高壓注入和等壓擴散條件下N2置換煤中CH4的研究*

楊宏民，劉 媛，呂寶艷

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000;2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454000;3.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;4.洛南縣應急管理局,陜西 洛南 726100)

0 引言

煤層氣作為1種高效清潔能源也是煤礦生產最大的安全隱患，進行有效瓦斯抽采一直是煤礦安全生產的重點。受CO2,N2等氣驅增采石油[1]的啟發，我國在晉城成功進行了地面注CO2提高煤層氣采收率的試驗[2-3]，促抽瓦斯效果顯著提升，注氣置換煤層瓦斯成為我國低透性煤層開采的1項新技術。許多學者在此方面進行了研究：注氣置換煤層CH4的效應[4]、不同注源氣體的差異[5]、注氣的有效影響半徑[6-7]、注氣的壓力[8-10]對注氣置換的影響及注氣的作用機理[11-13]。大量的研究使得注氣置換煤層瓦斯技術在煤層氣開發和井下安全開采方面得到推廣應用。

楊宏民等[14]進行了對煤層注He，N2和CO2的模擬實驗，結果表明氣體吸附性能是造成突破時間差異的主要因素；夏會輝等[15]分析發現注CO2置換煤層瓦斯效果優于注N2，但注CO2危險性更大，注氣置換優選N2。但目前對用強吸附性氣體CO2置換CH4的研究成果較多，對弱吸附性氣體N2置換CH4的研究較少，理論不足；周西華等[16]分析認為置換效率與注氣的壓強、溫度、含水率有關；目前大多數試驗均采用的高壓注入式，而實際上注氣置換存在高壓注入和等壓擴散2種方法[17]，對于使用不同注氣方法對置換效率的影響及2種條件下N2置換煤中CH4的機理研究甚少，尚不明晰。

基于此，本文利用自行搭建的試驗平臺，對在保證弱吸附氣體N2充入量相同的情況下，采用2種不同的試驗方法：等壓擴散和高壓注入，對N2置換煤中CH4效應的差異和規律進行研究、對比，進一步揭示在2種不同注氣方法下注N2置換煤中CH4的機理，尋求最佳注N2方式，提高煤層瓦斯置換效率和N2的利用率，為井下注N2促抽瓦斯技術的工程化應用和推廣提供科學性依據。

1 試驗條件和試驗方法

試驗煤樣采自位于沁水盆地東南部的山西永紅3號煤層的無煙煤，煤樣水分1.60 %，灰分16.50 %，揮發分7.50 %，視相對密度1.45 g/cm3，真相對密度1.52 g/cm3，孔隙率5.99 %。粒度為60～80 目(250～180 mm)的顆粒粉煤，為去除水分對試驗的影響，采用干燥煤樣，遵循高壓容量法的相關要求，將所制備的煤樣放置入溫度為105 ℃的干燥箱中，并將其干燥7 h以上，隨后冷卻備用。將冷卻后的煤樣準確稱量并裝至煤樣室中，煤樣室恒溫30 ℃。煤樣的質量為每罐200 g，共3個煤樣罐同時試驗。

1.1 試驗設備

含瓦斯煤多元氣體置換試驗裝置，是在河南理工大學楊宏民科研團隊自行搭建的設備上進行的，該設備采用雙氣室煤樣罐，1個氣室作為煤樣室裝載煤樣，并充入CH4吸附平衡，1個氣室作為置換氣室可充入置換源氣體，并保持與煤樣吸附平衡壓力相同，2個氣室之間通過電磁球閥控制，實現等壓擴散置換；置換氣室內設計有活塞，并采用伺服計量泵控制活塞，可實現置換氣室容積可調。僅使用煤樣室一側氣室，可實現高壓注入的置換試驗，這樣在同1臺設備上可實現高壓注入和等壓擴散的對比試驗。

該裝置主要由高壓供氣系統、恒溫吸附解吸系統、氣體組分分析系統、抽真空系統、數據采集系統等5部分構成，且試驗裝置的安全性滿足試驗要求。該試驗裝置原理如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental setup diagram

1.2 試驗中的相關參數計算

在正式開展試驗之前，采用PVT法對煤樣室、置換氣室及管路體積進行準確標定。測得CH4,N2活塞容器罐的體積為：507.9，462.9 cm3；氣體吸附量用充入煤樣室氣體的體積V1減去吸附平衡后煤樣室游離氣體的體積V2計算[18]。解吸量由吸附平衡前后甲烷吸附量的差值表示。解吸率為CH4總解吸量與置換前煤中吸附CH4總量的比例。注置比為CH4總解吸量與注入置換源氣體量的比例。涉及到的公式如式(1)～(5)：

(1)

(2)

ΔQ=Qx0-Qx1

(3)

(4)

(5)

