周西華，韓明旭，白 剛,，蘭安暢，付志豪

CO2注氣壓力對(duì)瓦斯擴(kuò)散系數(shù)影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

周西華1,2，韓明旭1,2，白 剛1,2,3，蘭安暢3，付志豪1,2

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105；3. 陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

煤層CH4解吸效率低、擴(kuò)散慢的特點(diǎn)嚴(yán)重制約著煤層瓦斯抽采的效率，為解決低透氣性煤層瓦斯抽采困難的問(wèn)題，選取晉城趙莊煤礦煤樣，研究不同注氣壓力對(duì)驅(qū)替CH4過(guò)程的影響以及驅(qū)替過(guò)程中CH4擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，利用自主研發(fā)的CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)平臺(tái)，在0.6、0.8、1.0 MPa等不同注氣壓力條件下分別進(jìn)行CO2驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：驅(qū)替壓力越大，達(dá)到最大CH4排放量的時(shí)間越短，CO2突破時(shí)間越快，置換效率越大，驅(qū)替效果越好；CH4氣體驅(qū)替過(guò)程分為3個(gè)階段，先急劇增加再緩慢增加最后保持平穩(wěn)；在同一注氣壓力下，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間呈先增大后減小的變化規(guī)律，注氣壓力為0.6、0.8、1.0 MPa時(shí)，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的最大值分別為2.27×10–5、3.36×10–5、4.62×10–5cm2/s。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同注氣壓力下，CO2對(duì)CH4主要起到驅(qū)替作用、置換吸附–解吸作用及稀釋驅(qū)替作用；每個(gè)階段的CH4氣體運(yùn)移情況不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)階段合理調(diào)整注氣流量、壓力等參數(shù)，使注驅(qū)技術(shù)搭配更高效。研究結(jié)果對(duì)CO2深埋與瓦斯(煤層氣)高效抽采具有理論指導(dǎo)意義。

CO2突破時(shí)間；注氣驅(qū)替；驅(qū)替效率；有效擴(kuò)散系數(shù)；沁水盆地

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量豐富，但煤層普遍為低透氣性、低滲透率儲(chǔ)層[1-2]，嚴(yán)重制約煤層氣開發(fā)。隨著開采深度的增加，煤層氣抽采難度加大，影響煤層氣的采收率及產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)煤層對(duì)CO2氣體吸附能力大于CH4氣體的吸附能力[3-4]，將CO2氣體注入煤層中可以驅(qū)替出煤層中難以解吸的CH4氣體[5-6]，提高煤層氣的產(chǎn)量，同時(shí)將CO2氣體固存在煤層中，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的雙重利益[7]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在煤層注CO2置換CH4方面做了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作。煤對(duì)純CO2吸附量大概為CH4的2~3倍[8]，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，煤吸附CO2引起的煤基質(zhì)膨脹量是吸附CH4氣體的8倍[9]，煤吸附同樣體積的CO2導(dǎo)致的基質(zhì)膨脹應(yīng)變高于CH4氣體[10-12]。含CH4煤注入CO2后其力學(xué)特性及氣體滲透性發(fā)生改變，CO2注氣壓力增大，樣品的滲透性逐漸增強(qiáng)，但增長(zhǎng)幅度逐漸減小，強(qiáng)度逐漸降低，彈性模量逐漸減小，最大軸向應(yīng)變相應(yīng)減小[13]。相同條件下同種煤樣的CO2有效擴(kuò)散系數(shù)高于CH4，CH4和CO2在不同煤階煤內(nèi)部的擴(kuò)散主要受微孔內(nèi)部的表面擴(kuò)散控制。CH4、N2、CO2在煤中的解吸擴(kuò)散特性不同，且不同時(shí)間段內(nèi)，3種氣體在煤中的擴(kuò)散系數(shù)都隨氣體壓力的增加略微降低，但降幅不明顯；在相同氣體壓力下，3種氣體在煤中的擴(kuò)散系數(shù)都隨時(shí)間增加而減小，且在相同氣體壓力下，CO2在煤中的擴(kuò)散系數(shù)最大，CH4次之，N2最小[14]。煤作為孔裂隙雙重介質(zhì)，其內(nèi)部具有極其復(fù)雜的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，而孔裂隙系統(tǒng)為瓦斯的儲(chǔ)集和運(yùn)移提供了場(chǎng)所[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)對(duì)瓦斯解吸擴(kuò)散的影響主要與孔隙結(jié)構(gòu)的差異有關(guān)，不同煤階煤因其孔隙結(jié)構(gòu)差異其瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律也各異[17]。楊宏民等[18]研究注氣壓力對(duì)不同注源氣體的置驅(qū)效應(yīng)。注氣壓力影響CH4氣體在煤中的擴(kuò)散，且雙孔擴(kuò)散模型比單孔擴(kuò)散模型能更準(zhǔn)確地描述煤粒瓦斯吸附–解吸擴(kuò)散全過(guò)程[19]。

