高压注入和等压扩散条件下N2置换煤中CH4的研究*

杨宏民，刘 媛，吕宝艳

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000;2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000;3.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000;4.洛南县应急管理局,陕西 洛南 726100)

0 引言

煤层气作为1种高效清洁能源也是煤矿生产最大的安全隐患，进行有效瓦斯抽采一直是煤矿安全生产的重点。受CO2,N2等气驱增采石油[1]的启发，我国在晋城成功进行了地面注CO2提高煤层气采收率的试验[2-3]，促抽瓦斯效果显著提升，注气置换煤层瓦斯成为我国低透性煤层开采的1项新技术。许多学者在此方面进行了研究：注气置换煤层CH4的效应[4]、不同注源气体的差异[5]、注气的有效影响半径[6-7]、注气的压力[8-10]对注气置换的影响及注气的作用机理[11-13]。大量的研究使得注气置换煤层瓦斯技术在煤层气开发和井下安全开采方面得到推广应用。

杨宏民等[14]进行了对煤层注He，N2和CO2的模拟实验，结果表明气体吸附性能是造成突破时间差异的主要因素；夏会辉等[15]分析发现注CO2置换煤层瓦斯效果优于注N2，但注CO2危险性更大，注气置换优选N2。但目前对用强吸附性气体CO2置换CH4的研究成果较多，对弱吸附性气体N2置换CH4的研究较少，理论不足；周西华等[16]分析认为置换效率与注气的压强、温度、含水率有关；目前大多数试验均采用的高压注入式，而实际上注气置换存在高压注入和等压扩散2种方法[17]，对于使用不同注气方法对置换效率的影响及2种条件下N2置换煤中CH4的机理研究甚少，尚不明晰。

基于此，本文利用自行搭建的试验平台，对在保证弱吸附气体N2充入量相同的情况下，采用2种不同的试验方法：等压扩散和高压注入，对N2置换煤中CH4效应的差异和规律进行研究、对比，进一步揭示在2种不同注气方法下注N2置换煤中CH4的机理，寻求最佳注N2方式，提高煤层瓦斯置换效率和N2的利用率，为井下注N2促抽瓦斯技术的工程化应用和推广提供科学性依据。

1 试验条件和试验方法

试验煤样采自位于沁水盆地东南部的山西永红3号煤层的无烟煤，煤样水分1.60 %，灰分16.50 %，挥发分7.50 %，视相对密度1.45 g/cm3，真相对密度1.52 g/cm3，孔隙率5.99 %。粒度为60～80 目(250～180 mm)的颗粒粉煤，为去除水分对试验的影响，采用干燥煤样，遵循高压容量法的相关要求，将所制备的煤样放置入温度为105 ℃的干燥箱中，并将其干燥7 h以上，随后冷却备用。将冷却后的煤样准确称量并装至煤样室中，煤样室恒温30 ℃。煤样的质量为每罐200 g，共3个煤样罐同时试验。

1.1 试验设备

含瓦斯煤多元气体置换试验装置，是在河南理工大学杨宏民科研团队自行搭建的设备上进行的，该设备采用双气室煤样罐，1个气室作为煤样室装载煤样，并充入CH4吸附平衡，1个气室作为置换气室可充入置换源气体，并保持与煤样吸附平衡压力相同，2个气室之间通过电磁球阀控制，实现等压扩散置换；置换气室内设计有活塞，并采用伺服计量泵控制活塞，可实现置换气室容积可调。仅使用煤样室一侧气室，可实现高压注入的置换试验，这样在同1台设备上可实现高压注入和等压扩散的对比试验。

该装置主要由高压供气系统、恒温吸附解吸系统、气体组分分析系统、抽真空系统、数据采集系统等5部分构成，且试验装置的安全性满足试验要求。该试验装置原理如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental setup diagram

1.2 试验中的相关参数计算

在正式开展试验之前，采用PVT法对煤样室、置换气室及管路体积进行准确标定。测得CH4,N2活塞容器罐的体积为：507.9，462.9 cm3；气体吸附量用充入煤样室气体的体积V1减去吸附平衡后煤样室游离气体的体积V2计算[18]。解吸量由吸附平衡前后甲烷吸附量的差值表示。解吸率为CH4总解吸量与置换前煤中吸附CH4总量的比例。注置比为CH4总解吸量与注入置换源气体量的比例。涉及到的公式如式(1)～(5)：

(1)

(2)

ΔQ=Qx0-Qx1

(3)

(4)

(5)

