吳　迪，劉雪瑩，孫可明，梁　冰，辛立偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新　123000)

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熱力作用下煤層注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)研究

吳迪，劉雪瑩，孫可明，梁冰，辛立偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新123000)

摘要:為研究體積應(yīng)力和溫度對(duì)于煤層注CO2條件下CH4驅(qū)替量的影響規(guī)律，利用自制三軸吸附解吸試驗(yàn)裝置，對(duì)煤試件開展考慮煤層體積應(yīng)力和溫度熱力作用影響的與煤層等孔隙壓注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同溫度條件下，氣體吸附量隨體積應(yīng)力增加逐漸減小，下降梯度明顯；體積應(yīng)力是煤層CH4驅(qū)替量的主要影響因素，擬合得出20～50 ℃區(qū)間內(nèi)煤層CH4驅(qū)替量隨體積應(yīng)力變化的計(jì)算公式。在相同溫度條件下，隨著體積應(yīng)力增加，CH4驅(qū)替效率逐漸減小，近似于線性變化規(guī)律；隨著溫度升高，CH4驅(qū)替效率上升顯著且梯度明顯。在相同溫度條件下，隨著體積應(yīng)力增加，置換體積比相應(yīng)增加；隨著溫度升高，置換體積比減小，近似呈等梯度下降規(guī)律。

關(guān)鍵詞:CO2驅(qū)替CH4；體積應(yīng)力；溫度；驅(qū)替效率；置換體積比

隨著煤層開采深度的急劇增加，煤層氣涌出現(xiàn)象明顯，我國(guó)陸上埋深1 500～3 000 m煤層氣資源約為1 500 m以下的2倍。深部煤層呈現(xiàn)高體積應(yīng)力和高溫等特性，現(xiàn)有煤層氣開采技術(shù)受儲(chǔ)層特性和開采條件等因素制約缺乏普適性[1]，利用CO2強(qiáng)化儲(chǔ)層煤層氣回采方法具有采收率高等明顯優(yōu)勢(shì)[2-6]。深部煤層注入CO2不僅可以提高CH4采收率，還可以實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存[7-11]。張群等[12]證明了煤層注CO2可以提高CH4采收率；楊宏民等[13]利用煤粉開展二元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附置換解吸的差異性；高莎莎等[14]利用潞安和寺河煤樣進(jìn)行了不同溫度、注入壓力下的CO2，CH4混合氣體的吸附解吸試驗(yàn)；王晉等[15]利用沁水煤田原煤試樣，開展了不同圍壓條件下的注CO2置換煤層CH4效果試驗(yàn)；馬東民等[16]以提高煤層氣采收率為目標(biāo)，利用柱體原煤進(jìn)行CO2驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn)研究；吳迪等[17]開展不同溫度下型煤對(duì)CH4/CO2混合氣的試驗(yàn)研究；梁冰等[18]建立了注氣開采煤層氣多組分流體流固耦合模型；吳嗣躍等[19]建立注氣驅(qū)替提高CH4采收率的基本方程；馮啟言等[20]應(yīng)用數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析CO2注入煤層后的CH4/CO2混合氣體與煤體的氣固耦合特征。由此可見，對(duì)于煤層注CO2驅(qū)替CH4的研究普遍采用煤粉顆粒或原煤試件進(jìn)行常溫條件下的混合氣競(jìng)爭(zhēng)吸附試驗(yàn)研究，或基于理論分析進(jìn)行數(shù)值模擬。因此本文開展考慮體積應(yīng)力和溫度熱力作用下的煤層注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)研究，模擬一定地層壓力和溫度條件下的氣體注入、競(jìng)爭(zhēng)吸附、置換和驅(qū)替過程，為煤層注CO2驅(qū)替CH4的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供一定的理論參考。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括注氣系統(tǒng)、驅(qū)替系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。注氣系統(tǒng)通過控制高壓裝氣瓶和調(diào)氣閥將氣體注入壓力釜中，通過壓力釜中壓力的變化量計(jì)算氣體吸附量。驅(qū)替系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)軸壓和圍壓對(duì)煤樣施加體積應(yīng)力，如圖1所示。溫度控制系統(tǒng)利用水浴裝置調(diào)節(jié)注氣系統(tǒng)和驅(qū)替系統(tǒng)試驗(yàn)溫度，還可以檢查裝置氣密性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以準(zhǔn)確記錄氣體壓力和溫度，驅(qū)替系統(tǒng)中煤樣的體積應(yīng)力和溫度。

