CO2注气压力对CH4驱替特性影响实验研究*

韩 光，付志豪，白 刚，周西华，韩明旭，王学鹏，杨洪涛

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2.华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000；3.辽宁工程技术大学 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

瓦斯赋存“高储低渗”是我国煤层普遍存在的特征，研究表明煤体吸附CO2的能力大于吸附CH4的能力，煤体对CO2气体的吸附量为CH4气体的2～3倍，因此，利用CO2气体置换驱替煤层内部瓦斯对提高煤矿瓦斯抽采率，提高煤层中气体渗流速度，降低煤层中瓦斯分压，促进煤层中CH4解吸，起到促排瓦斯和消突的作用[1-4]。

国内外很多学者对注气驱替CH4增产机理做了研究，不断优化注气置换驱替技术[5-7]。在抽采煤层甲烷的过程中，向CH4压力较低的煤层注入CO2，可以增加煤层CH4的产出率[8-9]。同时，由于煤体中CO2的吸附性强于CH4，向煤层中注入CO2可以置换吸附CH4，不仅有利于煤层CH4的产出，还能够在地质上封存CO2，降低温室效应[10-12]。杨宏民等[13-14]通过对不同注源气体驱替CH4和高压注入条件下CO2对煤中CH4置换效应实验研究，得出结果表明注源气体吸附性越强，突破时间越长，高压注气置换条件下，气体间的竞争吸附是煤中CH4大量解吸的主要因素，多元气体吸附造成CH4解吸占次要地位；唐书恒等[15]通过对二元气体等温吸附实验研究，结果表明CO2在煤中的竞争吸附能力大于CH4；杨天鸿等[16]认为注CO2促抽CH4的机理主要为置换效应向驱替效应转变的过程。

现阶段对于注CO2驱替煤体CH4过程中煤层温度变化等参数同时监测研究较少。基于此，使用自主研发的驱替实验系统，进行不同注气压力下的CO2驱替CH4实验研究。准确记录CO2驱替CH4过程中CH4解吸量、气体浓度和煤层温度变化等参数，以便于实验后计算研究CO2驱替CH4实验驱替效果和为现场应用提供理论基础等。

1 实验方法

1.1 煤样采集与制备

实验煤样采自山西晋煤集团赵庄煤矿13122巷道新暴露的煤块，煤阶属贫煤，瓦斯含量在14～18 m3/t，原始瓦斯压力瓦斯抽采效率低，煤层埋深690 m。采样的样品用保鲜膜包裹送至实验室，防止运送过程中煤样氧化，利用煤粉碎机将其粉碎，筛选粒径为60～80目(0.18～0.25 mm)的煤粉进行实验。对实验煤样进行工业分析，其结果见表1。

表1 工业分析结果Table 1 Industrial analysis results %

1.2 实验系统

CO2驱替CH4实验系统主要由以下几部分组成：1)注气系统：CH4气体钢瓶、CO2气体钢瓶、减压阀、减压罐、供气管路；2)抽真空系统：真空泵、真空橡胶管、负压表、防堵过滤瓶；3)置换驱替系统：煤样吸附罐、安全阀等组成；4)温度控制系统：加热带、恒温控制器、加热控制器；5)数据采集系统：CH4传感器、CO2传感器、质量流量计、无纸记录仪；6)气体吸收系统：吸收罐、NaOH溶液等,示意如图1所示。

图1 CO2驱替CH4实验测试原理Fig.1 Experimental test schematic diagram of CO2 displacement for CH4

1.3 实验流程

具体的实验过程为：

1)称取煤样，均匀放入注气实验罐中压实，检查装置气密性，利用真空泵抽气10 h进行脱气。

2)将CH4高压气瓶与注气管路连接，直至吸附罐内煤样吸附CH4气体饱和。

3)打开CO2高压气瓶减压阀，注CO2置换驱替CH4，并使用NaOH溶液吸收CO2。

4)记录实验所需数据，当出口处的质量流量计显示流量很小时，默认该组实验结束。

5)改变实验条件，重复操作实验步骤1)～4)。实验条件见表2。

表2 实验条件Table 2 Experimental condition

2 实验结果与分析

2.1 不同注气压力解吸量结果分析

设置注CO2压力分别为0.6，0.8，1.0 MPa，进行不同注气压力下的置换驱替实验，得到CH4解吸量随时间的变化趋势如图2所示，并记录置换驱替过程中各参数及指标见表3。

图2 不同注气压力对煤体置换驱替CH4解吸量变化趋势Fig.2 Variationtrend of CH4 desorption by coal displacement under different gas injection pressure

表3 不同注气压力对煤体置换驱替实验结果Table 3 Experimental results of displacement of coal with different gas injection pressures

