不同注氣壓力下CO2驅替置換CH4試驗研究

鄭學召， 黃淵， 文虎,3， 王喜龍， 王寶元

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院， 陜西 西安 710054；2.國家礦山應急救援西安研究中心， 陜西 西安 710054；3.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室， 陜西 西安 710054)

0 引言

我國高瓦斯礦井占比超40%，其中95%的開采煤層屬于低滲透性煤層[1-2]。低滲透性煤層瓦斯含量高、透氣性差、抽采效率低，開采過程中易發生瓦斯事故[3]。提高低滲透性煤層瓦斯抽采效率，減少瓦斯事故是礦井瓦斯抽采亟需解決的技術難題[4]。針對該問題，國內外學者們做了大量的研究工作，文獻[5]分析研究了低滲透性煤層煤層氣開采的有效技術，研究表明，煤層氣開采需降低游離煤層氣的壓強，增大煤體的滲透性可促進煤層氣開采。文獻[6]研究發現，向煤層中注入CO2不僅能促進瓦斯解吸量的增加，還能保持煤儲層的壓力。文獻[7-8]根據等溫吸附實驗測定CH4、CO2的吸附能力，結果表明，煤對CO2的吸附能力比CH4強。文獻[9-10]分別采用GCMC方法、Langmuir方法模擬研究了混合氣體驅替煤層氣技術，研究表明，CO2氣體的吸附量、吸附熱大于CH4，CO2的吸附勢能小于CH4。文獻[11]利用大煤樣試件進行CO2驅替CH4的模擬試驗，發現驅替置換效果影響因素主要有壓力、速度和煤層CH4含量。文獻[12]利用自制的驅替試驗系統研究發現驅替壓力會影響驅替效果，并證明壓力與驅替效果呈正相關。文獻[13]根據自主研發的MCQ-Ⅱ型煤層瓦斯驅替裝置研究發現,增加注氣溫度可增加單位時間內CH4的驅替量，進而增加CO2的儲存量。

綜上所述，學者們從微觀的注氣驅替機理和宏觀的驅替效率影響因素方面進行了大量研究，但多為模型層面的理論分析或模擬試驗層面的多因素分析，具有針對性的物理模擬試驗及量化分析較少。為此，本文基于自主設計的注CO2驅替CH4試驗系統，研究不同注氣壓力下的驅替過程中煤體內CO2驅替CH4的滲流擴散演化規律和時變特性，分析全過程中出氣口CO2、CH4濃度、累計CH4驅替量及驅替置換比等方面的變化規律，利用物理模擬試驗探究注氣壓力對驅替置換效率的影響規律，并進行量化分析。研究結果可為低滲透性煤層開展注CO2提高煤層氣采出率(CO2-ECBM)相關理論研究及現場技術實施中注氣壓力參數的選取提供參考。

1 試驗

1.1 煤樣制備

試驗煤樣采自安徽淮南礦業集團張集礦17246工作面B6煤層(松軟低滲透性難抽采煤層)。煤樣工業分析結果見表1。

表1 煤樣工業分析結果Table 1 Industry analysis results of coal sample

煤樣經粉碎、篩選(60目)后裝入玻璃器皿，在真空干燥箱45 ℃溫度下干燥處理6 h后制備，按質量等分成5組并密封保存。煤樣制備過程如圖1所示。

圖1 煤樣制備過程Fig.1 Coal sample preparation process

1.2 試驗系統

注CO2驅替置換CH4試驗系統分為4個模塊，如圖2所示。

試驗系統中煤樣儲罐罐體為不銹鋼材質，外部尺寸為φ75 mm×260 mm，壁厚為8 mm，最大可承壓為20 MPa, 最大容量為960 mL；ZDC8-Z型數據采集儀用于分析混合氣體組分濃度。

1—CH4氣瓶(體積分數為99.9%)； 2—CO2氣瓶(體積分數為99.9%)； 3，6，10—壓力表； 4，5，11，12，15—閥門； 7—恒溫控制箱； 8—減壓閥(0～3 MPa)； 9—煤樣儲罐； 13—流量計(0～160 mL/min)； 14—ZDC8-Z型數據采集儀； 16—真空度表； 17—真空泵。

1.3 試驗原理

煤層是由裂隙網絡和煤基質構成的雙重介質體[14]。高壓CO2氣體注入煤層后，CO2與裂隙網絡、煤基質孔隙中的游離態CH4混合，形成自由混合態氣體。持續注氣，裂隙孔隙中CH4吸附區域CO2達到一定量時，CO2與裂隙孔隙中吸附態CH4形成吸附態混合氣體，CO2憑借其較強的吸附性，與煤體吸附態CH4競爭吸附位[15]，在滲透、擴散與吸附-解吸的綜合作用下，將煤層中吸附態CH4置換、驅趕出來[16-17]。具體過程如圖3所示。

