無煙煤各向異性吸附膨脹動態響應實驗研究

趙楷棣，傅雪海

（1.平頂山天安煤業股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467099；2.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

煤層中注入CO2既可以實現碳封存又可以提高煤層氣的抽采率，具有環境和能源方面的雙重優勢[1]，是碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術的重要方向[2]，也是我國碳達峰碳中和目標實現的有效途徑之一[3]。近20 年來，我國在CO2驅替煤層氣（CO2-ECBM）方面開展了大量的研究工作，也在沁水盆地和鄂爾多斯地區進行了系列現場先導性試驗[4]。CO2注入煤層后吸附于煤基質孔隙中，可誘發煤基質膨脹變形[5]。煤基質膨脹可壓縮煤層中存在的裂隙，造成裂隙變窄、甚至閉合，直接導致煤層滲透率顯著降低[6-7]，這是造成現場試驗中CO2可注性衰減的首要原因。對此，前人開展了大量關于注CO2煤巖膨脹變形的研究工作，主要關注煤階、CO2壓力、含水量和地應力的影響。Reucroft 和Sethurman 研究了褐煤、亞煙煤和煙煤的CO2吸附膨脹變形，發現煤巖吸附膨脹應變和碳含量成反比[8]；Hol 和Spiers 認為在20 MPa之內，CO2注入壓力的增大顯著提高煤巖的膨脹應變[9]；Kiyama 等對比干燥和飽水煤巖中注CO2的膨脹應變，發現水分減少了煤對CO2的吸附，降低了煤吸附膨脹[10]；Majewska 等發現受限條件下煤巖吸附膨脹降低，證實地應力對膨脹變形具有負效應[11]。另外，部分學者也關注了煤巖吸附CO2的各向異性變形特征，認為垂直層理方向煤巖變形量要大于平行層理方向[12]。盡管前人已開展大量研究，但是對于煤巖三向各向異性膨脹變形及各向異性變形機理認識不足。因此，以采自沁水盆地無煙煤為研究對象，采用立方煤樣開展煤巖CO2吸附量及各向異性膨脹應變實驗研究，探索注CO2過程中各向異性膨脹規律，闡明吸附量和各向異性膨脹變形之間的關系，目的是揭示煤巖注入CO2各向異性膨脹變形機理。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和裝置

沁水盆地是國內首個成功商業化開發的煤層氣盆地，也是CO2-ECBM 先導性試驗基地。研究選取沁水盆地南部3#煤層作為研究對象。首先識別出所采集的大塊煤樣的層理、端割理和面割理；然后，沿著層理、端割理和面割理方向將煤塊切割，制作成3 cm×3 cm×3 cm 的立方煤樣，樣品表面用砂紙打磨光滑。

實驗采用煤巖吸附量及膨脹變形測試裝置。裝置主要有氣體注入系統、樣品室、應變監測系統和真空泵組成。其中，氣體注入系統包括CO2和He 氣瓶、增壓泵、參考缸、壓力傳感器、電熱偶和調壓閥等，可以為實驗提供特定溫度和壓力的氣體。樣品室用于儲存煤樣，是開展氣體吸附及變形監測的場所。應變監測系統包括DH-3818 靜態應變測試儀和計算機，用于測量和記錄煤巖的應變量。真空泵用于給整個裝置抽真空，去除裝置內的空氣。煤巖吸附量及膨脹變形測試裝置如圖1。

圖1 煤巖吸附量及膨脹變形測試裝置Fig.1 Test device for adsorption capacity and swelling deformation of coal-rock

實驗裝置最大允許壓力為60 MPa，最大允許溫度為90 ℃。壓力和溫度的精度分別為±0.01 MPa和±0.01 ℃。參考缸和樣品室的容積均為2 000 mL。

1.2 實驗過程及計算方法

為研究CO2注入過程中煤巖的吸附及變形特征，吸附量測試采用體積法，實驗前分別采用He 標定自由空間體積，再通過計算得到樣品的吸附量。依據氣體質量守恒可得和理想氣體狀態方程可得：

式中：△nr、ne、nf分別為參考缸減少的氣體量、過剩吸附量和自由空間內氣體量，mmol/g；△pr為參考缸壓力變化值，MPa；Vr為參考缸體積，mL；ZCO2為CO2的氣體壓縮因子，無量綱；R 為理想氣體常數，取8.314 J/（mol·K）；T 為溫度，K。

式中：ρg、ρa分別為氣體自由相和吸附相密度，cm3/g。

實驗溫度為40 ℃，CO2注入壓力分別為1、3、5、7、9、11 MPa。通過應變片監測注CO2煤巖動態變形過程，將應變片沿著平行面割理方向和平行端割理方向和垂直層理方向進行粘貼。同樣，注CO2煤巖的變形包括吸附變形和應力改變引起的變形，實驗前，在同樣條件下注He 監測煤巖變形，通過對比注CO2和注He 煤巖的應變，獲得CO2吸附膨脹應變。