式中：P1，P2为注气前后活塞容器罐内的绝对压力，MPa；Z1,Z2为在P1,P2时气体的压缩因子；Vr为CH4,N2活塞容器罐的体积，cm3；Vp为公用管路的体积，cm3;t0为所处实验室温度，℃；Vs为煤样室内剩余体积，cm3；P为吸附平衡时煤样室内绝对压力，MPa；Z为在压力P下煤样室内游离气体的压缩因子；ΔQ为CH4解吸量，cm3/g；Qx0，Qx1为平衡前后CH4吸附量，cm3/g；η为解吸率；R为注置比。

1.3 试验步骤

1)检查试验装置的密封性，将煤样装入煤样室，并对整个试验系统抽真空(P<10 Pa)。

2)在温度为30 ℃(恒温)条件下，首先向煤样室充入CH4，使之分别平衡在所设定的目标压力(CH4预吸附平衡压力)。

3)待煤中CH4吸附平衡后，等压扩散的进行如下操作：向置换气室充入置换源气体，使其压力与煤样室吸附平衡压力相同。待2个气室压力稳定并保持相等后，打开2个气室中间的电磁球阀，使其在等压条件下进行扩散，同时记录扩散过程中的气体压力变化。待2个气室气体相互扩散后压力逐渐趋于平衡(其压力在24 h内变化不超过0.01 MPa，即视为扩散吸附平衡)后，采集气室内的游离混合气体进行色谱分析，记录分析结果。高压注入则直接利用活塞泵向煤样室中注入和等压扩散相同的N2气量，并记录扩散平衡前后罐中压力、室内温度及大气压。

4)2种方式下待气体重新吸附平衡后，对气室中的游离气体进行色谱分析，计算各气体组分浓度和占比。

2 试验结果与分析

2.1 置换量和置换效率

本文置换效率定义为CH4置换量与注入N2量的比值。用置换量直观地描述注N2置换煤中CH4量的多少，用置换效率描述注N2置换煤中CH4的置换效果。此外需要说明的是：在注气过程中，既有驱替作用又有置换作用，但在不同的阶段，不同部位及不同条件下，驱替与置换所占的主导地位不一样，2种作用存在协同和动态转化机制，但目前该机制仍不清楚，本文重点研究置换作用的影响规律。

在等压扩散和高压注入2种条件下，0.53，0.75，1.30，1.602，2.005，2.50 MPa预吸附平衡压力下的注N2量和CH4置换量见表1，变化规律如图2所示。置换效率如图3所示。

表1 2种试验条件下的置换量Table 1 Displacement quantities under two experimental conditions

图2 等压扩散和高压注入条件下CH4的置换量Fig.2 Displacement of CH4 under constant pressure diffusion and high pressure injection

图3 等压扩散和高压注入条件下CH4置换效率Fig.3 Efficiency of CH4 displacement volume under constant pressure diffusion and high pressure injection conditions

由图2可看出，在等压扩散下，CH4置换量随着注N2量的增大而增大，在高压注入下，存在变化拐点7.968 cm3/g，在7.968 cm3/g之前，CH4置换量随着注N2量的增大而增大，在7.968 cm3/g之后，随着注入N2量的增大，CH4置换量减小；在注入N2量相同的情况下，等压扩散下CH4的置换量均大于高压注入下的置换量。由图3可看出，在注入等量N2时，等压扩散置换效率始终高于高压注入，且随着注N2量的增加，2种条件下置换效率均有不同程度的下降，存在1个最佳注N2量会使置换CH4的效率最佳。在等压扩散条件下N2对煤中CH4的置换效率先下降后基本在21.32 %水平浮动；而在高压注入条件下，N2对煤中CH4的置换效率随注N2量的增加而减小。

分析原因：根据道尔顿分压定律，PV=nRT，R为常数，T在本试验中为定值，注气前后CH4的摩尔数不变，在等压扩散过程中，由于扩散前后CH4的体积改变，扩散后体积增大，导致扩散的CH4的分压减小；在高压注入过程中，注气前后体积不变，因此，CH4的分压不变。同时，从分子运动的角度出发，CH4在系统中的吸附平衡属于动态平衡，且是不饱和吸附状态，煤体中仍存在许多的吸附空位，N2的注入打破了CH4的动态吸附平衡状态，且占据少量的吸附空位。

试验结果表明：在等压扩散和高压注入2种试验条件下，注N2量相等时，等压扩散置换量始终优于高压注入的，且随着N2注入量的增大，这种优势更为明显，但随着N2注入量的增大，置换CH4效率变差，存在最佳注N2量，使得置换CH4效率达到最优，启示工程应用中应合理注入N2，使效率达到最大化。

