煤层处置二氧化碳模拟实验研究

韩俊杰,梁卫国,张建功,张倍宁

(太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

韩俊杰,梁卫国,张建功,张倍宁

(太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下, 180 min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。

二氧化碳;煤层处置;储存率;置换驱替

CO2是主要温室气体,化石燃料的大量燃烧是其主要来源之一,其每年排放量高达到22×109t[1]。为了解决CO2对人类生存环境所带来的灾害,地质处置被公认为是解决温室气体环境影响问题的有效途径之一。研究表明,可用于CO2地质储存的主要场所有深部咸水含水层、废弃油气田、海洋深部和不可开采贫瘠煤层[2－5]。我国煤炭与煤层气资源丰富,或埋藏深或条件差的不可开采煤层占有相当比例。向煤层中注入CO2,不仅可以减少CO2的大气排放,还可以提高煤层中煤层气的采收率,即国际上应用较多的CO2－ECBM法。

有关CO2在煤层中储存的内容,国内外不少学者做了一定研究。吴世跃等[6]对在静态条件下向煤层注CO2和N2的效果进行了实验研究,并分析了注气增产煤层气机制;唐书恒等[7]对粉煤进行了注CO2驱替煤层CH4试验研究,利用扩展Langmuir方程得到注CO2可以提高煤层气的解吸率,并发现同等条件下,晋城煤的解吸率高于潞安煤;Liang等[8]通过对大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)原煤试件进行注CO2驱替煤层CH4实验研究,发现在一定条件下单位体积煤体中可以储存17.47～28.00体积的CO2; Yee和Stanton等[9－10]试验研究发现,不同煤阶煤层对CO2的吸附储存量是可达CH4的2～10倍;Busch等[11]对Silesian盆地的煤进行高压气体吸附实验,发现同等条件下煤体对CO2吸附能力始终高于对CH4的吸附,煤阶与含水量会影响煤对气体的吸附特性;S.Hol等[12]利用一种新技术,对超临界CO2在煤层中的吸附特性进行了研究,发现在40℃和0～16 MPa注入压力条件下,几乎全部CO2吸附于煤基质中,且吸附量与游离CO2的化学势密切相关。

笔者以沁水煤田大尺寸(100 mm×100 mm× 200 mm)原煤试样为研究对象,模拟进行了原煤真实地应力条件下煤层对CO2的吸附性、CO2在含CH4煤中的置换驱替试验,研究了CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,为今后CO2煤层地质处置与煤层CH4置换驱替提供一定参考依据。

1 样品与实验

1.1 试样制备

煤样取自沁水煤田潞安五阳煤矿3号煤层。煤质属于变质程度较高的贫瘦煤,水分为0.80%,灰分为14.92%,发热量为30.71 MJ/kg。由最新测量数据知,该煤层瓦斯相对涌出量为13.81 t/m3,平均瓦斯含量14.91 cm3/g,视密度为1.37～1.43 t/m3,孔隙率为2.84%～3.38%,煤的坚固性系数为0.46～0.55。

现场切割采集大块煤样后,精心包裹运输至实验室。在实验室内,为减小对煤体原始结构的损伤破坏,采用手工磨制加工方式,将原煤样加工成100 mm×100 mm×200 mm的长方体大尺寸试件(图1)。考虑到向煤体注入或采出气体的主要流动方向为沿原煤层赋存水平层理方向,将煤层层理方向加工成试件高度方向。在实验中,注入与产出气体的流动方向沿高度方向由下向上进行,类似于煤层中水平层理方向的流动。为防止实验过程中气体从试件侧面渗流溢出,在实验前将试件高度方向的4个侧面进行了蜡封处理,保障气体沿层理向流动。本次实验共加工了3块试件,其中1号试件用于CO2吸附特性研究,2号与3号试件用于CO2在含甲烷煤中的置换驱替CH4研究。

图1 加工好的煤样(100 mm×100 mm×200 mm)Fig.1 The prepared coal specimen (100 mm×100 mm×200 mm)

1.2 试验装置

本试验所使用的设备是实验室自行研制的三轴渗透驱替试验装置,该装置可以模拟不同压力条件下,不同岩样与煤样中流体的渗透和吸附特性。试件所受的轴压由系统油缸提供,围压通过气体并借助手动泵来加载,渗透压通过手动控制气源来实现。气体注气量通过气瓶高精度压力表换算获得,出口处连有流量计和气体分析仪,用于测量气体产出量、产出气体成分及含量。试验系统如图2所示。