由图2可知，CO2置换驱替后的CH4解吸量随注气压力的上升而增大。当注气压力一定时，解吸量随时间的变化趋势大概分为3个阶段，分别为解吸量快速增长阶段、缓慢增长阶段、趋于平稳阶段；当CO2注入压力越大时，解吸速率越大。具体表现为CH4的解吸量由90.2 L增长到94.1 L再增长到97.8 L，分别提高了1.9%和3.4%。在压力较低区间内，置换驱替后的CH4随注入压力的上升而提高。

由表3可知，煤层吸附CO2的量均大于吸附CH4的量，CO2气体分子与吸附在煤样中的CH4气体分子的竞争吸附越充分，置换出的CH4量越多，相应的CO2吸附量越大。根据Langmuir方程可知：气体吸附量随绝对压力的增大而增大，并且随注入CO2的压力增大，煤层中的CO2气体封存量增加。相较于CO2注入压力为0.6 MPa时的封存量，CO2注入压力为0.8和1.0 MPa的CO2封存量分别上涨0.9%和1.4%。

为进一步分析不同注气压力下CO2置换驱替CH4的效果，引入置换效率、驱替比和单位质量CO2封存量(见式(1)～(3))。比较不同注气压力下煤体的驱替效果。

(1)

(2)

(3)

根据公式计算得出不同注气压力下的置换效率、驱替比和煤中单位质量CO2封存量见表3，随CO2注入压力的升高，置换效率由76.9%增加到80.2%再到82.9%，分别上涨4.3%和3.4%；驱替比由3.28降低到3.17再到3.09；单位煤中的CO2气体封存量由19.73 mL/g增加到19.92 mL/g再到20.21 mL/g。在实验过程中存在高低压交替过程，导致煤体孔隙结构受压力影响，进一步地扩张或收缩，从而导致置换效率随注气压力升高而增大的趋势。多个指标分析表明在低压范围内提高CO2注入压力对CO2置换驱替煤层CH4效果更好。在0.6，0.8，1.0 MPa注气压力下注入CH4量相差较小，结果表明在低压范围内，随注气压力的增大，CO2置换驱替煤层中的CH4能力越强，所以增大CO2注气压力可提高CO2置换驱替煤层CH4的效果。

2.2 气体浓度变化

气体浓度与突破时间是评价CO2驱替性能的2个主要指标，CO2突破时间对衡量CO2注入时间，减少CO2使用量具有重要指导意义。为研究不同CO2注入压力对突破时间的影响，在实验过程中，同时监测出口气体浓度随时间变化规律，如图3和表4所示。

图3 不同注CO2气体压力对煤体置换驱替CH4气体浓度变化规律Fig.3 Variation of CH4 gas concentration in coal displacement under different CO2 injection pressure

表4 不同注气压力下CO2突破时间与注气压力关系Table 4 Relationship between CO2 breakthrough time and gas injection pressure at different gas injection pressures

由图3和表4可知，CO2突破时间随注气压力的提高而提前，注气压力为0.6 MPa时，实验进行4 870 s后CH4浓度开始下降，CO2浓度开始上升，CO2开始突破。注气压力为0.8和1 MPa时，突破时间分别缩减到4 620和4 280 s，这表明CO2注入压力越大，CO2穿透整个煤层的时间越短。各注气压力下的出口CH4和CO2浓度变化规律大致相同，在突破时间之前，出口CH4和CO2浓度不变，在突破时间之后CH4浓度快速下降，CO2浓度快速上升，最终趋于稳定。根据气体浓度变化特征，整个注气期间可分为3个阶段。

第1阶段，出口检测不到CO2气体，即没有到达CO2突破时间。这一阶段的特点是随着注CO2的时间不断增加，而CH4浓度没有变化，原因是CO2注入煤体后，一部分被吸附在煤基质表面的空余吸附位，另一部分与孔隙中CH4发生置换解吸作用，促进CH4不断解吸。这一阶段表现为CO2置换效应起主导作用，促进CH4解吸。第2阶段，出口可以检测到CO2气体，并且CO2浓度快速增加，CH4浓度快速减小，原因是不断注入的CO2气体一部分吸附在煤体中置换出煤中的CH4，起到置换作用，另一部分随着气流排出，起到驱替作用，这一阶段是置换效应逐渐向驱替效应转化的过程。第3阶段，出口还能够检测到CO2气体，此时CO2与CH4浓度已趋于稳定，随着CO2注气时间的不断增加，煤对CO2的吸附量接近饱和，这表明注入的CO2携带置换出的CH4流出吸附罐体外，所以这一阶段是驱替效应起主导作用。

2.3 煤层温度变化

为进一步探究注气压力对置换驱替过程的影响，从煤层温度角度进一步分析。在不同注气压力下监测煤体的温度变化规律，分别设置3个测温点T1，T2，T3。T1温度监测点在吸附罐体底部，距离进气口最近；T2，T3温度监测点依次向上，分别位于罐体中间部位和顶部。本次以注气压力为0.8 MPa时和T1温度监测点的温度变化为例，分析煤层温度变化规律，温度变化如图4所示。

