CO2注氣壓力對CH4驅(qū)替特性影響實驗研究*

韓 光，付志豪，白 剛，周西華，韓明旭，王學鵬，楊洪濤

(1.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；3.遼寧工程技術(shù)大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

瓦斯賦存“高儲低滲”是我國煤層普遍存在的特征，研究表明煤體吸附CO2的能力大于吸附CH4的能力，煤體對CO2氣體的吸附量為CH4氣體的2～3倍，因此，利用CO2氣體置換驅(qū)替煤層內(nèi)部瓦斯對提高煤礦瓦斯抽采率，提高煤層中氣體滲流速度，降低煤層中瓦斯分壓，促進煤層中CH4解吸，起到促排瓦斯和消突的作用[1-4]。

國內(nèi)外很多學者對注氣驅(qū)替CH4增產(chǎn)機理做了研究，不斷優(yōu)化注氣置換驅(qū)替技術(shù)[5-7]。在抽采煤層甲烷的過程中，向CH4壓力較低的煤層注入CO2，可以增加煤層CH4的產(chǎn)出率[8-9]。同時，由于煤體中CO2的吸附性強于CH4，向煤層中注入CO2可以置換吸附CH4，不僅有利于煤層CH4的產(chǎn)出，還能夠在地質(zhì)上封存CO2，降低溫室效應[10-12]。楊宏民等[13-14]通過對不同注源氣體驅(qū)替CH4和高壓注入條件下CO2對煤中CH4置換效應實驗研究，得出結(jié)果表明注源氣體吸附性越強，突破時間越長，高壓注氣置換條件下，氣體間的競爭吸附是煤中CH4大量解吸的主要因素，多元氣體吸附造成CH4解吸占次要地位；唐書恒等[15]通過對二元氣體等溫吸附實驗研究，結(jié)果表明CO2在煤中的競爭吸附能力大于CH4；楊天鴻等[16]認為注CO2促抽CH4的機理主要為置換效應向驅(qū)替效應轉(zhuǎn)變的過程。

現(xiàn)階段對于注CO2驅(qū)替煤體CH4過程中煤層溫度變化等參數(shù)同時監(jiān)測研究較少。基于此，使用自主研發(fā)的驅(qū)替實驗系統(tǒng)，進行不同注氣壓力下的CO2驅(qū)替CH4實驗研究。準確記錄CO2驅(qū)替CH4過程中CH4解吸量、氣體濃度和煤層溫度變化等參數(shù)，以便于實驗后計算研究CO2驅(qū)替CH4實驗驅(qū)替效果和為現(xiàn)場應用提供理論基礎(chǔ)等。

1 實驗方法

1.1 煤樣采集與制備

實驗煤樣采自山西晉煤集團趙莊煤礦13122巷道新暴露的煤塊，煤階屬貧煤，瓦斯含量在14～18 m3/t，原始瓦斯壓力瓦斯抽采效率低，煤層埋深690 m。采樣的樣品用保鮮膜包裹送至實驗室，防止運送過程中煤樣氧化，利用煤粉碎機將其粉碎，篩選粒徑為60～80目(0.18～0.25 mm)的煤粉進行實驗。對實驗煤樣進行工業(yè)分析，其結(jié)果見表1。

表1 工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industrial analysis results %

1.2 實驗系統(tǒng)

CO2驅(qū)替CH4實驗系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：1)注氣系統(tǒng)：CH4氣體鋼瓶、CO2氣體鋼瓶、減壓閥、減壓罐、供氣管路；2)抽真空系統(tǒng)：真空泵、真空橡膠管、負壓表、防堵過濾瓶；3)置換驅(qū)替系統(tǒng)：煤樣吸附罐、安全閥等組成；4)溫度控制系統(tǒng)：加熱帶、恒溫控制器、加熱控制器；5)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：CH4傳感器、CO2傳感器、質(zhì)量流量計、無紙記錄儀；6)氣體吸收系統(tǒng)：吸收罐、NaOH溶液等,示意如圖1所示。

圖1 CO2驅(qū)替CH4實驗測試原理Fig.1 Experimental test schematic diagram of CO2 displacement for CH4