1.3 实验方法

实验用的CO2和CH4气体浓度均为99.99%,轴压、围压均以0.5 MPa的梯度交替加载,直至应力接近于真实煤层压力(围压=轴压=8 MPa),实验温度始终为室温。

图2 试验系统示意Fig.2 Sketch of experimental equipment

在一定的围岩条件下,渗透压对岩体渗透性有较大影响。为防止渗透压过大对煤体自身结构的影响,同时为保障试验过程中煤体对CO2的充分吸附,本次试验选择0.5 MPa和1.0 MPa两种渗透压力条件进行试验。分别对CO2在煤中的吸附特性,以及在CO2对含CH4煤中CH4的驱替特性进行试验。关于不同应力下CO2在煤体中的渗透特性,文献[13－15]已有报道,这里不再重复。

对1号试件,进行了0.5 MPa注入压力下的CO2吸附特性试验,具体实验步骤:①将处理好的煤样放置在三轴渗流装置内,根据实验设计连接好各系统,然后进行密封和气密性检查;②对系统包括试件进行抽真空处理;③对试件进行加载,轴压、围压交替加载到8 MPa,接近于原煤样所处煤层真实地层压力;④当压力稳定后,以0.5 MPa的渗透压注入气体进行吸附特性实验。持续注入180 min,连续记录其注入量和出口流量。

对2号和3号试件,分别进行0.5,1.0 MPa注入压力条件下的CO2驱替CH4试验,具体步骤:①前3步与上述吸附特性实验相同;②关闭出气口,以设定压力(0.5 MPa)持续24 h注入CH4,记录注入量,使煤体达到一定的CH4含量;③关闭注气口,使CH4在煤体中充分吸附后再打开出气口,收集并测量分析自由释放气体;④打开注气口,以设定的压力持续注入CO2气体180 min,记录注气量和产出量并进行成分分析。

2 实验结果及分析

2.1 煤体对CO2的吸附储存特性

2.1.1 煤对CO2的吸附作用

为了表征CO2在煤层中的储存效果,笔者定义CO2储存率为:注入过程完成后,煤体中CO2的残留量(包括吸附态与游离态)占CO2注入总量的百分比。在180 min的持续注入条件下,CO2注入总量为66.31 L,产出55.28 L,因此,煤体吸附量为11.03 L,储存率为16.63%。实验过程中,前90 min CO2在煤体中的储存量快速增加,之后煤体对CO2的储量增速随时间逐渐变缓(图3(a))。

图3 CO2储存量和渗透率随时间的变化曲线Fig.3 Curves of CO2storage and CO2permeability with time

2.1.2 储存量与渗透率的关系

根据达西定律,煤对CO2的渗透率通过式(1)[8]进行计算,即

式中,K为渗透率,10－15m2;Q为气体流量,cm3/s;μ为气体动力黏度,CH4的动力黏度为10.87 μPa·s, CO2的动力黏度为70 μPa·s;L为试件高度,cm;P1为进口压力,Pa;P2为出口压力,Pa;ρ为气体密度,g/cm3;A为试件截面积,cm2。

在注入储存过程中,利用式(1)对CO2的渗透率进行计算,发现渗透率逐渐降低,从开始的0.018× 10－15m2降到最后的0.010 2×10－15m2,降了13.56% (图3(b))。随着气体的不断注入与输出,煤体中储存的CO2量逐渐增大,因此其渗透率的降低可以推测是由于煤体吸附膨胀效应所致。

图4为煤体对CO2渗透率与其CO2储存量的关系。随着煤体内储存(主要为吸附态)气体量的增多,煤基质表面张力下降,表现为煤基质的吸附膨胀变形[16],内部孔裂隙相互挤压,导致孔隙率降低;同时由于吸附气体,煤体孔裂隙通道吸附层增厚,渗流通道面积减小,从而导致煤体渗透率降低。随着吸附量的增加,吸附引起的膨胀变形与外部应力引起的煤体挤压变形达到平衡,孔裂隙内吸附气体达到上限,表现为后期渗透率下降并逐渐趋于平缓,这与覃世福等[17]对ϕ50 mm×100 mm试件进行的关于吸附作用对原煤渗透率影响的试验规律相一致。