图4 煤层中温度变化规律Fig.4 Law of temperature change in coal seam

从图4可知，随着注气时间的增加，煤层温度整体升高。造成这一现象的原因是，在注气过程中大量CO2气体不断注入吸附罐中，吸附罐中的气体受温度影响，温度越高，解吸能力越强，越不利于吸附。吸附CO2为放热过程，CH4解吸为吸热过程，煤体吸附CO2占主导地位，放热量大于吸热量，从而导致煤层整体放出热量，温度升高。煤层温度变化可分为3个阶段：低速升温阶段、高速升温阶段、趋于稳定阶段。

第1阶段，煤层温度低速增加。由图4(a)可知，在注气压力为0.8 MPa时,T1温度监测点温度经过230 s后增长速度开始加快，T2温度监测点温度经过1 675 s后增长速度开始加快，T3温度监测点温度经过3 115 s后增长速度开始加快。由图4(b)可知，在注气压力为0.6 MPa时,T1温度监测点温度经过255 s后增长速度开始加快，在注气压力为1.0 MPa时,T1温度监测点温度经过175 s后增长速度开始加快。

第2阶段，煤层温度高速增加。注气压力为0.8 MPa时，T1温度监测点经过6 175 s达到最高温度39.3 ℃，温度升高10.4 ℃；T2温度监测点经过6 895 s达到最高温度40.7 ℃，温度升高11.5 ℃；T3温度监测点经过7 975 s达到最高温度40.7 ℃,温度升高11.5 ℃。注气压力为0.6，1.0 MPa时，煤层温度最高变化量分别为9.4 ℃，12.7 ℃。

第3阶段,煤层温度略有下降,但大体上趋于平缓。

经以上分析可得出，随着注气压力的不断增大，每个阶段所持续的时间都有不同程度的下降，每个监测点的温度变化都有不同程度的提升。由图4(a)可知，相比于T1监测点，T2和T3监测点的低速升温时间更长，原因为T3监测点距离进气口最远，CO2气体到达T3监测点所需的时间最长，所以升温较慢，表明CO2气体在煤样罐由下向上“逐层驱替”煤层中CH4气体。

2.4 煤层渗透率变化

由于实验过程中存在反复的抽气-注气过程，会导致煤体的孔隙结构发生改变，从而导致煤体渗透率发生改变，式(4)为渗透率计算公式。

(4)

式中：K为渗透率，10～6 μm2；Q为流量，mm3·s-1；p0为大气压，0.1 MPa；μ为超临界CO2黏度，μPa·s；L为试件尺寸，mm；A为试件横截面积，mm2；p1为CO2进口绝对压力,MPa；p2为CO2出口绝对压力，MPa。

由图5可知，同一注气压力条件下，渗透率均呈现先增大再减小的规律。实验初期，压力使CO2气体驱动煤层中的CH4气体渗流，由于注入的CO2气体流量很大，压力势差的作用迅速增加，有利于CH4气体的渗流，提高了渗透率。实验中期，置换吸附-解吸作用增强，CO2气体的吸附使煤基质膨胀，CH4气体解吸使煤基质收缩，随着吸附位上的CH4气体解吸，吸附作用逐渐强于解吸作用，使裂隙通路逐渐变窄，不利于渗流，渗透率呈现了减小的趋势。实验后期，CO2气体逐渐吸附平衡，孔隙内的CO2气体分子饱和，吸附罐内的煤样经过逐段升温之后，整体的温度提高，热应力抑制煤样内孔裂隙扩展，部分孔裂隙向内闭合，孔隙的形变也达到了弹性形变的极限，对渗流的影响不大，渗透率趋于稳定。

图5 不同压力下渗透率随时间变化规律Fig.5 Variation of permeability with time under different pressures

3 结论

1)CO2注入压力越大，CO2突破时间越短，CH4解吸量越大，突破时间分别为4 870，4 620，4 280 s，CH4解吸量分别为90.2，94.1，97.8 L。CO2封存量分别为296.0，298.8，303.1 L。

2)随着注气压力的增加，置换效率逐渐增大，驱替比逐渐减小。注气压力分别为0.6，0.8，1.0 MPa时，注气结束时置换效率为76.9%，80.2%和82.9%，驱替比为3.28，3.17和3.09。

3)注气期间煤层温度升高，注气温度为0.6，0.8，1.0 MPa时，监测到煤层温度最高变化量分别为9.4，11.5，12.7 ℃，煤层温度变化可分为3个阶段：低速升温、高速升温和趋于平缓阶段。

4)同一注气压力下，煤层渗透率呈现先增大后减小的趋势，可分为缓慢增长、急剧下降和趋于稳定阶段。