前人在不同氣體間競(jìng)爭(zhēng)吸附/解吸特性及其引起的煤基質(zhì)變化、運(yùn)移特性方面取得了一定的認(rèn)識(shí)，但針對(duì)注驅(qū)過(guò)程中CO2氣體注入對(duì)CH4氣體解吸擴(kuò)散特性的影響及其變化規(guī)律等方面的報(bào)道較少。CO2置換驅(qū)替CH4過(guò)程瓦斯擴(kuò)散系數(shù)受多種因素影響，隨著煤層中CH4氣體的逐漸減少，后期基質(zhì)內(nèi)吸附態(tài)的瓦斯解吸主要受控于擴(kuò)散過(guò)程。為此，以沁水盆地趙莊煤礦13122巷道煤樣為研究對(duì)象，通過(guò)自主研發(fā)的模擬試驗(yàn)平臺(tái)，開展不同注氣壓力下注CO2氣體驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯解吸量、氣體濃度變化等參數(shù)，并計(jì)算CH4氣體的有效擴(kuò)散系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，探究注驅(qū)過(guò)程中瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律和運(yùn)移機(jī)理，為CO2驅(qū)替CH4和CO2的地質(zhì)封存提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)完善瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)理論有著重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 樣品的采集與制備

實(shí)驗(yàn)煤樣取自沁水盆地晉城趙莊煤礦13122巷道中新鮮暴露的3號(hào)煤層煤塊，瓦斯含量14~ 18 m3/t，該礦原始瓦斯壓力低，瓦斯抽采效率低，含水率0.8%~7.5%，煤層埋深690 m。采集的樣品使用密封袋抽真空密封保存運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，防止氧化，通過(guò)碎裂、攪碎、篩選、封袋等標(biāo)準(zhǔn)流程制備，吸附樣規(guī)格為60~80目(0.18~0.25 mm)煤粉，120目(0.125 mm)以上的煤粉用于工業(yè)分析。

據(jù)煤樣工業(yè)分析測(cè)試，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.50%，灰分為12.06%，揮發(fā)分為9.14%，固定碳為77.30%。煤樣的孔隙率5.33%。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的物理模擬平臺(tái)裝置研究CO2置換驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。該平臺(tái)系統(tǒng)主要包括：①注氣系統(tǒng)，包括高壓氣體鋼瓶(CO2、CH4氣體)，質(zhì)量流量計(jì)、減壓閥、減壓罐、供氣管路(配置閥門)；②力學(xué)加載系統(tǒng)，由四柱液壓機(jī)組成；③抽真空系統(tǒng)，包括真空泵，真空橡膠管，防堵過(guò)濾瓶，壓力表；④置換驅(qū)替系統(tǒng)，包括煤樣吸附罐、安全閥等；⑤溫度控制系統(tǒng)，包括恒溫控制器、加熱控制器組成；⑥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由溫度傳感器、壓力傳感器、無(wú)紙記錄儀組成；⑦氣體采集系統(tǒng)，包括CH4傳感器、CO2傳感器、質(zhì)量流量計(jì)；⑧氣體吸收系統(tǒng)，包括吸收罐、吸附劑(NaOH)、干燥劑等。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①制備煤樣，而后將樣品裝入吸附罐，四柱液壓機(jī)向罐內(nèi)加壓；②吸附罐體與真空泵連接，用真空機(jī)間歇抽氣，時(shí)間在12 h以上；③注入CH4氣體，達(dá)到預(yù)設(shè)壓力和吸附平衡溫度，在過(guò)程中檢查氣密性，并記錄數(shù)據(jù)；④注入CO2氣體驅(qū)替置換CH4氣體，打開進(jìn)氣口與出氣口，并用NaOH溶液吸收CO2，在實(shí)驗(yàn)中檢查氣密性，并記錄數(shù)據(jù)；⑤置驅(qū)結(jié)束，關(guān)閉所有閥門；⑥改變實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)操作②—⑤。實(shí)驗(yàn)條件為：注氣壓力為0.6、0.8、1.0 MPa，CH4氣體吸附平衡壓力位0.4 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同注氣壓力驅(qū)替實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以監(jiān)測(cè)出口CO2和CH4的濃度變化，３種壓力下2種氣體濃度變化如圖2所示。當(dāng)出氣口CO2氣體濃度開始明顯上升時(shí)，認(rèn)為此時(shí)CO2氣體突破煤體。由圖2可知，隨著注入CO2氣體壓力的增加，CO2突破時(shí)間由4 560 s縮減到4 440 s再到3 890 s，即CO2注入壓力越大，CO2突破煤體的時(shí)間越短。

