热力作用下煤层注CO2驱替CH4试验研究

2016-04-18 06:38刘雪莹孙可明辛立伟
煤炭学报 2016年1期
关键词:温度

吴 迪,刘雪莹,孙可明,梁 冰,辛立伟

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000)



热力作用下煤层注CO2驱替CH4试验研究

吴迪,刘雪莹,孙可明,梁冰,辛立伟

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新123000)

摘要:为研究体积应力和温度对于煤层注CO2条件下CH4驱替量的影响规律,利用自制三轴吸附解吸试验装置,对煤试件开展考虑煤层体积应力和温度热力作用影响的与煤层等孔隙压注CO2驱替CH4试验研究。试验结果表明:相同温度条件下,气体吸附量随体积应力增加逐渐减小,下降梯度明显;体积应力是煤层CH4驱替量的主要影响因素,拟合得出20~50 ℃区间内煤层CH4驱替量随体积应力变化的计算公式。在相同温度条件下,随着体积应力增加,CH4驱替效率逐渐减小,近似于线性变化规律;随着温度升高,CH4驱替效率上升显著且梯度明显。在相同温度条件下,随着体积应力增加,置换体积比相应增加;随着温度升高,置换体积比减小,近似呈等梯度下降规律。

关键词:CO2驱替CH4;体积应力;温度;驱替效率;置换体积比

随着煤层开采深度的急剧增加,煤层气涌出现象明显,我国陆上埋深1 500~3 000 m煤层气资源约为1 500 m以下的2倍。深部煤层呈现高体积应力和高温等特性,现有煤层气开采技术受储层特性和开采条件等因素制约缺乏普适性[1],利用CO2强化储层煤层气回采方法具有采收率高等明显优势[2-6]。深部煤层注入CO2不仅可以提高CH4采收率,还可以实现CO2的永久封存[7-11]。张群等[12]证明了煤层注CO2可以提高CH4采收率;杨宏民等[13]利用煤粉开展二元气体竞争吸附置换解吸的差异性;高莎莎等[14]利用潞安和寺河煤样进行了不同温度、注入压力下的CO2,CH4混合气体的吸附解吸试验;王晋等[15]利用沁水煤田原煤试样,开展了不同围压条件下的注CO2置换煤层CH4效果试验;马东民等[16]以提高煤层气采收率为目标,利用柱体原煤进行CO2驱替CH4实验研究;吴迪等[17]开展不同温度下型煤对CH4/CO2混合气的试验研究;梁冰等[18]建立了注气开采煤层气多组分流体流固耦合模型;吴嗣跃等[19]建立注气驱替提高CH4采收率的基本方程;冯启言等[20]应用数值模拟试验,分析CO2注入煤层后的CH4/CO2混合气体与煤体的气固耦合特征。由此可见,对于煤层注CO2驱替CH4的研究普遍采用煤粉颗粒或原煤试件进行常温条件下的混合气竞争吸附试验研究,或基于理论分析进行数值模拟。因此本文开展考虑体积应力和温度热力作用下的煤层注CO2驱替CH4试验研究,模拟一定地层压力和温度条件下的气体注入、竞争吸附、置换和驱替过程,为煤层注CO2驱替CH4的现场应用提供一定的理论参考。

1试验

1.1试验装置

试验装置包括注气系统、驱替系统、温度控制系统和数据采集系统。注气系统通过控制高压装气瓶和调气阀将气体注入压力釜中,通过压力釜中压力的变化量计算气体吸附量。驱替系统通过调节轴压和围压对煤样施加体积应力,如图1所示。温度控制系统利用水浴装置调节注气系统和驱替系统试验温度,还可以检查装置气密性。数据采集系统可以准确记录气体压力和温度,驱替系统中煤样的体积应力和温度。

图1 驱替系统Fig.1 Displacement experimental apparatus

1.2试验试件

由于气体的吸附置换和驱替过程在煤层中进行,并且原煤试件之间存在孔隙度的差异,为了便于多组试验数据的比较,试验对象选用自制型煤试件。型煤试件原料取自辽宁铁法煤矿,煤种为褐煤,经破碎机粉碎后筛选直径在0.25 mm以下的煤粉,用压力机压制成型。尺寸为φ50 mm×100 mm,烘干后置于干燥箱中备用。