1.3 實驗流程

具體的實驗過程為：

1)稱取煤樣，均勻放入注氣實驗罐中壓實，檢查裝置氣密性，利用真空泵抽氣10 h進行脫氣。

2)將CH4高壓氣瓶與注氣管路連接，直至吸附罐內(nèi)煤樣吸附CH4氣體飽和。

3)打開CO2高壓氣瓶減壓閥，注CO2置換驅(qū)替CH4，并使用NaOH溶液吸收CO2。

4)記錄實驗所需數(shù)據(jù)，當出口處的質(zhì)量流量計顯示流量很小時，默認該組實驗結(jié)束。

5)改變實驗條件，重復操作實驗步驟1)～4)。實驗條件見表2。

表2 實驗條件Table 2 Experimental condition

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同注氣壓力解吸量結(jié)果分析

設(shè)置注CO2壓力分別為0.6，0.8，1.0 MPa，進行不同注氣壓力下的置換驅(qū)替實驗，得到CH4解吸量隨時間的變化趨勢如圖2所示，并記錄置換驅(qū)替過程中各參數(shù)及指標見表3。

圖2 不同注氣壓力對煤體置換驅(qū)替CH4解吸量變化趨勢Fig.2 Variationtrend of CH4 desorption by coal displacement under different gas injection pressure

表3 不同注氣壓力對煤體置換驅(qū)替實驗結(jié)果Table 3 Experimental results of displacement of coal with different gas injection pressures

由圖2可知，CO2置換驅(qū)替后的CH4解吸量隨注氣壓力的上升而增大。當注氣壓力一定時，解吸量隨時間的變化趨勢大概分為3個階段，分別為解吸量快速增長階段、緩慢增長階段、趨于平穩(wěn)階段；當CO2注入壓力越大時，解吸速率越大。具體表現(xiàn)為CH4的解吸量由90.2 L增長到94.1 L再增長到97.8 L，分別提高了1.9%和3.4%。在壓力較低區(qū)間內(nèi)，置換驅(qū)替后的CH4隨注入壓力的上升而提高。

由表3可知，煤層吸附CO2的量均大于吸附CH4的量，CO2氣體分子與吸附在煤樣中的CH4氣體分子的競爭吸附越充分，置換出的CH4量越多，相應的CO2吸附量越大。根據(jù)Langmuir方程可知：氣體吸附量隨絕對壓力的增大而增大，并且隨注入CO2的壓力增大，煤層中的CO2氣體封存量增加。相較于CO2注入壓力為0.6 MPa時的封存量，CO2注入壓力為0.8和1.0 MPa的CO2封存量分別上漲0.9%和1.4%。

為進一步分析不同注氣壓力下CO2置換驅(qū)替CH4的效果，引入置換效率、驅(qū)替比和單位質(zhì)量CO2封存量(見式(1)～(3))。比較不同注氣壓力下煤體的驅(qū)替效果。

(1)

(2)

(3)

根據(jù)公式計算得出不同注氣壓力下的置換效率、驅(qū)替比和煤中單位質(zhì)量CO2封存量見表3，隨CO2注入壓力的升高，置換效率由76.9%增加到80.2%再到82.9%，分別上漲4.3%和3.4%；驅(qū)替比由3.28降低到3.17再到3.09；單位煤中的CO2氣體封存量由19.73 mL/g增加到19.92 mL/g再到20.21 mL/g。在實驗過程中存在高低壓交替過程，導致煤體孔隙結(jié)構(gòu)受壓力影響，進一步地擴張或收縮，從而導致置換效率隨注氣壓力升高而增大的趨勢。多個指標分析表明在低壓范圍內(nèi)提高CO2注入壓力對CO2置換驅(qū)替煤層CH4效果更好。在0.6，0.8，1.0 MPa注氣壓力下注入CH4量相差較小，結(jié)果表明在低壓范圍內(nèi)，隨注氣壓力的增大，CO2置換驅(qū)替煤層中的CH4能力越強，所以增大CO2注氣壓力可提高CO2置換驅(qū)替煤層CH4的效果。

2.2 氣體濃度變化

氣體濃度與突破時間是評價CO2驅(qū)替性能的2個主要指標，CO2突破時間對衡量CO2注入時間，減少CO2使用量具有重要指導意義。為研究不同CO2注入壓力對突破時間的影響，在實驗過程中，同時監(jiān)測出口氣體濃度隨時間變化規(guī)律，如圖3和表4所示。