圖3 煤層氣體組分驅替置換原理Fig.3 Principle of coal seam gas component replacement

1.4 試驗方案

試驗通過控制注入氣體的壓力，分析注氣壓力對CO2氣體驅替置換煤體中CH4過程的影響。試驗中的注氣壓力P分別設為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MPa，環境溫度設為5 ℃。

本次試驗前，用同種煤樣(張集礦B6煤)做了煤樣對CO2、CH4的等溫吸附試驗，其中試驗溫度依據張集礦實際情況和CO2基本性質分別設置為5，10，15，20，25，30 ℃，經過對比分析發現，煤體對CH4、CO2氣體的吸附曲線與Langmuir單分子層吸附模型一致，且溫度越高，吸附CO2、CH4的含量越少。為更好地探究注氣壓力對CO2驅替置換煤體CH4過程的影響，試驗方案環境溫度選取試驗設置的最低溫度，為5℃(煤體吸附CO2、CH4的含量高)。

1.5 試驗步驟

(1) 型煤的制備及處理。將試驗煤樣加入少量水后置于吸附煤樣儲罐內，用高平沖擊儀施加10 MPa的壓力，壓制成型煤。為防止煤體水分對吸附解吸產生影響，將煤樣置于真空干燥箱中，在45 ℃下干燥處理72 h。

(2) 檢查系統氣密性。向系統中注入氮氣，在6 MPa壓力下保持2 h并觀察壓力表的變化情況，若壓力表讀數在保壓階段無明顯變化，則表明系統氣密性符合試驗要求。

(3) 試驗過程。① 調節恒溫控制系統，設定試驗溫度。② 對煤樣儲罐和管路進行真空處理，壓力表數值穩定且保持6 h后關閉閥門。③ 向吸附罐內注入高純CH4，當出氣口CH4體積分數達到100%時，認為吸附平衡，關閉進氣閥門。④ 向吸附罐內注入高純CO2，驅替過程開始，當出氣口CO2體積分數達到100%時，認為新的吸附平衡出現，關閉CO2進氣閥門。⑤ 注氣結束，關閉CO2進氣閥門后對系統進行抽真空處理，重復以上步驟，完成設計方案中的試驗。

2 試驗分析

驅替環境為5 ℃時，各注氣壓力下，吸附罐內CH4、CO2氣體體積分數變化如圖4所示。

圖4 不同壓力下CH4和CO2氣體體積分數變化曲線Fig.4 Change curves of CH4 and CO2 gas volume fraction at different pressures

由圖4可知，各注氣壓力下的CH4、CO2氣體體積分數變化趨勢基本相同，從整個過程看，可分為3個階段(以注氣壓力為1.0 MPa為例)。第Ⅰ階段(原始平衡階段)：CO2氣體體積分數為0，CH4氣體體積分數為100%，向飽和吸附CH4的煤體中注入CO2，CO2在壓力梯度作用下經“滲流-擴散-吸附”的運移演化進程比較緩慢，打破原始平衡狀態需要一定的時間，此時CO2臨近突破。第Ⅱ階段(動態平衡階段)：持續注氣，CO2氣體從煤體裂隙一直滲流、擴散到煤基質孔隙中，CO2突破，CO2濃度開始增加，CH4濃度開始減小，出現“此消彼長”的動態變化關系。這是因為煤體內CO2氣體憑借其較強的吸附性占據CH4的吸附位，置換出吸附在煤體孔隙內表面的CH4，使其轉變為游離態的CH4[18]。在濃度梯度作用下，CH4從煤體孔隙、煤體裂隙滲流、擴散至煤體的表面，最終從煤體表面流出。第Ⅲ階段(新平衡階段)：持續注氣，CO2氣體體積分數增加至100%，CH4氣體體積分數減小至0，新的平衡狀態出現，CH4不再發生解吸。

不同壓力下CH4和CO2氣體體積分數對比如圖5所示。結合圖4與圖5(b)可知，注氣壓力由0.6 MPa升至1.4 MPa時，CO2的突破時間逐漸縮短，即打破原始平衡階段的時間縮短，分別為38，29，20，9，5 min，因此可得出：注氣壓力越高，CO2的突破時間越短，煤體內CO2、CH4氣體能更快地從原始平衡階段進入動態平衡階段。

(a) CH4氣體體積分數變化曲線

(b) CO2氣體體積分數變化曲線

在各個CO2壓注的參考壓力下，煤體滲透率[19]可用Darcy定律計算：

(1)

式中：k為煤體滲透率，cm2；Q為壓注流體的流量，cm3/s；p2為試驗系統出氣口的壓力，MPa；μ為壓注流體的黏度，Pa·s；L為試樣的平均長度，cm；A為試樣的橫截面積，cm2；p1為試驗系統注氣口的壓力，MPa。