煤巖體積應變可由不同方向上的應變計算得到。假定lx、ly和lz分別代表端割理、面割理和層理的寬度，則△lx、△ly和△lz分別代表平行面割理方向、平行端割理方向和垂直層理方向煤巖的變形量，則煤巖的體積應變εV為：

式中：εx、εy、εz分別為平行面割理方向、平行端割理方向、垂直層理方向煤巖應變量，無量綱。

2 實驗結果

研究煤樣的鏡質組最大反射率Ro,max為2.63%，屬于無煙煤。其中鏡質組含量為78.65%，惰質組含量為17.52%，殼質組含量為0.25%，另外還含有3.58%的礦物質。工業分析結果顯示，煤樣中水分含量為0.48%，灰分產率為5.95%，揮發份產率為25.63%，固定碳含量為67.94%。

煤巖吸附量隨時間的變化過程如圖2。隨著注入時間的延長，煤巖的吸附量呈現“快速增長-緩慢增長-吸附平衡”的演化趨勢。CO2注入時間在10 h之前，吸附量快速增大，可達最大吸附量的75%以上；當CO2注入時間從10 h 到20 h 過程中，CO2吸附量緩慢增長；在CO2注入時間大于20 h 之后，吸附量幾乎不變，達到吸附平衡狀態。另外，CO2累積吸附量隨著CO2注入壓力的增大而增大，從1、3、5、7、9 MPa 到11 MPa，最大吸附量從16.39、23.63、32.32、35.24、38.08 cm3/g 增加到39.97 cm3/g，證實提高CO2注入壓力可顯著增加煤巖對CO2的吸附量。

圖2 煤巖吸附量隨時間的變化過程Fig.2 Variation process of adsorption capacity of coal-rock with CO2 injection time

煤巖應變隨時間的變化過程如圖3。注CO2煤巖體積應變呈現階段性變化特征，在注入10 h 后，煤巖體積變形趨于穩定。注入CO2后煤巖首先受到體積壓縮，此后，CO2氣體進入煤巖內部，煤巖所受的有效應力降低，體積壓縮恢復、并出現膨脹現象，當CO2分子通過滲流、擴散吸附于煤巖孔隙中后，引起基質膨脹，體積應變急劇增大，當達到吸附平衡后，煤巖體積變形區趨于定。

圖3 煤巖應變隨時間的變化過程Fig.3 Variation process of strain of coal-rock with CO2 injection time

3 分析與討論

3.1 煤巖CO2 吸附能力

實驗實測的CO2吸附量是過剩吸附量，在CO2高壓階段，CO2過剩吸附量出現降低的趨勢，與前人研究相一致[13-14]。然而，過剩吸附量并不能反映煤巖的真實吸附能力。由式（3）可知，造成過剩吸附量和絕對吸附量差異的關鍵是ρg/ρa值的大小。隨著CO2注入壓力的增大，CO2的密度也急劇升高。當CO2壓力低于5 MPa 時，自由相密度和吸附相密度差異較大，ρg/ρa趨于0，故過剩吸附量和絕對吸附量接近；當CO2壓力高于5 MPa 時，自由相密度和吸附相密度差異不大，ρg/ρa的作用顯現，造成過剩吸附量明顯低于絕對吸附量，表現在過剩吸附量曲線急劇下降[15]。

CO2絕對吸附量和CO2注入壓力之間的變化關系可用Langmuir 方程來描述，不同CO2注入壓力下煤巖的吸附量如圖4，V 為吸附量，p 為CO2注入壓力，兩者具有較高的可比性，相關性系數R2為0.986。所得Langmuir 體積為48.14 cm3/g，Langmuir 壓力為2.48 MPa。

圖4 不同CO2 注入壓力下煤巖的吸附量Fig.4 Adsorption capacity of coal under different CO2 injection pressures

3.2 注CO2 煤巖各向異性吸附膨脹特征

煤巖吸附氣體之后可發生膨脹變形，且眾多學者均發現煤巖吸附膨脹呈現出各向異性的特征[16-19]。前人主要考慮垂直層理和平行層理方向應變，一般認為垂直層理方向煤巖吸附膨脹應變是平行層理方向的1～2 倍[20]。

煤巖各向異性吸附膨脹應變值見表1。研究發現注CO2后煤巖垂直層理方向應變最大（2 532.25×10-6～16 583.20×10-6），其次是平行面割理方向（1 825.36×10-6～7 253.32×10-6），而平行端割理方向應變最小（1 217.65×10-6～5 251.71×10-6）。垂直層理方向應變是平行面割理方向的2.08～3.16 倍，是平行端割理方向的1.39～2.29 倍；而平行面割理方向應變是平行端割理方向的1.23～1.50 倍。

表1 煤巖各向異性吸附膨脹應變值Table 1 Anisotropic adsorption swelling strain values of coal-rock