圖1　驅(qū)替系統(tǒng)Fig.1　Displacement experimental apparatus

1.2試驗(yàn)試件

由于氣體的吸附置換和驅(qū)替過程在煤層中進(jìn)行，并且原煤試件之間存在孔隙度的差異，為了便于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，試驗(yàn)對(duì)象選用自制型煤試件。型煤試件原料取自遼寧鐵法煤礦，煤種為褐煤，經(jīng)破碎機(jī)粉碎后篩選直徑在0.25 mm以下的煤粉，用壓力機(jī)壓制成型。尺寸為φ50 mm×100 mm，烘干后置于干燥箱中備用。

1.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)按溫度變化分為4組，分別為20，30，40和50 ℃，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究方法，開展考慮煤層體積應(yīng)力和溫度影響的注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)研究。首先對(duì)飽和吸附CH4的型煤試件注入CO2，通過驅(qū)替前后壓力差值計(jì)算CO2吸附量，得出CO2吸附量隨體積應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律；利用氣相色譜儀分析混合氣組分，得出CH4驅(qū)替隨煤層體積應(yīng)力和溫度變化的規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算CH4驅(qū)替體積和CO2的置換效率。

1.4試驗(yàn)步驟

(1) 檢查裝置氣密性。對(duì)試件施加10 MPa圍壓和8 MPa軸壓，注氣系統(tǒng)內(nèi)通入壓力為1 MPa的CH4氣體，關(guān)閉閥門保持6 h以上，若壓力表無(wú)變化，則裝置氣密性良好。

(2) 預(yù)熱試驗(yàn)裝置，待溫度和壓力達(dá)到預(yù)定值，打開閥門向驅(qū)替裝置中注入1 MPa的CH4，持續(xù)24 h，認(rèn)為煤樣吸附達(dá)到飽和，并記錄數(shù)據(jù)。

(3) 對(duì)注氣壓力釜抽真空后注入1 MPa的CO2氣體，穩(wěn)定后打開閥門進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，持續(xù)24 h，記錄數(shù)據(jù)。

(4) 收集混合氣并測(cè)量體積，利用氣相色譜儀分析氣體組分，計(jì)算驅(qū)替量。

(5) 更換煤樣，改變?cè)囼?yàn)煤樣體積應(yīng)力和溫度，重復(fù)上述步驟，得出CH4驅(qū)替量在不同體積應(yīng)力和溫度條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2煤層注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)

2.1CH4驅(qū)替量隨體積應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律

從圖2可以得出，CH4和CO2吸附量隨體積應(yīng)力和溫度變化趨勢(shì)基本一致，都是隨體積應(yīng)力和溫度的增加，吸附量逐漸減少，但變化梯度逐漸減?。划?dāng)體積應(yīng)力為18 MPa，不同溫度條件下CH4或CO2吸附量數(shù)值基本相同，曲線逐漸趨于一點(diǎn)；相同體積應(yīng)力和溫度條件下，CO2的吸附量約為CH4的2倍。從圖3同樣可以得出，相同溫度條件下，隨著體積應(yīng)力增加，型煤試件對(duì)于CH4的驅(qū)替量逐漸減小，在初始階段CH4驅(qū)替量下降幅度明顯，隨著體積應(yīng)力的逐漸增大，型煤試件內(nèi)部孔隙或裂隙空間逐漸閉合，吸附位減少，致使CH4驅(qū)替量下降幅度較小。隨著溫度的升高，氣體吸附量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而CH4的驅(qū)替量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這主要是由于溫度對(duì)于氣體起到活化作用，溫度越高，氣體越難被吸附，相反更易于解吸，同時(shí)溫度和應(yīng)力對(duì)煤樣內(nèi)部孔/裂隙空間產(chǎn)生影響，同樣抑制氣體的吸附。從圖2和圖3可以明顯看出，煤層體積應(yīng)力和溫度是CH4驅(qū)替量的主要影響因素。