式中：P1，P2為注氣前后活塞容器罐內的絕對壓力，MPa；Z1,Z2為在P1,P2時氣體的壓縮因子；Vr為CH4,N2活塞容器罐的體積，cm3；Vp為公用管路的體積，cm3;t0為所處實驗室溫度，℃；Vs為煤樣室內剩余體積，cm3；P為吸附平衡時煤樣室內絕對壓力，MPa；Z為在壓力P下煤樣室內游離氣體的壓縮因子；ΔQ為CH4解吸量，cm3/g；Qx0，Qx1為平衡前后CH4吸附量，cm3/g；η為解吸率；R為注置比。

1.3 試驗步驟

1)檢查試驗裝置的密封性，將煤樣裝入煤樣室，并對整個試驗系統抽真空(P<10 Pa)。

2)在溫度為30 ℃(恒溫)條件下，首先向煤樣室充入CH4，使之分別平衡在所設定的目標壓力(CH4預吸附平衡壓力)。

3)待煤中CH4吸附平衡后，等壓擴散的進行如下操作：向置換氣室充入置換源氣體，使其壓力與煤樣室吸附平衡壓力相同。待2個氣室壓力穩定并保持相等后，打開2個氣室中間的電磁球閥，使其在等壓條件下進行擴散，同時記錄擴散過程中的氣體壓力變化。待2個氣室氣體相互擴散后壓力逐漸趨于平衡(其壓力在24 h內變化不超過0.01 MPa，即視為擴散吸附平衡)后，采集氣室內的游離混合氣體進行色譜分析，記錄分析結果。高壓注入則直接利用活塞泵向煤樣室中注入和等壓擴散相同的N2氣量，并記錄擴散平衡前后罐中壓力、室內溫度及大氣壓。

4)2種方式下待氣體重新吸附平衡后，對氣室中的游離氣體進行色譜分析，計算各氣體組分濃度和占比。

2 試驗結果與分析

2.1 置換量和置換效率

本文置換效率定義為CH4置換量與注入N2量的比值。用置換量直觀地描述注N2置換煤中CH4量的多少，用置換效率描述注N2置換煤中CH4的置換效果。此外需要說明的是：在注氣過程中，既有驅替作用又有置換作用，但在不同的階段，不同部位及不同條件下，驅替與置換所占的主導地位不一樣，2種作用存在協同和動態轉化機制，但目前該機制仍不清楚，本文重點研究置換作用的影響規律。

在等壓擴散和高壓注入2種條件下，0.53，0.75，1.30，1.602，2.005，2.50 MPa預吸附平衡壓力下的注N2量和CH4置換量見表1，變化規律如圖2所示。置換效率如圖3所示。

表1 2種試驗條件下的置換量Table 1 Displacement quantities under two experimental conditions

圖2 等壓擴散和高壓注入條件下CH4的置換量Fig.2 Displacement of CH4 under constant pressure diffusion and high pressure injection

圖3 等壓擴散和高壓注入條件下CH4置換效率Fig.3 Efficiency of CH4 displacement volume under constant pressure diffusion and high pressure injection conditions

由圖2可看出，在等壓擴散下，CH4置換量隨著注N2量的增大而增大，在高壓注入下，存在變化拐點7.968 cm3/g，在7.968 cm3/g之前，CH4置換量隨著注N2量的增大而增大，在7.968 cm3/g之后，隨著注入N2量的增大，CH4置換量減小；在注入N2量相同的情況下，等壓擴散下CH4的置換量均大于高壓注入下的置換量。由圖3可看出，在注入等量N2時，等壓擴散置換效率始終高于高壓注入，且隨著注N2量的增加，2種條件下置換效率均有不同程度的下降，存在1個最佳注N2量會使置換CH4的效率最佳。在等壓擴散條件下N2對煤中CH4的置換效率先下降后基本在21.32 %水平浮動；而在高壓注入條件下，N2對煤中CH4的置換效率隨注N2量的增加而減小。

分析原因：根據道爾頓分壓定律，PV=nRT，R為常數，T在本試驗中為定值，注氣前后CH4的摩爾數不變，在等壓擴散過程中，由于擴散前后CH4的體積改變，擴散后體積增大，導致擴散的CH4的分壓減小；在高壓注入過程中，注氣前后體積不變，因此，CH4的分壓不變。同時，從分子運動的角度出發，CH4在系統中的吸附平衡屬于動態平衡，且是不飽和吸附狀態，煤體中仍存在許多的吸附空位，N2的注入打破了CH4的動態吸附平衡狀態，且占據少量的吸附空位。

試驗結果表明：在等壓擴散和高壓注入2種試驗條件下，注N2量相等時，等壓擴散置換量始終優于高壓注入的，且隨著N2注入量的增大，這種優勢更為明顯，但隨著N2注入量的增大，置換CH4效率變差，存在最佳注N2量，使得置換CH4效率達到最優，啟示工程應用中應合理注入N2，使效率達到最大化。