圖3 不同注CO2氣體壓力對煤體置換驅(qū)替CH4氣體濃度變化規(guī)律Fig.3 Variation of CH4 gas concentration in coal displacement under different CO2 injection pressure

表4 不同注氣壓力下CO2突破時間與注氣壓力關(guān)系Table 4 Relationship between CO2 breakthrough time and gas injection pressure at different gas injection pressures

由圖3和表4可知，CO2突破時間隨注氣壓力的提高而提前，注氣壓力為0.6 MPa時，實驗進行4 870 s后CH4濃度開始下降，CO2濃度開始上升，CO2開始突破。注氣壓力為0.8和1 MPa時，突破時間分別縮減到4 620和4 280 s，這表明CO2注入壓力越大，CO2穿透整個煤層的時間越短。各注氣壓力下的出口CH4和CO2濃度變化規(guī)律大致相同，在突破時間之前，出口CH4和CO2濃度不變，在突破時間之后CH4濃度快速下降，CO2濃度快速上升，最終趨于穩(wěn)定。根據(jù)氣體濃度變化特征，整個注氣期間可分為3個階段。

第1階段，出口檢測不到CO2氣體，即沒有到達CO2突破時間。這一階段的特點是隨著注CO2的時間不斷增加，而CH4濃度沒有變化，原因是CO2注入煤體后，一部分被吸附在煤基質(zhì)表面的空余吸附位，另一部分與孔隙中CH4發(fā)生置換解吸作用，促進CH4不斷解吸。這一階段表現(xiàn)為CO2置換效應起主導作用，促進CH4解吸。第2階段，出口可以檢測到CO2氣體，并且CO2濃度快速增加，CH4濃度快速減小，原因是不斷注入的CO2氣體一部分吸附在煤體中置換出煤中的CH4，起到置換作用，另一部分隨著氣流排出，起到驅(qū)替作用，這一階段是置換效應逐漸向驅(qū)替效應轉(zhuǎn)化的過程。第3階段，出口還能夠檢測到CO2氣體，此時CO2與CH4濃度已趨于穩(wěn)定，隨著CO2注氣時間的不斷增加，煤對CO2的吸附量接近飽和，這表明注入的CO2攜帶置換出的CH4流出吸附罐體外，所以這一階段是驅(qū)替效應起主導作用。

2.3 煤層溫度變化

為進一步探究注氣壓力對置換驅(qū)替過程的影響，從煤層溫度角度進一步分析。在不同注氣壓力下監(jiān)測煤體的溫度變化規(guī)律，分別設(shè)置3個測溫點T1，T2，T3。T1溫度監(jiān)測點在吸附罐體底部，距離進氣口最近；T2，T3溫度監(jiān)測點依次向上，分別位于罐體中間部位和頂部。本次以注氣壓力為0.8 MPa時和T1溫度監(jiān)測點的溫度變化為例，分析煤層溫度變化規(guī)律，溫度變化如圖4所示。

圖4 煤層中溫度變化規(guī)律Fig.4 Law of temperature change in coal seam

從圖4可知，隨著注氣時間的增加，煤層溫度整體升高。造成這一現(xiàn)象的原因是，在注氣過程中大量CO2氣體不斷注入吸附罐中，吸附罐中的氣體受溫度影響，溫度越高，解吸能力越強，越不利于吸附。吸附CO2為放熱過程，CH4解吸為吸熱過程，煤體吸附CO2占主導地位，放熱量大于吸熱量，從而導致煤層整體放出熱量，溫度升高。煤層溫度變化可分為3個階段：低速升溫階段、高速升溫階段、趨于穩(wěn)定階段。

第1階段，煤層溫度低速增加。由圖4(a)可知，在注氣壓力為0.8 MPa時,T1溫度監(jiān)測點溫度經(jīng)過230 s后增長速度開始加快，T2溫度監(jiān)測點溫度經(jīng)過1 675 s后增長速度開始加快，T3溫度監(jiān)測點溫度經(jīng)過3 115 s后增長速度開始加快。由圖4(b)可知，在注氣壓力為0.6 MPa時,T1溫度監(jiān)測點溫度經(jīng)過255 s后增長速度開始加快，在注氣壓力為1.0 MPa時,T1溫度監(jiān)測點溫度經(jīng)過175 s后增長速度開始加快。