1.3试验方案

试验按温度变化分为4组,分别为20,30,40和50 ℃,采用室内试验研究方法,开展考虑煤层体积应力和温度影响的注CO2驱替CH4试验研究。首先对饱和吸附CH4的型煤试件注入CO2,通过驱替前后压力差值计算CO2吸附量,得出CO2吸附量随体积应力和温度的变化规律;利用气相色谱仪分析混合气组分,得出CH4驱替随煤层体积应力和温度变化的规律,进而计算CH4驱替体积和CO2的置换效率。

1.4试验步骤

(1) 检查装置气密性。对试件施加10 MPa围压和8 MPa轴压,注气系统内通入压力为1 MPa的CH4气体,关闭阀门保持6 h以上,若压力表无变化,则装置气密性良好。

(2) 预热试验装置,待温度和压力达到预定值,打开阀门向驱替装置中注入1 MPa的CH4,持续24 h,认为煤样吸附达到饱和,并记录数据。

(3) 对注气压力釜抽真空后注入1 MPa的CO2气体,稳定后打开阀门进行驱替试验,持续24 h,记录数据。

(4) 收集混合气并测量体积,利用气相色谱仪分析气体组分,计算驱替量。

(5) 更换煤样,改变试验煤样体积应力和温度,重复上述步骤,得出CH4驱替量在不同体积应力和温度条件下的试验数据。

2煤层注CO2驱替CH4试验

2.1CH4驱替量随体积应力和温度的变化规律

从图2可以得出,CH4和CO2吸附量随体积应力和温度变化趋势基本一致,都是随体积应力和温度的增加,吸附量逐渐减少,但变化梯度逐渐减小;当体积应力为18 MPa,不同温度条件下CH4或CO2吸附量数值基本相同,曲线逐渐趋于一点;相同体积应力和温度条件下,CO2的吸附量约为CH4的2倍。从图3同样可以得出,相同温度条件下,随着体积应力增加,型煤试件对于CH4的驱替量逐渐减小,在初始阶段CH4驱替量下降幅度明显,随着体积应力的逐渐增大,型煤试件内部孔隙或裂隙空间逐渐闭合,吸附位减少,致使CH4驱替量下降幅度较小。随着温度的升高,气体吸附量呈现下降趋势,而CH4的驱替量呈现上升趋势,这主要是由于温度对于气体起到活化作用,温度越高,气体越难被吸附,相反更易于解吸,同时温度和应力对煤样内部孔/裂隙空间产生影响,同样抑制气体的吸附。从图2和图3可以明显看出,煤层体积应力和温度是CH4驱替量的主要影响因素。

图2 不同温度条件下CH4和CO2吸附量随体积应力的变化曲线Fig.2 Adsorption of methane and carbon dioxide with volume stress rising at different temperature

图3 不同温度条件下CH4气体驱替量随体积应力变化曲线Fig.3 Methane displacement with volume stress rising at different temperature

对不同温度条件下CH4驱替量随体积应力变化试验数据进行拟合,得出

(1)

其中,V为CH4驱替量,cm3/g;θ为体积应力,MPa;a,b,c为拟合常数,可以根据不同温度条件下的CH4驱替量求得(表1)。

根据表1中的拟合常数,可以得出不同温度条件下CH4驱替量试验数据与拟合曲线对比结果,如图4所示。从图4可以看出,拟合常数的拟合度都近似为1,说明式(1)可以准确计算出煤层温度在20~50 ℃区间内不同体积应力条件下煤层CH4的驱替量。

表1 CH4驱替量试验数据拟合结果

图4 不同温度条件下CH4驱替量试验数据与拟合曲线Fig.4 Methane displacement compared with fitted data at different temperature

2.2驱替效率和置换体积比随体积应力和温度的变化规律

驱替效率是CH4气体驱替量与波及范围内煤层CH4总含量之比,能够反映气藏驱替效果。图5为不同温度条件下CH4驱替效率随煤层体积应力的变化曲线,可以得出,同一温度条件下,驱替效率随体积应力变化基本呈现线性分布规律,但斜率为负。体积应力从6 MPa增加到18 MPa,驱替效率平均下降23.5%。相同体积应力条件下,随着温度的升高,驱替效率呈现上升趋势,平均上升14.6%,因此体积应力和温度是驱替效率的主要影响因素,虽然CH4驱替效率随体积应力的增加而减小,但在恒定条件下,煤层CH4能够平稳产出。