CO2從注入到出口處被檢測(cè)到有一個(gè)時(shí)間延后，造成這一延后的原因主要有３點(diǎn)：CO2在煤樣中滲流需要時(shí)間；CO2注入后，煤樣孔隙中原始吸附CH4氣體量降低，CO2會(huì)填充孔隙；煤對(duì)CO2的吸附能力強(qiáng)于CH4氣體，與CH4氣體競(jìng)爭(zhēng)吸附，促進(jìn)CH4氣體解吸，造成時(shí)間延后。

不同注氣壓力下測(cè)定的CH4、CO2氣體量見表1。由表中可知，注氣壓力不同，驅(qū)替效果不同。注氣壓力越高，驅(qū)替出的CH4氣體量越大，驅(qū)替效果越好，煤吸附CO2的體積量越多，封存效果越好。

表1 不同注氣壓力下CH4與CO2氣體量差異及置換效果

由表1可知，注氣壓力為0.6、0.8、1.0 MPa時(shí)，單位質(zhì)量煤CO2封存量分別是單位質(zhì)量煤CH4吸附量的2.29倍、2.29倍、2.71倍?？梢娫诓煌鈮毫l件下，煤層注入的CO2氣體量均大于CH4氣體量，進(jìn)一步驗(yàn)證了煤對(duì)CO2的吸附能力大于CH4；隨著注入CO2氣體壓力的增大，封存在煤中的CO2氣體量增加。這是因?yàn)樽⑷雺毫υ酱?，CO2與煤體孔隙接觸的越充分，進(jìn)入煤體微小孔隙的氣體量越多，CO2對(duì)孔隙中吸附的CH4分子置換作用越充分，置換出的CH4越多，煤樣吸附的CO2也越多。

置換效率定義為排出的CH4體積與平衡狀態(tài)下罐內(nèi)CH4的原始體積之比。由表1可知，隨著CO2注入壓力的升高，置換效率增加，表明在低壓范圍內(nèi)CO2注氣壓力越大，置換/驅(qū)替出煤層中CH4氣體的能力越強(qiáng)，即增大CO2注入壓力可以增強(qiáng)CO2置換/驅(qū)替煤層CH4的效果，單位質(zhì)量煤的CO2封存量也增大。說(shuō)明在低壓范圍內(nèi)提高CO2注入壓力有利于CO2置換驅(qū)替煤層CH4及煤層封存CO2。

2.2 不同注氣壓力CH4排放量

由圖3可知，壓力越大，CH4氣體總排放量越大。在同一注氣壓力下，CH4排放量隨時(shí)間分3個(gè)階段：第一個(gè)階段，排放量增加速率很快；第二階段，CO2氣體突破之后，排放量的增加速率開始逐漸減??；第三階段，排放量保持平穩(wěn)。壓力增大，CO2注入量增大。

圖3 不同注氣壓力下CH4排放量實(shí)時(shí)變化

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，CO2對(duì)CH4主要起到驅(qū)替作用、置換吸附–解吸作用及稀釋驅(qū)替作用。

