超臨界CO2對低滲透煤層滲透率影響試驗研究

張志忠

（山西煤炭運銷集團能源投資開發有限公司，山西 古交 030200）

煤炭是我們國家的主體能源，我國也是世界上煤炭資源豐富的國家之一，然而我國在低滲透煤儲層煤層氣高效安全開采方面仍然存在很多問題。如何更加安全高效的開采低滲透煤儲層煤層氣引起了業界的普遍關注。超臨界CO2是指溫度大于31.1℃，壓力大于7.38 MPa 的一種流體，該流體不僅具有液體的高密度特性還具備液體的低粘度特性，還具有超強的流動、滲透性能及其對煤中小分子化合物的萃取等優點。將超臨界CO2注入煤層，開采煤層氣時可以起到降低分壓，競爭吸附的作用。故將其注入低滲透煤層開采煤層氣的呼聲越來越高。張超等[1]研究了超臨界CO2對巖石物性的影響，研究發現超臨界CO2可以溶蝕巖石中的礦物成分，增加了巖石的孔隙率和滲透性。岳立新[2]通過對比分析非超臨界和超臨界CO2對低滲透煤層內部微觀孔裂隙的發育影響情況。楊濤等[3]利用CT 掃描微觀和宏觀的分析了超臨界CO2對煤儲層滲透性改善的可行性。基于試驗的基礎上來研究分析超臨界CO2對低滲透煤層的增透效果具有現實意義。

1 試驗方法

1.1 試驗煤樣及設備

本次試驗采用的是九里山煤礦的高變質無煙煤，選取一塊無明顯裂隙的完整大試件利用砂線切割機將其加工成Φ25 mm×50 mm 的圓柱形煤樣，見圖1。滲流試驗檢測系統主要由供氣系統、軸圍壓加載控制系統、真空脫氣系統、樣品夾持系統、溫度控制系統、信息處理系統組成，可進行不同溫度、不同軸圍壓條件下的樣品滲透率測定試驗。測定設備見圖2，試驗系統原理見圖3。

圖1 煤樣

圖2 試驗系統照片

圖3 試驗系統

1.2 試驗步驟

本次試驗主要分為超臨界CO2浸泡試驗和滲透率檢測試驗（氣體壓力3 MPa，軸圍壓均為5 MPa），具體試驗步驟如下：

（1）為消除煤中水分對試驗的影響，先將這5個試件放置在恒溫干燥箱（105℃）中干燥24 h。

（2）將干燥好的這5 個試件分別放置在浸泡釜中進行溫度50℃、10 MPa 的超臨界CO2中進行為期0 d、5 d、10 d、15 d、20 d 的超臨界CO2浸泡試驗。

（3）檢測滲透率檢測系統的氣密性，并將浸泡完成后的試件取出放置在滲透率檢測系統的夾持器上，并對其施加5 MPa 的軸圍壓

（4）對裝好樣品的系統進行抽真空處理，來防止超臨界CO2浸泡過程中煤樣吸收的CO2對本次試驗產生影響。

（5）本次滲流試驗使用的氣體為N2，打開氣瓶開關，同時調節減壓閥并觀察壓力表示數，直到示數為0.25 MPa，打開溫度控制系統，調節溫度為50℃，等待煤樣吸附12 h，保證其達到吸附平衡。

（6）吸附達到平衡后，調節氣體壓力為3 MPa，打開出氣口閥門，進行滲流試驗，5 min 后進行記錄試驗檢測數據。本次采用的滲透氣體為N2且符合達西定律，其滲透率計算公式如下：

式中：K 為滲透率，mD；μ 為氮氣的動力粘度系數，MPa·s；Q 為氣體流量，m3/s；L 為煤樣長度，m；P0為標準大氣壓，MPa；A 為煤樣橫截面積，m2；P1、P2為進氣口和出氣口壓力，MPa。

（7）更換試件，完成其他浸泡條件試件的滲透率檢測試驗。

2 試驗結果分析

未經超臨界CO2浸泡處理的試件的滲透率和經恒定溫度50℃、恒定壓力8 MPa 的超臨界CO2浸泡處理5 d 、10 d、15 d、20 d 后試件的滲透率檢測結果見表1、圖3，從表1中可以知道未經處理的煤樣試件的滲透率為0.045 11 mD，其滲透率非常的低，在對該煤儲層進行煤層氣開采時非常困難。在經過超臨界CO2浸泡處理5 d 后試件滲透率變為0.114 12 mD，其滲透率大幅升高，在經過超臨界CO2浸泡處理10 d、15 d、20 d 后，煤樣的滲透率變為0.152 61 mD、0.172 59 mD、0.179 11 mD。將上述超臨界CO2浸泡時間和浸泡后試件滲透率的關系繪制成圖3。

表1 滲透率檢測結果

從圖3中可以看出，經超臨界CO2浸泡處理后試件的滲透率大幅升高，在超臨界CO2浸泡前10d其滲透率增加幅度最大，之后隨著超臨界CO2浸泡時間的增加，試件滲透率增加幅度逐漸變小，最后趨于穩定。將滲透率和超臨界CO2浸泡時間的關系進行量化處理，擬合成方程y=0.191 08-0.146 32×0.876 48x。

這是由于超臨界CO2不僅具有氣體的低粘度特性，還具有液體的高密度特性，使其具有很強的滲透和擴散的能力。且超臨界CO2注入后其吸附能力強于CH4，注入超臨界CO2后可以將煤儲層中的CH4置換出來。除此之外，超臨界CO2還可以將煤中的脂類、醚類和環氧化合物等這些小分子化合物溶解，使低滲透煤層中產生更多的孔隙裂隙結構，滲透性得到大幅度的提高，為煤層氣的開采和運移提供了通道。

3 討論

由于超臨界CO2的獨特特性，其注入煤層后可以增強低滲透煤層的滲透性，增加煤儲層內部的通透性，為煤層氣的運移提供更多的通道。所以，用超臨界CO2注入煤層強化開采煤層氣的方法受到國內外學者的高度認可。