图5 不同温度条件下CH4驱替效率与体积应力变化曲线Fig.5  Methane displacement efficiency with volume stress change at different temperature

置换体积比为CO2的吸附量与产出CH4的体积比,用以描述CO2对CH4的竞争吸附能力。图6为置换体积比随体积应力的变化规律,可以得出,置换体积比随着体积应力的增加逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,这意味着体积应力对CH4的置换量有很大影响,当体积应力较小时,等孔隙压力条件下煤样中可以注入较多的CO2,因此置换体积比较小;煤样所受体积应力越大,产出单位体积CH4所需注入的CO2量越多,相同温度条件下,体积应力由6 MPa增大到18 MPa,置换体积比平均上升1.88。这主要由于煤样受较低体积应力作用时,内部孔/裂隙空间较大,被驱替的CH4气体在煤样内部能够较迅速扩散并具有较强的流通性,CH4气体的分压上升较慢,因此解吸量相对较多;而当煤样受较高体积应力作用时,内部孔/裂隙空间被压缩致使连通性差,致使被驱替的上升的CH4气体不能快速的扩散,CH4气体分压上升较慢,解吸量降低。温度变化对于气体在煤基质内部的吸附和解吸产生重要影响,因此对于置换体积比同样影响显著,温度每升高10 ℃,置换体积比平均下降1.02,近似呈现等梯度下降规律。

图6 不同温度条件下CO2置换体积比随体积应力变化曲线Fig.6 Replacement volume ratio of carbon dioxide with volume stress change at different temperature

3结论

(1) 相同温度条件下,气体吸附量随体积应力增加逐渐减小,并且下降梯度明显,CO2吸附量约为CH4的2倍。体积应力和温度是CH4驱替量的主要影响因素,CO2在等孔隙压力注入条件下,煤层体积应力越小、温度越高(50 ℃),驱替效果越明显,拟合得出20~50 ℃区间内煤层CH4驱替量随体积应力变化的计算公式。

(2) 在相同温度条件下,体积应力从6 MPa增加到18 MPa,CH4驱替效率逐渐减小,平均下降23.5%,近似于线性变化规律;在相同体积应力条件下,随着温度升高,CH4驱替效率明显增加,平均上升14.6%。

(3) 在相同温度条件下,随着体积应力增加,置换体积比增加,平均上升1.88;在相同体积应力条件下,随着温度升高,置换体积比减小,温度每升高10 ℃平均下降1.02,近似呈现等梯度下降规律。

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Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action

WU Di,LIU Xue-ying,SUN Ke-ming,LIANG Bing,XIN Li-wei

(MechanicsandEngineeringSchool,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:In order to study the methane displacement in coalbed by carbon dioxide with different volume stress and temperature,using self-developed seepage device for triaxial absorbing and desorbing,an experimental study was carried out on methane displacement with the consideration of volume stress and temperature variation under the thermo-mechanical action,and under the pore pressure of equaling to coalbed.The results show that at the same temperature,the adsorption decreases with the increase of volume stress,and the gradient declines obviously;the volume stress and temperature are the main causes of methane displacement,and the formula is fitted that the coalbed methane displacement varies with volume stress change at 20-50 ℃.At the same temperature,the displacement efficiency drops linearly with the increase of volume stress;as temperature increases,the displacement efficiency increases obviously.At the same temperature,the replacement volume ratio expands;with temperature increase,the replacement volume ratio falls,and the gradient remains the same.

Key words:methane displacement by carbon dioxide;volume stress;temperature;displacement efficiency;replacement volume ratio

中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0162-05

作者简介:吴迪(1981—),男,辽宁沈阳人,副教授,博士。E-mail:wudi202@126.com。通讯作者:梁冰 (1962—),女,辽宁盘锦人,教授,博士。Tel:0418-3351517,E-mail:lbwqx@163.com

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201206);国家自然科学基金青年基金资助项目(51504122)

收稿日期:2015-08-25修回日期:2015-11-05责任编辑:张晓宁

吴迪,刘雪莹,孙可明,等.热力作用下煤层注CO2驱替CH4试验研究[J].煤炭学报,2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020

Wu Di,Liu Xueying,Sun Keming,et al.Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020

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