣。

表1 煤樣特征參數Table 1 Characteristic parameters of coal samples

1.2 實驗裝置及實驗過程

滲吸置換實驗裝置由高壓充氣單元、抽真空單元、恒溫吸附-置換單元、壓力數據記錄單元構成，實驗裝置原理圖如圖1。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

實驗過程如下：

1）將50 mm×100 mm 柱狀原煤放入煤樣罐中，檢查氣密性無問題后啟動真空泵和復合真空計，進行真空脫氣，當真空計示數低于20 Pa 時完成真空脫氣工作，關閉真空泵及真空計結束脫氣程序。

2）將恒溫吸附單元溫度調至20 ℃，打開高壓充氣單元，將純度為99.99%的高壓甲烷氣體依次充入各煤樣罐中，設置吸附平衡壓力為0.5 MPa。

3）待吸附平衡后，旋轉擊針打破裝滿水玻璃瓶，使水淹沒煤樣罐中的柱狀原煤，開始恒溫滲吸實驗。

4）數據記錄器采集煤樣罐中壓力變化數據，連續記錄240 h。

5）分別設置實驗溫度為20、40、60、80 ℃，依次進行0.5、1.0、2.0、3.0 MPa 吸附平衡壓力條件下水分滲吸置換甲烷實驗。

2 不同溫度下水分滲吸置換甲烷實驗結果

2.1 熱液侵入過程中氣體壓力隨時間變化

水分在毛管壓力作用下進入原煤煤體內部置換出來的游離甲烷首先在局部積聚，局部煤層瓦斯壓力短暫增大，當瓦斯壓力增大至一定程度時，游離甲烷將沿煤層裂隙進入預抽鉆孔及抽采管路，達到促抽、增產煤層氣（瓦斯）目的。針對滲吸效應會引起局部煤層瓦斯壓力短暫增大這一現象，開展水-熱耦合作用下的滲吸實驗，定量分析原煤在不同溫壓環境下的滲吸特性，研究溫度對滲吸效應的影響。

滲吸實驗過程中觀察到了密閉滲吸系統內瓦斯壓力隨著時間延長而增大的現象，但壓力增長速度要小于文獻［16］觀察到的情況，原因是本次實驗采用的原煤孔隙率要遠低于壓制的型煤，水分滲吸置換吸附甲烷的速度要緩慢。0.5～3.0 MPa 初始平衡壓力條件下分別在20～80 ℃溫度實驗環境下，滲吸實驗系統內壓力隨時間變化規律如圖2。

圖2 不同初始平衡壓力下滲吸實驗系統內壓力隨時間變化圖Fig.2 Diagrams of pressure variation with time in imbibition experimental system under different initial equilibrium pressures

由圖2 可知：同初始吸附平衡壓力條件下，隨著水分在毛管壓力作用下不斷進入柱狀原煤試樣內部，吸附態甲烷分子被水分子不斷置換為游離態甲烷，隨著實驗的進行，滲吸實驗系統煤樣罐內壓力逐漸增大，0.5 MPa 初始平衡條件下，20、40、60、80℃溫度實驗環境下，240 h 滲吸實驗后，滲吸實驗系統內壓力分別達到了0.80、0.89、0.94、1.02 MPa，最大增大了104%；3.0 MPa 初始平衡條件下，20、40、60、80 ℃溫度實驗環境下，240 h 滲吸實驗后，滲吸實驗系統內壓力分別達到了3.35、3.49、3.64、3.72 MPa，最大增大了24%；而1.0、2.0 MPa 初始平衡條件下，滲吸實驗系統內壓力最大分別增大了62%、33%，增幅隨初始平衡壓力增大呈遞減趨勢。

不同溫度條件下，壓力值的增大趨勢不同，溫度越高壓力增長速度越快，20 ℃實驗下壓力增長曲線最平緩，且在240 h 實驗時間內未達到極限滲吸狀態，80 ℃實驗下壓力增長速度最快，240 h 內可達到極限滲吸狀態。

2.2 熱液侵入對甲烷置換量的影響

為了考察熱液侵入過程中被置換出甲烷量的變化規律，根據氣體狀態方程式（1）計算出煤樣罐內自由空間為Vi在實驗溫度下，壓力由pj增大至pi時，水分在毛管壓力作用下進入原煤試樣內部所置換出的游離甲烷標況體積Qi。

式中：Qi為置換量，cm3；Vi為罐內部自由空間，cm3；T 為實驗溫度，℃；pi為i 時刻壓力值，MPa；pj為j 時刻壓力值，MPa；Zi為T 溫度下壓力pi所對應壓縮因子；Zj為實驗溫度下壓力pj所對應壓縮因子。

將各實驗條件下，滲吸實驗系統壓力隨時間變化數據代入式（1）獲得不同時間點甲烷置換量數據，不同初始平衡壓力下滲吸實驗累計甲烷置換量（標況）隨時間變化圖如圖3。

圖3 不同初始平衡壓力下滲吸實驗累計甲烷置換量（標況）隨時間變化圖Fig.3 Methane displacement（standard condition）variation with time in imbibition experiments under different initial pressures

由圖3 可知，不同滲吸實驗條件下的單位質量甲烷置換量均隨著時間的延長而不斷增大，同初始吸附平衡壓力條件下，相同實驗時間內，高溫下的單位甲烷置換量顯著高于常溫下的單位甲烷置換量。當實驗溫度由20 ℃增大至80 ℃時，0.5 MPa 初始平衡條件下的單位甲烷置換量（240 h）由2.95 cm3/g 增大至4.45 cm3/g，增大了50.9%；3.0 MPa 初始平衡條件下的單位甲烷置換量（240 h）由3.80 cm3/g增大至6.50 cm3/g，增大了70.9%；而1.0、2.0 MPa初始平衡條件下的單位甲烷置換量分別增大了62.2%、70.1%。表明高溫條件下水分子動能更高，煤體內部孔隙受熱膨脹進一步打開，高溫可以快速、有效提高水分子在毛管壓力作用下置換甲烷的速率。

