不同温度和压力下二氧化碳驱替瓦斯增产煤层气试验研究

刘健 范家文

【摘 要】 针对我国能源供需不平衡以及矿井瓦斯无法高效利用的现状，本文主要进行不同温度和压力下二氧化碳驱替瓦斯的试验，得到了驱替效率与温度和时间的定量关系，研究结果表明：二氧化碳驱替瓦斯的效率与温度和压力均表现为正相关关系，超临界二氧化碳的驱替效率至少可达65%。

【关键词】 温压;瓦斯;二氧化碳;煤层气

【中图分类号】 TD712 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0044-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

煤层气的高效开采对缓解我国能源现状具有重要意义。近些年来，诸多专家学者倾向于向煤体中注入强吸附性气体来置换驱替瓦斯气体，从而使得煤体中处于吸附态的瓦斯转变为游离态。由于煤体对二氧化碳的吸附性更强，且制取容易，故目前吸附性气体多选择为二氧化碳，基于此，本文进行了不同温度和压力下二氧化碳驱替瓦斯的试验研究，以期为工业实践提供一定指导意义。

1试验方案及装置

本文选择三个温度点（20℃、50℃和80℃）、三个压力点（2MPa、4MPa和8MPa），进行9组温度和压力共同作用下的二氧化碳驱替瓦斯试验。不同温压下二氧化碳的相态特征如表1所示。

本次试验所用装置包括耐高压反应釜、高精度驱替泵、恒温水浴槽、温控系统、气瓶和流量监测装置等。在进行本次试验前，需要先进行瓦斯的吸附解吸试验，然后将瓦斯气瓶更换为二氧化碳气瓶，进行驱替试验。试验过程中，先控制二氧化碳压力为2MPa，将釜体和流量监测装置接入装有NaOH的容器，以吸收置换驱替得到的二氧化碳气体，控制水浴槽温度为20℃。在驱替过程中，每过一段时间通过排水集气法记录了驱替出的甲烷气体体积，再根据公式1计算驱替效率η。

压力为2MPa、温度20℃下的驱替试验完成后，进行50℃和80℃下瓦斯的驱替试验。然后调整压力，进行第二组和第三组试验。

2二氧化碳驱替瓦斯气体体积与时间的关系

本次以驱替压力为8MPa为例，得到的不同温度下收集到的瓦斯气体体积变化规律如图1的（a）～（c）所示。从图1中可以看出，不同温度下，驱替得到的瓦斯气体随时间的变化趋势基本一致，大体可分为三个阶段：第一阶段，瓦斯气体体积增大速率快，在该阶段驱替速率最快，在短时间内二氧化碳可驱替大部分的瓦斯气体，这部分瓦斯气体只要为煤体中处于游离状态的瓦斯，驱替难度相对较低;第二阶段，瓦斯气体体积增大速率较慢，在该阶段二氧化碳驱替的速率较慢，主要是因为驱替瓦斯气体主要是处于吸附态的瓦斯，置换驱替难度较高;第三阶段，平稳阶段，在该阶段瓦斯气体体积不再增加，驱替完成。当温度为20℃时，驱替得到的瓦斯气体体积为1182ml，实验前煤体中瓦斯体积为2008ml，故驱替效率为58.86%;当温度为50℃时，驱替得到的瓦斯气体体积为700ml，实验前煤体中瓦斯体积为1007ml，故驱替效率为69.51%;当温度为80℃时，驱替得到的瓦斯气体体积为360ml，实验前煤体中瓦斯体积为442ml，故驱替效率为81.44%。由此可见，在同一压力下，二氧化碳的驱替效率随着温度的升高而增加，一方面在于温度会提高甲烷分子的活性，减弱煤体对其的吸附性，使得驱替更加容易。另一方面温度作用下会使得煤体部分发生膨胀，硬度和强度减小。

3温压作用下驱替效率结果研究

9组温度和压力共同作用下的二氧化碳驱替瓦斯效率统计结果如表2所示。

从表2中可以发现，在同一温度下，二氧化碳驱替瓦斯的效率同样随着压力的增加而增大，如图2所示。对于50℃和80℃两个温度点，当二氧化碳转变为超临近二氧化碳时，驱替效率的增加速率要更快一些。

综上所述，二氧化碳驱替瓦斯的效率与温度和压力均表现为正相关关系，而当二氧化碳转变为超临界二氧化碳时，驱替效率增大速率更快，说明超临界二氧化碳可明显提高煤层气的采收率。究其原因，超临界二氧化碳的萃取能力很强，在驱替瓦斯过程中能萃取煤体中部分的有机质，从而增加了流体运移和扩散的通道，增加了煤体的渗透性，这对于改善低渗透煤储层也有积极的促进作用。为了直观地分析温度和压力作用下二氧化碳对甲烷驱替效率的分布情况，通过origin软件进行绘制得到驱替效率分布的云图，如图3所示。

在图3中，不同的驱替效率分布范围对应图中相应的颜色分布区，从中可以发现，在驱替效率逐步增大的过程中，驱替效率分布范围先增大后减小，几乎表现为正态分布趋势。温度和孔隙压越低，则驱替效率越小，对应于图中的左下角部分;温度和孔隙压越高，则驱替效率越大，对应于图中的右上角部分。当温度超过31.1度，压力高于7.38MPa时，二氧化碳转变成了超临界二氧化碳，在图中虚线外为超临界二氧化碳驱替效率分布区域，总体上，超临界二氧化碳的驱替效率至少可达65%。

4结论

本文进行了不同温度和压力下二氧化碳驱替瓦斯的试验研究，得到主要结论为：

（1）不同温度下，二氧化碳驱替瓦斯的过程可分为三个阶段：第一阶段以驱替游离状态的瓦斯为主，第二阶段以驱替吸附状态的瓦斯为主，第三阶段驱替完成。

（2）二氧化碳驱替瓦斯的效率与温度和压力均表现为正相关关系，而当二氧化碳转变为超临界二氧化碳时，驱替效率增大速率更快，超临界二氧化碳可明显提高煤层气的采收率。

（3）超临界二氧化碳的驱替效率至少可达65%。

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