图4 CO2渗透率与储存量关系曲线Fig.4 Relationship between CO2permeability and storage

2.2 CO2在含CH4煤中的置换驱替特性

向煤体试样中注入CH4,并稳定一段时间,令其在煤体中充分吸附。经测试,2号与3号两块煤样分别吸附CH4量达41 056.8 mL和41 715.2 mL。两块煤样实验前所测质量分别为2 820.1g和2 891.3 g,因此,吸附CH4后测试煤体单位质量的CH4含量分别为14.56 cm3/g和14.43 cm3/g,这与煤样所取煤层的平均瓦斯含量14.93 cm3/g非常相近。

在相同的约束应力条件下,对两个试件的气体注入压力分别为0.5 MPa和1.0 MPa时,2号试件吸附CO2量为17.57 L,解吸CH4量7.61 L;3号试件吸附CO2量33.91 L,解吸CH4量8.99 L。因此,CO2的储存率分别为29.14%和42.64%。在这两组驱替实验中,注入CO2对原煤中CH4气体的置换比(CO2的吸附量/CH4的解吸量)分别为2.13和3.77,具体吸附解吸参数值见表1。

表1 CO2在含甲烷煤中的驱替实验结果Table 1 Results of replacement of CH4by CO2

从表1看出,在其他条件不变的情况下,CO2注入压力由0.5 MPa(2号试件)提高到1.0 MPa(3号试件),相同时间下CO2吸附量提高了93.00%、CO2储存率提高了13.50%、CH4解吸量提高了18.13%、驱替置换比提高了63.20%,表明在一定范围内,CO2注入压力对CO2在含甲烷煤中的储存和驱替效果有显著影响。分析其原因,主要为注入压力升高,单位时间流速、流量随之升高,CO2气体将更快速广泛地分布于煤体内的孔裂隙,与更多的CH4发生竞争吸附;另外,由于流速的提高,CO2气体会更快速地首先剥离附着在大孔裂隙通道中的CH4,从而有更多时间与微孔裂隙中的CH4产生竞争吸附,导致存储量和驱替效果上升。这与Masaji Fujioka等[18]在日本Ishikari盆地CO2煤层储存现场试验可相互印证。

2.3 CO2置换驱替煤体CH4机理

由于煤基质对气体的吸附存在着差异,导致两种不同气体同时存在于煤基质时产生竞争吸附。CO2在煤中的吸附势能大于CH4,在CO2注入煤层后, CO2的剧烈热运动将促使CH4从煤基质表面上解吸下来,从而在相同的吸附位储存CO2,其实质就是游离的CO2对吸附态CH4的置换。

图5为2号和3号试件在试验过程中,CO2吸附量、CH4解吸量随时间的变化曲线,由图5可知:

(1)CO2在前期的吸附速率比后期高。这主要由于前期在注入气流的带动下,CO2会迅速占领游离态CH4的位置并赋存于大孔裂隙;另外,由于CO2的吸附势能大于CH4的吸附势能,在相同的吸附位占有绝对的优势,从而储存了更多的CO2。在注入过程的初期,CO2在煤层的吸附储存速度更快,效果更好。

(2)CH4在前期的解吸量高于CO2的吸附量。这是由于在驱替试验前,煤体中吸附的CH4有一部分处于游离状态,在CO2的高速注入下,处于游离状态和附着于大孔裂隙通道上的CH4会在气流的带动下(因孔裂隙内外的势能差)迅速脱离;当这部分CH4被置换完后,由于处在煤基质内部微小孔隙里的CH4对流速作用影响甚小,只有正常的竞争吸附置换。因此,后期CH4的解吸量逐渐趋于匀速平缓,且远小于同等时间CO2的吸附量。

3 CO2在煤层中储存条件的讨论

研究发现,在其他条件不变的情况下,不含甲烷煤和含甲烷煤对CO2的吸附量存在着差异(图6,注入压力0.5 MPa、体积应力24 MPa)。

图5 CO2吸附量、CH4解吸量随时间的变化曲线Fig.5 Curves of CO2adsorption and CH4desorption with time