由式(1)可得，試驗過程中，提高注氣壓力的同時，注氣、抽采兩端的壓力差升高，導致煤體的滲透率增大，進而加快了CO2、CH4從煤體裂隙中滲流、擴散的速度，因此，注氣壓力升高，CO2的突破時間變短。

各注氣壓力條件下的累計CH4驅替量變化如圖6所示。試驗過程中，累計CH4驅替量VCH4的計算公式如下[20]：

(2)

式中：VCH4為任意時間內累計CH4驅替量，mL；q為出氣口出氣流量，mL/min；φt為t時刻出氣口的CH4體積分數，%；t為時間，min。

圖6 不同壓力下累計CH4驅替量Fig.6 Accumulated CH4 replacement volume at different pressures

由圖6可知：

(1) 隨著注氣時間增加，累計CH4驅替量增加，且增加速度隨時間增加而減小。這里主要是因為向飽和吸附CH4的煤體注入CO2氣體，CO2會擴散滲流到煤體孔隙內表面，將煤體孔隙內表面的吸附態CH4解吸置換出來，因此，在注氣初期，隨著注氣時間的增加，累計CH4驅替量增加速率較快。持續注氣，CO2先驅趕煤顆粒空隙、煤體裂隙中的游離態CH4，再滲流、擴散到煤基質孔隙內表面，與其中吸附態CH4競爭吸附位，最終CO2置換出吸附態CH4。相比于驅替煤體空隙、裂隙網絡游離態CH4，置換煤體吸附態CH4的過程較緩慢，需更多的時間，所以，隨著注氣時間的推移，CH4產氣速率逐漸減小，累計CH4驅替量增加的速度也逐漸降低。

(2) 累計CH4驅替量隨CO2注氣壓力的增大而增大。主要是因為CO2注氣壓力越大，壓力梯度越大，CO2越容易從煤體空隙、裂隙一直滲流、擴散到煤基質孔隙中，置換出煤體孔隙內表面的吸附態CH4。提高注入氣體的壓力，注氣口、出氣口的壓力差也隨之增大，吸附態CH4的有效分壓降低，開始解吸逐步轉化為游離態。提高注氣壓力，會促進更多的CH4解吸轉化為游離態，累計CH4驅替量因此而增加。

為表明試驗過程中CO2與CH4之間的關系，引入驅替置換比表示驅替置換過程中CO2吸附量與CH4排出量的比值。驅替置換比的計算公式為

(3)

式中：K為驅替置換比；Q1為煤體中CO2吸附量，mL；Q2為煤體中CH4排出量，mL。

依據式(3)，分別計算環境溫度為5 ℃時各注氣壓力下的驅替置換比，結果見表2。本次試驗前已對煤樣對CO2的等溫吸附解析進行試驗, CO2吸附量Q1的計算公式為Q1=abP/(1+bP)×m，經數據擬合得到煤樣吸附CO2常數a=62.2 m3/t,b=1.94 MPa-1，煤樣質量m為775.5 g。

表2 驅替置換比Table 2 Replacement ratio

由表2可知，環境溫度一定時，注氣壓力由0.6 MPa升至1.4 MPa，累計CH4驅替量(Q2)增加，驅替置換比由4.99降至4.10，即驅替置換單位量CH4所需吸附的CO2量減少，單位量CO2驅替置換的CH4量增加，驅替置換效率提升。由此可見，在同等條件下，提高注入氣體CO2的壓力，累計CH4驅替量增加，驅替效果顯著；驅替置換比降低，驅替置換效率提升。

3 結論

(1) CO2、CH4濃度變化可分為原始平衡階段、動態平衡階段和新平衡階段3個階段。不同注氣壓力下原始平衡、動態平衡和新平衡3個階段變化趨勢大致相同。隨著注氣壓力依次增大，CO2、CH4氣體打破原始平衡階段的時間逐漸縮短，動態平衡階段時間增加，而新平衡階段的時間大致相同。

(2) 不同注氣壓力下，累計CH4驅替量隨著注氣時間的增加而增加，增加速率先快后慢，最終趨于定值。注氣壓力由0.6 MPa升至1.4 MPa時，累計CH4驅替量增加，驅替置換比由4.99降至4.10，驅替置換效率提升。

(3) 根據不同注氣壓力下煤體CO2、CH4滲流擴散規律和時效特性，再綜合不同注氣壓力下累計CH4驅替量，得出在5 ℃條件下，注氣壓力為1.4 MPa時驅替置換比最小，驅替效率最好。在開展CO2-ECBM相關工作時，在相關技術設施允許條件下，注氣壓力參數宜選取最大值。