2.2 置换前后压力的变化

2种试验条件下，置换前后总压的变化规律如图4所示。对试验后的气体进行游离相组分分析，结果如图5所示。

图4 等压扩散和高压注入条件下压力变化Fig.4 Pressure variation under constant pressure diffusion and high pressure injection conditions

图5 等压扩散和高压注入下游离相气体体积分数Fig.5 Volume fraction of free phase gas under constant pressure diffusion and high pressure injection

由图4可看出，高压注入前后，系统的总压不断增大，最高增幅可达58.5 %，等压扩散前后系统总压小幅度增长，最大增幅不超过19.8 %。由图5可知，等压扩散游离相中CH4的体积分数大于N2体积分数，是由于CH4分压的降低导致其大量解吸，游离相中CH4体积分数随CH4预吸附平衡压力的升高而降低，N2体积分数则逐渐升高；高压注入游离相中N2体积分数大于CH4的体积分数，由于CH4的分压不变，解吸量较小，N2体积分数呈上升趋势，CH4体积分数呈下降趋势。总之，在2种试验条件下，N2的进入都可以置换煤中吸附的CH4气体。

2种试验条件的主要区别在于系统总压或分压的变化特征不同。在等压扩散的条件下，系统自由空间总体积增加，2种气体的分压下降，导致煤中CH4解吸。当系统的总吸附量小于总解吸量时，表现为自用空间压力上升，否则表现为压力下降。在高压注入实验条件下，由于系统自由空间总体积不变，气体注入导致总压大幅度上升，置换气体和系统总压的变化导致煤中CH4的解吸。

分析认为：在2种条件下，随着煤吸附CH4平衡压力(相当于煤层瓦斯压力)越大，N2能够置换出的CH4量越小，即置换难度随煤层瓦斯压力的增大而增大。且在实际工程实践中，等压扩散的工艺技术难度较大，高压注入的工艺技术简单易行，但过高的注气压力可能成为引发瓦斯突出的诱导因素，因此，为保证矿井安全生产应选择低压注气。

2.3 2种条件下CH4的解吸率和N2的注置比

2种条件下，注N2置换前后CH4的解吸率和N2注置比规律如图6，7所示。

图6 等压扩散和高压注入下CH4解吸率Fig.6 Desorption rate of CH4 under constant pressure diffusion and high pressure injection

图7 等压扩散和高压注入下N2注置比Fig.7 N2 injection ratio under constant pressure diffusion and high pressure injection

由图6和图7可知：在等压扩散条件下，CH4解吸率随着注N2量的增加从8.45%增长至13.51%，增幅达5.06%。而N2注置比从0.33降至0.18，降幅为0.15；在高压注入的情况下：随着注N2量的增加，对于CH4解吸率：7.968 cm3/g之前快速增加，在7.968 cm3/g之后骤降，降幅最大值为2.94%。N2注置比从0.08降至0.01，降幅为0.07。

通过2种试验结果对比分析认为：在高压注入的条件下，虽然N2注入量逐渐增大，但CH4的解吸率和N2的注置比却表现出减小的总规律，即CH4的置换率和N2的利用率均降低。这是因为N2注入量增大是随CH4吸附平衡压力增加而被动增大的。试验结果对现场实践的启示意义是：随着煤层瓦斯压力的增加，注气置换效率和注源气体的利用均下降，即注气置换难度增大。在等压扩散的条件下，N2的注置比与高压注气表现出相似的变化规律，而CH4的解吸率却表现出与高压注气完全相反的增加规律。分析认为等压扩散的置换率不仅与气体置换效应有关，还与CH4分压大幅度降低有关，而且后者可能还起到了至关重要的作用，总变化趋势是二者共同作用的结果。

对比2种试验结果，在注N2量相同情况下，等压扩散下CH4的解吸率和N2的注置比均高于高压注入，对注N2置换煤中CH4来说，采用等压扩散的置换效果更好，对N2的利用率更高。

3 结论

1)在注N2量相同的情况下，等压扩散置换量始终高于高压注入的置换量，随着N2注入量的增大，等压扩散下的置换量不断增加，这种优势更为明显。

2)等压扩散下，N2置换煤中CH4的主要原因是CH4分压降低和气体竞争吸附；高压注入下系统总压显著增大，CH4分压不变，N2置换煤中CH4的主要原因是游离相中总压上升和气体的竞争吸附。

3)当注N2量相同时，等压扩散下CH4的解吸率和N2注置比均高于高压注入，采用N2置换煤中CH4时采用等压扩散的方法N2利用率更高，置换效果更好。