图6 CO2吸附量与时间关系曲线Fig.6 Relation curves between CO2adsorption and time

在相同条件下,含甲烷煤的CO2储存量始终高于不含甲烷煤。在180 min的持续注入条件下,不含甲烷煤体的CO2储存量为11.03 L,而含甲烷煤体则提高到17.57 L,储量增大59.29%,储存率提高了12.51%。这可能是因为在含甲烷煤体中,由于甲烷注入,在一定的压力下,经过24 h在煤中的充分吸附,打开了更多的孔裂隙和微孔隙(与不含甲烷煤比),所以在注入CO2后,通过竞争吸附,在以前没有打开的通道中存入了CO2,致使CO2的储存量大于不含甲烷煤中储量。这与王雪峰等[19]在量子化模型中得到的关于当煤中吸附1个或2个CO2分子时,有1个甲烷分子就会促进煤对CO2的吸附的结论相印证。

另外,除了瓦斯含量、注入压力对煤中储存CO2有影响外,还有温度、地应力、注入时间、吸附引起的膨胀、CO2的形态等多因素影响,尚需进一步深入探究。

4 结 论

(1)在体积应力为24 MPa、注入压力为0.5 MPa下,180 min持续注入煤体中CO2储存量达11.03 L,储存率为16.63%。其间,CO2的渗透率随吸附量的增加而减小,降低了13.56%。

(2)在体积应力24 MPa、煤层平均瓦斯含量接近于原煤14.93 cm3/g条件下,煤体CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2的储存量提高了93.00%,储存率提高了13.50%、CH4的解吸量提高了18.13%。表明注入压力对煤层储存CO2有重要影响。

(3)由于流体运移所致对流扩散等作用,驱替试验初期CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随后CH4的解吸量逐渐趋于匀速平缓且远小于同等时间CO2的吸附量。

(4)同等条件下,含甲烷煤比不含甲烷煤多储存了59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。表明含甲烷煤层不仅能够产出更多的煤层气,而且能够储存更多的CO2。

在研究CO2煤层储存中,体积应力和平均瓦斯含量始终设定在一定值下,是为了还原所取煤样煤层的真实情况。因此,本文的结论暂只适用于500 m以浅煤层的CO2储存,至于更深煤层的超临界CO2储存,有待今后进一步研究。

[1] Holloway S.Underground sequestration of carbon dioxide—a viable greenhouse gas mitigation option[J].Energy,2005,30(11/ 12):2318－2333.

[2] Bruant R G,Guswa A J,Celia M A,et al.Safe storage of CO2in deep saline aquifers[J].Environmental Science&Technology, 2002,36(11):240－245.

[3] Bachu S,Gunter W D,Perkins E P.Aquifer disposal of CO2:Hydrodynamic and mineral trapping[J].Energy Conversion and Management,1994,35(4):269－279.

[4] Hitchon B,Gunter W D,Gentzis T,et al.Sedimentary basins and greenhouse gases:A serendipitous association[J].Energy Conversion and Management,1999,40(8):825－843.

[5] 石 谦,郭卫东,韩宇超,等.CO2海洋倾废的研究进展[J].海洋通报,2005,24(2):72－78.

Shi Qian,Guo Weidong,Han Yuchao,et al.Ocean disposal of carbon dioxide[J].Marine Science Bulletin,2005,24(2):72－78.

[6] 吴世跃,郭勇义.注气开采煤层气增产机制的研究[J].煤炭学报,2001,26(2):199－203.

Wu Shiyue,Guo Yongyi.Study of the mechanism of increasing production of exploitation coal bed methane by gas injection[J].Journal of China Coal Society,2001,26(2):199－203.

[7] 唐书恒,马彩霞,叶建平,等.注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的实验模拟[J].中国矿业大学学报,2006,35(5):607－611, 616.

Tang Shuheng,Ma Caixia,Ye Jianping,et al.A modeling experiment of enhancing coalbed methane recovery by carbon dioxide injection [J].Journal of China University of Mining&Technology,2006,35 (5):607－611,616.

[8] Liang Weiguo,Zhao Yangsheng,Wu Di.Experiments on methane displacement by carbon dioxide in large coal specimens[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2011,44(5):579－589.

[9] Yee D,Seidle J P,Hanson W P.Gas sorption on coal and measurement of gas content[J].AAPG Studies in Geology,1993,38:203－218.