圖2　不同溫度條件下CH4和CO2吸附量隨體積應(yīng)力的變化曲線Fig.2　Adsorption of methane and carbon dioxide with volume stress rising at different temperature

圖3　不同溫度條件下CH4氣體驅(qū)替量隨體積應(yīng)力變化曲線Fig.3　Methane displacement with volume stress rising at different temperature

對(duì)不同溫度條件下CH4驅(qū)替量隨體積應(yīng)力變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出

(1)

其中,V為CH4驅(qū)替量，cm3/g；θ為體積應(yīng)力，MPa；a,b,c為擬合常數(shù)，可以根據(jù)不同溫度條件下的CH4驅(qū)替量求得(表1)。

根據(jù)表1中的擬合常數(shù)，可以得出不同溫度條件下CH4驅(qū)替量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線對(duì)比結(jié)果，如圖4所示。從圖4可以看出,擬合常數(shù)的擬合度都近似為1，說(shuō)明式(1)可以準(zhǔn)確計(jì)算出煤層溫度在20～50 ℃區(qū)間內(nèi)不同體積應(yīng)力條件下煤層CH4的驅(qū)替量。

表1　CH4驅(qū)替量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖4　不同溫度條件下CH4驅(qū)替量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.4　Methane displacement compared with fitted data at different temperature

2.2驅(qū)替效率和置換體積比隨體積應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律

驅(qū)替效率是CH4氣體驅(qū)替量與波及范圍內(nèi)煤層CH4總含量之比，能夠反映氣藏驅(qū)替效果。圖5為不同溫度條件下CH4驅(qū)替效率隨煤層體積應(yīng)力的變化曲線，可以得出,同一溫度條件下，驅(qū)替效率隨體積應(yīng)力變化基本呈現(xiàn)線性分布規(guī)律，但斜率為負(fù)。體積應(yīng)力從6 MPa增加到18 MPa，驅(qū)替效率平均下降23.5%。相同體積應(yīng)力條件下，隨著溫度的升高，驅(qū)替效率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均上升14.6%，因此體積應(yīng)力和溫度是驅(qū)替效率的主要影響因素，雖然CH4驅(qū)替效率隨體積應(yīng)力的增加而減小，但在恒定條件下，煤層CH4能夠平穩(wěn)產(chǎn)出。

圖5　不同溫度條件下CH4驅(qū)替效率與體積應(yīng)力變化曲線Fig.5 　Methane displacement efficiency with volume stress change at different temperature

置換體積比為CO2的吸附量與產(chǎn)出CH4的體積比，用以描述CO2對(duì)CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力。圖6為置換體積比隨體積應(yīng)力的變化規(guī)律，可以得出，置換體積比隨著體積應(yīng)力的增加逐漸增大，但增加幅度逐漸減小，這意味著體積應(yīng)力對(duì)CH4的置換量有很大影響，當(dāng)體積應(yīng)力較小時(shí)，等孔隙壓力條件下煤樣中可以注入較多的CO2，因此置換體積比較??；煤樣所受體積應(yīng)力越大，產(chǎn)出單位體積CH4所需注入的CO2量越多，相同溫度條件下，體積應(yīng)力由6 MPa增大到18 MPa，置換體積比平均上升1.88。這主要由于煤樣受較低體積應(yīng)力作用時(shí)，內(nèi)部孔/裂隙空間較大，被驅(qū)替的CH4氣體在煤樣內(nèi)部能夠較迅速擴(kuò)散并具有較強(qiáng)的流通性，CH4氣體的分壓上升較慢，因此解吸量相對(duì)較多；而當(dāng)煤樣受較高體積應(yīng)力作用時(shí)，內(nèi)部孔/裂隙空間被壓縮致使連通性差，致使被驅(qū)替的上升的CH4氣體不能快速的擴(kuò)散，CH4氣體分壓上升較慢，解吸量降低。溫度變化對(duì)于氣體在煤基質(zhì)內(nèi)部的吸附和解吸產(chǎn)生重要影響，因此對(duì)于置換體積比同樣影響顯著，溫度每升高10 ℃，置換體積比平均下降1.02，近似呈現(xiàn)等梯度下降規(guī)律。