注氣初期，驅(qū)替起主導(dǎo)作用。CO2對(duì)裂隙內(nèi)的游離態(tài)CH4起到驅(qū)替作用，CO2形成壓力勢(shì)差，在壓力梯度的作用下驅(qū)動(dòng)游離態(tài)的CH4滲流，促進(jìn)CH4解吸，CH4排放量開始增加，CO2氣體開始突破煤體。

注氣中期，置換吸附–解吸作用占主導(dǎo)。CO2氣體突破煤體后，罐體內(nèi)煤樣壓力自上而下增加，壓力勢(shì)差逐漸減小，罐體內(nèi)攜帶作用自上而下減弱。CO2與CH4發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，將吸附位上的CH4置換出來(lái)，并由CO2攜往出口排出，吸附態(tài)CH4逐漸減少。

注氣后期，稀釋驅(qū)替起主導(dǎo)作用。CO2吸附逐漸平衡，吸附態(tài)CH4已被大量置換，孔裂隙內(nèi)殘留少量CH4。此時(shí)CO2對(duì)殘留的CH4氣體起到一個(gè)稀釋驅(qū)替的作用，但是排放量已經(jīng)很少，逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到CH4的最大排放量。

注入壓力越大，達(dá)到CH4最大排放量所用時(shí)間越短。CO2注入壓力為0.6、0.8、1.0 MPa時(shí)，CH4總排放量依次為90.287、94.088、97.448 L，分別上漲4.21%、7.93%；CH4最大排放量時(shí)間依次為15 960、11 040、10 550 s，分別縮減30.8%和33.9%。可見在低壓范圍內(nèi)，隨著CO2注入壓力增加，置換驅(qū)替出煤層中CH4氣體量隨之增加，且達(dá)到最大CH4排放量的時(shí)間縮短。

2.3 瓦斯擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律

在瓦斯抽采過(guò)程中，隨著煤層中瓦斯壓力降低，后期瓦斯主要來(lái)自基質(zhì)孔隙，擴(kuò)散作用逐漸顯現(xiàn)。CO2驅(qū)替CH4及CO2地質(zhì)封存也涉及2種混合氣體在煤中的吸附和擴(kuò)散。在驅(qū)替過(guò)程中，擴(kuò)散對(duì)解吸和滲流起橋梁作用，影響煤層氣產(chǎn)出和CO2注入。根據(jù)瓦斯擴(kuò)散理論，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)反映瓦斯在煤體中擴(kuò)散的快慢。楊其鑾等[20]運(yùn)用數(shù)理方法討論煤屑瓦斯擴(kuò)散方程的理論解。罐體為圓柱體形狀，內(nèi)徑為20 cm，高40 cm，處理數(shù)據(jù)先對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的滲透率進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)經(jīng)典擴(kuò)散系數(shù)公式，對(duì)相關(guān)所測(cè)數(shù)據(jù)(滲透率)求導(dǎo)，擬合曲線，采用的是大尺度柱狀單向擴(kuò)散模型計(jì)算。所以該擴(kuò)散系數(shù)可視為數(shù)學(xué)意義上對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)的轉(zhuǎn)換，并非真正物理理論意義上的擴(kuò)散(圖4)。

圖4 不同注氣壓力下瓦斯擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

從圖4中可以看出，擴(kuò)散系數(shù)呈先迅速增加，而后快速下降，最后趨于平衡的過(guò)程。注氣壓力越大，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)越大注氣壓力分別為0.6、0.8、1.0 Mpa時(shí)，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)最大值依次為2.27×10–5、3.36×10–5、4.62×10–5cm2/s。擴(kuò)散系數(shù)與分子平均自由程有關(guān)，分子平均自由程隨壓力增大而減小，在0.1~1.0 MPa，隨壓力的增大迅速減??；煤中孔隙壓力越大，其分子平均自由程越小，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。注氣初期，形成的壓力勢(shì)差更大，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)增加的幅度大，注氣中期，置換解吸–吸附效果更好，所以瓦斯擴(kuò)散系數(shù)降低較快。

圖5為0.8 MPa下瓦斯擴(kuò)散系數(shù)及瓦斯分壓占比隨時(shí)間變化的規(guī)律。由圖中可以看出，在同一注氣壓力條件(0.8 MPa)，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