第2階段，煤層溫度高速增加。注氣壓力為0.8 MPa時，T1溫度監(jiān)測點經(jīng)過6 175 s達到最高溫度39.3 ℃，溫度升高10.4 ℃；T2溫度監(jiān)測點經(jīng)過6 895 s達到最高溫度40.7 ℃，溫度升高11.5 ℃；T3溫度監(jiān)測點經(jīng)過7 975 s達到最高溫度40.7 ℃,溫度升高11.5 ℃。注氣壓力為0.6，1.0 MPa時，煤層溫度最高變化量分別為9.4 ℃，12.7 ℃。

第3階段,煤層溫度略有下降,但大體上趨于平緩。

經(jīng)以上分析可得出，隨著注氣壓力的不斷增大，每個階段所持續(xù)的時間都有不同程度的下降，每個監(jiān)測點的溫度變化都有不同程度的提升。由圖4(a)可知，相比于T1監(jiān)測點，T2和T3監(jiān)測點的低速升溫時間更長，原因為T3監(jiān)測點距離進氣口最遠，CO2氣體到達T3監(jiān)測點所需的時間最長，所以升溫較慢，表明CO2氣體在煤樣罐由下向上“逐層驅(qū)替”煤層中CH4氣體。

2.4 煤層滲透率變化

由于實驗過程中存在反復的抽氣-注氣過程，會導致煤體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導致煤體滲透率發(fā)生改變，式(4)為滲透率計算公式。

(4)

式中：K為滲透率，10～6 μm2；Q為流量，mm3·s-1；p0為大氣壓，0.1 MPa；μ為超臨界CO2黏度，μPa·s；L為試件尺寸，mm；A為試件橫截面積，mm2；p1為CO2進口絕對壓力,MPa；p2為CO2出口絕對壓力，MPa。

由圖5可知，同一注氣壓力條件下，滲透率均呈現(xiàn)先增大再減小的規(guī)律。實驗初期，壓力使CO2氣體驅(qū)動煤層中的CH4氣體滲流，由于注入的CO2氣體流量很大，壓力勢差的作用迅速增加，有利于CH4氣體的滲流，提高了滲透率。實驗中期，置換吸附-解吸作用增強，CO2氣體的吸附使煤基質(zhì)膨脹，CH4氣體解吸使煤基質(zhì)收縮，隨著吸附位上的CH4氣體解吸，吸附作用逐漸強于解吸作用，使裂隙通路逐漸變窄，不利于滲流，滲透率呈現(xiàn)了減小的趨勢。實驗后期，CO2氣體逐漸吸附平衡，孔隙內(nèi)的CO2氣體分子飽和，吸附罐內(nèi)的煤樣經(jīng)過逐段升溫之后，整體的溫度提高，熱應力抑制煤樣內(nèi)孔裂隙擴展，部分孔裂隙向內(nèi)閉合，孔隙的形變也達到了彈性形變的極限，對滲流的影響不大，滲透率趨于穩(wěn)定。

圖5 不同壓力下滲透率隨時間變化規(guī)律Fig.5 Variation of permeability with time under different pressures

3 結(jié)論

1)CO2注入壓力越大，CO2突破時間越短，CH4解吸量越大，突破時間分別為4 870，4 620，4 280 s，CH4解吸量分別為90.2，94.1，97.8 L。CO2封存量分別為296.0，298.8，303.1 L。

2)隨著注氣壓力的增加，置換效率逐漸增大，驅(qū)替比逐漸減小。注氣壓力分別為0.6，0.8，1.0 MPa時，注氣結(jié)束時置換效率為76.9%，80.2%和82.9%，驅(qū)替比為3.28，3.17和3.09。

3)注氣期間煤層溫度升高，注氣溫度為0.6，0.8，1.0 MPa時，監(jiān)測到煤層溫度最高變化量分別為9.4，11.5，12.7 ℃，煤層溫度變化可分為3個階段：低速升溫、高速升溫和趨于平緩階段。

4)同一注氣壓力下，煤層滲透率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，可分為緩慢增長、急劇下降和趨于穩(wěn)定階段。