圖6　不同溫度條件下CO2置換體積比隨體積應(yīng)力變化曲線Fig.6　Replacement volume ratio of carbon dioxide with volume stress change at different temperature

3結(jié)論

(1) 相同溫度條件下，氣體吸附量隨體積應(yīng)力增加逐漸減小，并且下降梯度明顯，CO2吸附量約為CH4的2倍。體積應(yīng)力和溫度是CH4驅(qū)替量的主要影響因素，CO2在等孔隙壓力注入條件下，煤層體積應(yīng)力越小、溫度越高(50 ℃)，驅(qū)替效果越明顯，擬合得出20～50 ℃區(qū)間內(nèi)煤層CH4驅(qū)替量隨體積應(yīng)力變化的計(jì)算公式。

(2) 在相同溫度條件下，體積應(yīng)力從6 MPa增加到18 MPa，CH4驅(qū)替效率逐漸減小，平均下降23.5%，近似于線性變化規(guī)律；在相同體積應(yīng)力條件下，隨著溫度升高，CH4驅(qū)替效率明顯增加，平均上升14.6%。

(3) 在相同溫度條件下，隨著體積應(yīng)力增加，置換體積比增加，平均上升1.88；在相同體積應(yīng)力條件下，隨著溫度升高，置換體積比減小，溫度每升高10 ℃平均下降1.02，近似呈現(xiàn)等梯度下降規(guī)律。

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Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action

WU Di,LIU Xue-ying,SUN Ke-ming,LIANG Bing,XIN Li-wei

(MechanicsandEngineeringSchool,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:In order to study the methane displacement in coalbed by carbon dioxide with different volume stress and temperature,using self-developed seepage device for triaxial absorbing and desorbing,an experimental study was carried out on methane displacement with the consideration of volume stress and temperature variation under the thermo-mechanical action,and under the pore pressure of equaling to coalbed.The results show that at the same temperature,the adsorption decreases with the increase of volume stress,and the gradient declines obviously;the volume stress and temperature are the main causes of methane displacement,and the formula is fitted that the coalbed methane displacement varies with volume stress change at 20-50 ℃.At the same temperature,the displacement efficiency drops linearly with the increase of volume stress;as temperature increases,the displacement efficiency increases obviously.At the same temperature,the replacement volume ratio expands;with temperature increase,the replacement volume ratio falls,and the gradient remains the same.

Key words:methane displacement by carbon dioxide;volume stress;temperature;displacement efficiency;replacement volume ratio

中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0162-05

作者簡(jiǎn)介:吳迪(1981—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士。E-mail：wudi202@126.com。通訊作者：梁冰 (1962—)，女，遼寧盤錦人，教授，博士。Tel：0418-3351517，E-mail：lbwqx@163.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2011CB201206)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51504122)

收稿日期:2015-08-25修回日期:2015-11-05責(zé)任編輯:張曉寧

吳迪，劉雪瑩，孫可明,等.熱力作用下煤層注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020

Wu Di,Liu Xueying,Sun Keming,et al.Experimental research on methane displacement in coalbed by carbon dioxide under thermo-mechanical action[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):162-166.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9020