2.2 置換前后壓力的變化

2種試驗條件下，置換前后總壓的變化規律如圖4所示。對試驗后的氣體進行游離相組分分析，結果如圖5所示。

圖4 等壓擴散和高壓注入條件下壓力變化Fig.4 Pressure variation under constant pressure diffusion and high pressure injection conditions

圖5 等壓擴散和高壓注入下游離相氣體體積分數Fig.5 Volume fraction of free phase gas under constant pressure diffusion and high pressure injection

由圖4可看出，高壓注入前后，系統的總壓不斷增大，最高增幅可達58.5 %，等壓擴散前后系統總壓小幅度增長，最大增幅不超過19.8 %。由圖5可知，等壓擴散游離相中CH4的體積分數大于N2體積分數，是由于CH4分壓的降低導致其大量解吸，游離相中CH4體積分數隨CH4預吸附平衡壓力的升高而降低，N2體積分數則逐漸升高；高壓注入游離相中N2體積分數大于CH4的體積分數，由于CH4的分壓不變，解吸量較小，N2體積分數呈上升趨勢，CH4體積分數呈下降趨勢。總之，在2種試驗條件下，N2的進入都可以置換煤中吸附的CH4氣體。

2種試驗條件的主要區別在于系統總壓或分壓的變化特征不同。在等壓擴散的條件下，系統自由空間總體積增加，2種氣體的分壓下降，導致煤中CH4解吸。當系統的總吸附量小于總解吸量時，表現為自用空間壓力上升，否則表現為壓力下降。在高壓注入實驗條件下，由于系統自由空間總體積不變，氣體注入導致總壓大幅度上升，置換氣體和系統總壓的變化導致煤中CH4的解吸。

分析認為：在2種條件下，隨著煤吸附CH4平衡壓力(相當于煤層瓦斯壓力)越大，N2能夠置換出的CH4量越小，即置換難度隨煤層瓦斯壓力的增大而增大。且在實際工程實踐中，等壓擴散的工藝技術難度較大，高壓注入的工藝技術簡單易行，但過高的注氣壓力可能成為引發瓦斯突出的誘導因素，因此，為保證礦井安全生產應選擇低壓注氣。

2.3 2種條件下CH4的解吸率和N2的注置比

2種條件下，注N2置換前后CH4的解吸率和N2注置比規律如圖6，7所示。

圖6 等壓擴散和高壓注入下CH4解吸率Fig.6 Desorption rate of CH4 under constant pressure diffusion and high pressure injection

圖7 等壓擴散和高壓注入下N2注置比Fig.7 N2 injection ratio under constant pressure diffusion and high pressure injection

由圖6和圖7可知：在等壓擴散條件下，CH4解吸率隨著注N2量的增加從8.45%增長至13.51%，增幅達5.06%。而N2注置比從0.33降至0.18，降幅為0.15；在高壓注入的情況下：隨著注N2量的增加，對于CH4解吸率：7.968 cm3/g之前快速增加，在7.968 cm3/g之后驟降，降幅最大值為2.94%。N2注置比從0.08降至0.01，降幅為0.07。

通過2種試驗結果對比分析認為：在高壓注入的條件下，雖然N2注入量逐漸增大，但CH4的解吸率和N2的注置比卻表現出減小的總規律，即CH4的置換率和N2的利用率均降低。這是因為N2注入量增大是隨CH4吸附平衡壓力增加而被動增大的。試驗結果對現場實踐的啟示意義是：隨著煤層瓦斯壓力的增加，注氣置換效率和注源氣體的利用均下降，即注氣置換難度增大。在等壓擴散的條件下，N2的注置比與高壓注氣表現出相似的變化規律，而CH4的解吸率卻表現出與高壓注氣完全相反的增加規律。分析認為等壓擴散的置換率不僅與氣體置換效應有關，還與CH4分壓大幅度降低有關，而且后者可能還起到了至關重要的作用，總變化趨勢是二者共同作用的結果。

對比2種試驗結果，在注N2量相同情況下，等壓擴散下CH4的解吸率和N2的注置比均高于高壓注入，對注N2置換煤中CH4來說，采用等壓擴散的置換效果更好，對N2的利用率更高。

3 結論

1)在注N2量相同的情況下，等壓擴散置換量始終高于高壓注入的置換量，隨著N2注入量的增大，等壓擴散下的置換量不斷增加，這種優勢更為明顯。

2)等壓擴散下，N2置換煤中CH4的主要原因是CH4分壓降低和氣體競爭吸附；高壓注入下系統總壓顯著增大，CH4分壓不變，N2置換煤中CH4的主要原因是游離相中總壓上升和氣體的競爭吸附。

3)當注N2量相同時，等壓擴散下CH4的解吸率和N2注置比均高于高壓注入，采用N2置換煤中CH4時采用等壓擴散的方法N2利用率更高，置換效果更好。