[10] Stanton R,Flores R,Warwick P D,et al.Coalbed sequestration of carbon dioxide[A].Proceedings of the 1st National Conference on Carbon Sequestration[C].Washington,USA,2001.

[11] Buseh A,Kroose B M.High-pressure adsorption of methane,carbon dioxide and their mixtures on coals with a special focus on the preferential sorption behavior[J].Journal of Geochemical Exploration, 2003,78－79:671－674.

[12] Hol S,Peach C J,Spiers C J.A new experimental method to determine the CO2sorption capacity of coal[J].Energy Pro.,2011,4: 3125－3130.

[13] 张志敏.拟静水压力条件下二氧化碳驱替煤层甲烷试验研究[D].太原:太原理工大学,2013.

[14] 吴 迪.二氧化碳驱替煤层甲烷机理与实验研究[D].太原:太原理工大学,2010.

[15] 张 鹏.注二氧化碳提高煤层气采收率理论与实验研究[D].太原:太原理工大学,2012.

[16] 吴世跃,赵 文.含吸附煤层气煤的有效应力分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(10):1674－1678.

Wu Shiyue,ZhaoWen.Analysisofeffectivestressinadsorbed methane-coal system[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(10):1674－1678.

[17] 覃世福,李小亮.吸附作用对原煤渗透特性的影响[J].中国矿业,2012,21(3):92－95,110.

Qin Shifu,Li Xiaoliang.Effect of sorption on gas seepage of outburst coal[J].China Mining Magazine,2012,21(3):92－95,110.

[18] Masaji Fujioka,Shinji Yamaguchi.CO2－ECBM field tests in the Ishikari Coal Basin of Japan[J].International Journal of Coal Geology,2010,82(3/4):287－298.

[19] 王雪峰,邓存宝,邓汉忠,等.甲烷气体对煤吸附二氧化碳气体的影响研究[J].计算机与应用化学,2013,30(5):511－514.

Wang Xuefeng,Deng Cunbao,Deng Hanzhong,et al.Research on methane gas to coal adsorption of carbon dioxide gas influence [J].Computers and Applied Chemistry,2013,30(5):511－514.

Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam

HAN Jun-jie,LIANG Wei-guo,ZHANG Jian-gong,ZHANG Bei-ning

(Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In order to study the capacity of CO2storage in coal bed and the displacement of methane CH4in coal by CO2injection,an experiment about the CO2adsorption and coalbed methane(CBM)replacement in coal under given pressure was carried out with coal specimens of large size(100 mm×100 mm×200 mm)from the No.3 coal seam,Qinshui Basin,China.Based on the experiment,the CO2storage capacity difference between coal containing CH4and coal without CH4was contrastively analyzed.The experimental results demonstrate that,the storage of CO2in the coal specimen can amount to 11.03 L under the in-situ stress condition of the coal bed and injection pressure of 0.5 MPa.CO2permeability through the coal decreases with the increase of its adsorption amount during the experiment duration of 180 min.When the CO2injection pressure increases to 1.0 MPa from 0.5 MPa under the same confining stresses,the CO2storage amount in the coal increases by 93.00%,the storage rate increases by 13.50%and the amount of CH4desorption increases by 18.13%.It is found that the amount of CH4desorption is larger than CO2adsorption in the initial experimental stage.After that,the amount of CH4desorption tends to be stable but far less than CO2adsorption amount.Under the similar experimental condition,the CO2storage capacity in coal containing CH4is 59.29%more than that of coal without CH4,and the storage rate in coal containing CH4increases by 12.51%compared that in coalwithout CH4.

carbon dioxide;geological storage in coalbed;storage rate;replacement

P618.11

A

0253－9993(2014)03－0531－06

韩俊杰,梁卫国,张建功,等.煤层处置二氧化碳模拟实验研究[J].煤炭学报,2014,39(3):531－536.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656

Han Junjie,Liang Weiguo,Zhang Jiangong,et al.Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):531－536.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656

2013－11－11 责任编辑:韩晋平

国家杰出青年科学基金资助项目(51225404)

韩俊杰(1989—),男,山西怀仁人,硕士研究生。通讯作者:梁卫国,教授,博士生导师。E－mail:liangweiguo@tyut.edu.cn