煤巖吸附CO2宏觀變形是由大量基質塊吸附膨脹的整體展示，因此煤巖各向異性膨脹變形和煤巖組分及不連續結構形式密切相關。

煤巖具有復雜的組分，致使基質吸附膨脹具有明顯的非均質性，鏡煤含量豐富的區域常具有較大的變形量[21]。此外，煤巖內大量發育層面裂隙和割理，面割理和端割理相互垂直，且均正交于層面裂隙。煤巖割理及層面裂隙展布示意圖如圖5[22]。

圖5 煤巖割理及層面裂隙展布示意圖Fig.5 Schematic of cleats and bedding plane fissures distribution in coal-rock

平行層理方向的滲透率要大于垂直方向[23]，故，注入CO2后，沿平行層理方向滲流并吸附于基質內的CO2分子更多，因此，表現在其垂向的膨脹變形更大。對于平行面割理和端割理方向，基質吸附膨脹首先壓縮割理的空間[18]，由于端割理數量少、尺寸小，端割理空間在基質膨脹后先被填滿，表現在平行面割理方向的膨脹應變大于平行端割理方向。

不同CO2注入壓力下煤巖吸附膨脹應變如圖6。隨著CO2注入壓力的增大，平行面割理方向應變、平行端割理方向應變、垂直層理應變和體積應變均呈現非線性變化。

圖6 不同CO2 注入壓力下煤巖吸附膨脹應變Fig.6 Adsorption swelling strain of coal-rock under different CO2 injection pressures

采用類Langmuir 模型擬合注入壓力和膨脹應變之間的關系：

式中：ε 為應變量，無量綱；p 為CO2注入壓力，MPa；a、b 為擬合參數。

煤巖各向異性吸附膨脹擬合結果見表2。相關系數R2在0.873～0.913 之間，可利用類Langmuir 模型預測不同注入壓力下煤巖的各向異性應變。

表2 煤巖各向異性吸附膨脹擬合結果Table 2 Fitting results of anisotropic adsorption swelling of coal-rock

3.3 煤巖CO2 吸附量和各向異性膨脹應變的關系

CO2吸附是導致煤巖膨脹變形的直接原因。煤巖絕對吸附量和吸附膨脹應變的關系如圖7。煤巖吸附膨脹隨著CO2絕對吸附量的增大而增大，呈現出非線性正相關的關系。

圖7 煤巖絕對吸附量和吸附膨脹應變的關系Fig.7 Relationship between absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain of coal-rock

采用Slogistic 函數擬合所得結果，發現絕對吸附量和煤巖膨脹應變符合“S”型曲線變化關系，擬合公式如下：

式中：ε 為應變，無量綱；V 為絕對吸附量，cm3/g；c、d、k 為擬合參數。

絕對吸附量和吸附膨脹應變擬合結果見表3。

表3 絕對吸附量和吸附膨脹應變擬合結果Table 3 Fitting results of absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain

無論是平行面割理方向應變、平行端割理方向應變、垂直層理方向應變還是體積應變，擬合相關系數均大于0.9，因此Slogistic 函數可以很好地用來表征吸附量和膨脹變形之間的關系。

煤巖應變的“S”型曲線變化趨勢和其內部各向異性三維結構息息相關[22，24]。CO2主要吸附于煤基質塊的孔隙之中，由于基質塊之間存在大量的裂隙或割理，基質塊膨脹之后首先擠壓原生裂隙或割理，即發生內部膨脹，而應變片監測的是外部膨脹，因此，在CO2吸附量較小時，吸附量對膨脹應變影響不大。當基質膨脹擠壓裂隙或割理空間到一定程度后，基質膨脹主要表現在外部膨脹，故膨脹應變隨吸附量急劇增大。隨著吸附量繼續增大，內部膨脹應力促使裂隙或割理重新張開，外部膨脹變化較緩，當煤巖內部應力處于平衡狀態時，膨脹變形趨于穩定。

4 結 論

1）煤巖注入CO2后體積發生變形，體積應變隨時間呈現階段性變化關系，可分為增壓收縮階段、應力膨脹階段、吸附膨脹階段和變形穩定階段。CO2絕對吸附量和煤巖吸附膨脹應變與CO2注入壓力之間均可用Langmuir 型模型來表征。

2）煤巖吸附膨脹變形呈現明顯的各向異性特征，注CO2后煤巖垂直層理方向應變最大，其次是平行面割理方向，而平行端割理方向應變最小，這與煤巖割理和層理三維展布有關。

3）煤巖絕對吸附量和煤巖膨脹應變符合“S”型曲線變化關系，可用Slogistic 函數擬合。煤巖吸附CO2基質膨脹首先以內部膨脹為主，割理或裂隙遭受壓縮之后開始向外部膨脹，最終當煤巖內部應力狀態達到平衡后，煤巖膨脹變形趨于穩定。