2.3 熱液侵入對甲烷置換率的影響

由以上分析可知，高溫高壓下甲烷置換量高于高溫低壓，但能否表明高溫高壓下水分對整體吸附甲烷的置換能力高于高溫低壓需進一步分析，可從置換率角度分析不同溫壓條件下水分置換吸附甲烷的能力。

將滲吸實驗t 時刻單位質量煤甲烷置換量換算為物理標況（0 ℃，101 325 Pa）下置換量Qt，再將標況下Qt與Q（初始吸附平衡狀態下總甲烷吸附量）相比，獲得置換率η（Qt/Q）。某吸附平衡壓力條件下總甲烷吸附量可根據式（2）計算。

式中：Q 為初始吸附平衡狀態下總甲烷吸附量，cm3/g；a 為煤樣吸附常數，cm3/g；b 為煤樣吸附常數，MPa-1；p 為實驗吸附平衡壓力，MPa；Aad為灰分，%；Mad為水分，%；ρ 為煤樣密度，g/cm3；? 為孔隙率，%；T 為實驗溫度，℃。

不同溫壓下滲吸240 h 甲烷置換率隨溫度變化如圖4。

由圖4 可知：同初始吸附平衡壓力下的置換率（240 h）隨著滲吸實驗環境溫度的升高而增大，當實驗溫度由20 ℃增大至80℃時，0.5 MPa 的甲烷置換率（240 h）由21.96%增大至57.2%，提高了160.5%；3.0 MPa 的甲烷置換率（240 h） 由12.5%增大至31.4%，提高了152.1%；80 ℃條件下1.0 MPa 及2.0 MPa 甲烷置換率（240 h）分別為43.7%和34.0%，介于0.5 MPa（低壓）和3.0 MPa（高壓）之間；同溫度條件下，置換率（240 h）隨著初始壓力的增大而減小；同初始壓力條件下，置換率（240 h）隨著溫度的升高而增大。其中，0.5 MPa 初始低壓240 h 甲烷置換率均高于3.0 MPa 初始高壓，表明在低孔隙壓力環境中，注熱（水）滲吸置換吸附甲烷的效果優于直接在高壓儲層中注熱（水），不宜直接在高壓儲層中開展注熱（水）工作，可等儲層抽采至后期出現低壓瓦斯驅動力不足時，再開展注熱增產工作，進一步提高瓦斯抽采量，降低煤層瓦斯含量。

圖4 不同溫壓下滲吸240 h 甲烷置換率隨溫度變化Fig.4 Methane replace rate variation with temperature after imbibition for 240 h

3 不同溫壓環境下滲吸常數λ 分析

柱狀原煤含有煤體原始的裂隙和孔隙，多孔基質在水驅環境下的毛細管力對裂隙中水滲吸過程中形成氣水兩相流，自吸輸運過程中常應用Aronofsky提出的雙重孔隙介質指數驅替模型[18]來分析油氣產能，如式（3）：

式中：α 為滲吸至某時刻的置換率，g；Qt為采氣量，cm3/g；Qc為初始含氣量，cm3/g；λ 為滲吸常數；t為滲吸時間，h。

采用雙重孔隙介質指數模型對滲吸實驗置換率數據進行擬合計算，考察滲吸常數λ 的變化規律，各實驗條件下的滲吸常數λ 值見表2。

由表2 可知：同初始壓力條件下，滲吸常數隨溫度的升高而增大；同溫度條件下，滲吸常數隨初始壓力的增大而減小；當實驗溫度由20 ℃增大至80 ℃時，0.5 MPa（低壓）、3.0 MPa（高壓）初始壓力下的滲吸常數λ 分別由1.071 5×10-2、0.987 4×10-2增大至7.482 9×10-2、5.961 2×10-2，分別增大了5.98、5.04倍，溫度的升高可以顯著提高水分滲吸置換吸附態甲烷的能力；但同溫度下，0.5 MPa 初始壓力下的滲吸常數為4 個實驗壓力條件下的最大值，3.0 MPa的滲吸常數λ 為最小值；表明在低孔隙壓力條件下，高溫可以更顯著提高煤體滲透率，高壓在一定程度上抑制了水分滲吸置換甲烷的效率。

表2 不同溫壓條件下滲吸常數λTable 2 The imbibition λ under different temperatures and pressures

4 結 論

1）0.5～3.0 MPa 初始實驗壓力條件下，20 ℃常溫下滲吸置換率（240 h）為12.5%～21.9%，當溫度升高至80℃，滲吸置換率（240 h） 增大至31.4%～57.2%，最大提高了1.6 倍，高溫可顯著提高水分滲吸置換吸附甲烷的效率。

2）同初始壓力條件下甲烷置換率（240 h）及滲吸常數均隨著實驗溫度的升高而增大，同溫度實驗條件下甲烷置換率（240 h）及滲吸常數則隨著初始壓力的增大而減小，低壓環境水分滲吸置換甲烷的效率更高，高壓會抑制滲吸置換的效率。

3）低壓-高溫環境下滲吸置換甲烷效率更高，因此不宜直接在高壓儲層中開展注熱（水）工作，應首先對儲層進行負壓抽采，待抽采至后期出現低壓瓦斯驅動力不足時，再開展注熱（水）增產工作，可進一步降低煤層瓦斯含量，克服無煙煤煤層瓦斯抽采至后期，抽采難度大，抽采難達標的問題。