注氣初期，吸附罐中煤裂隙內(nèi)的CH4處于吸附平衡狀態(tài)，注入的CO2使進(jìn)氣口與出氣口形成了壓力差，在壓力梯度作用下，裂隙內(nèi)游離態(tài)CH4被注入的CO2攜帶排出。從宏觀上來(lái)說(shuō)，注入的CO2在煤裂隙中形成了濃度差，CO2的有效擴(kuò)散系數(shù)也在注氣初期逐漸增大，隨CO2氣體攜帶出游離態(tài)CH4，其擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)增加。從微觀上來(lái)說(shuō)，注入的CO2氣體量較少，吸附作用較弱，但強(qiáng)化了解吸且放出熱量使游離態(tài)的CH4氣體分子不易吸附，吸附罐內(nèi)的CH4氣體量較多，孔隙內(nèi)CH4自然解吸和CO2的置換作用使CH4的解吸作用對(duì)孔隙的影響在注氣初期起較大作用，更有利于擴(kuò)散，CH4擴(kuò)散系數(shù)增大。

圖5 0.8 MPa壓力下瓦斯擴(kuò)散系數(shù)及瓦斯壓力占比隨時(shí)間的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中期，裂隙內(nèi)大量游離態(tài)CH4被排出，CO2氣體分子與煤裂隙表面、孔隙吸附位上的CH4分子開始發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，將吸附位上的CH4置換出來(lái)，CO2吸附并放出熱量，使CH4氣體分子變得活躍，孔隙內(nèi)的CH4分子解吸，成為游離態(tài)并隨氣流排出。CO2突破煤體后，吸附罐內(nèi)的CO2氣體分壓占比迅速上升，CO2氣體分子直徑小于CH4，容易進(jìn)入孔隙中，孔隙中能容納的CO2量更大。在置換過(guò)程中，由于CO2氣體的驅(qū)替作用，CH4釋放量被稀釋而變小，孔隙中的CH4濃度降低，孔隙與裂隙中的CH4氣體濃度差降低，擴(kuò)散變?nèi)酰瑑煞矫嬉蛩厥雇咚沟臄U(kuò)散系數(shù)減小。

實(shí)驗(yàn)后期，吸附態(tài)CH4氣體分子已經(jīng)被大量置換排出，CO2已逐漸達(dá)到吸附平衡，孔隙內(nèi)CO2氣體容納量也逐漸飽和，孔隙的變形量達(dá)到彈性形變的極限。后期，擴(kuò)散通路穩(wěn)定，孔隙內(nèi)的CH4氣體分子濃度很小，CH4擴(kuò)散量補(bǔ)給不夠，相比CO2其滲流量小得多，對(duì)氣體的擴(kuò)散影響不大，擴(kuò)散系數(shù)逼近0。

3 結(jié)論

a. 0.6~1.0 MPa低壓范圍內(nèi)，CO2突破煤體的時(shí)間分別為4 560、4 440、3 890 s，注氣壓力越大，CO2突破煤體的時(shí)間越短；煤中CO2封存量分別為16.483、16.742、19.907 mL/g，注氣壓力越大，CO2封存量越大；CH4達(dá)到最大排放量的時(shí)間越短，置換效率分別為76.98%、78.94%、81.27%，注氣壓力越大，置換效率越大，驅(qū)替效果越好。同一注氣壓力條件下，CH4排放量呈現(xiàn)3個(gè)階段，依次為急劇增加、緩慢增加和逐漸平穩(wěn)。

b. 注氣壓力越大，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的峰值越大。注氣壓力分別為0.6、0.8、1.0 MPa時(shí)，瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的最大值分別為2.27×10–5、3.36×10–5、4.62×10–5cm2/s。同一注氣壓力條件下，注氣驅(qū)替過(guò)程中瓦斯擴(kuò)散系數(shù)呈先增大后減小的變化規(guī)律。

c. 煤層甲烷的產(chǎn)出受解吸–擴(kuò)散–滲流過(guò)程的共同控制，在整個(gè)注氣階段，CO2對(duì)CH4主要起到驅(qū)替作用、置換吸附–解吸作用及稀釋驅(qū)替作用。每個(gè)階段的CH4氣體運(yùn)移情況不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)階段合理調(diào)整注氣流量、壓力等參數(shù)，使注驅(qū)技術(shù)搭配更合理。應(yīng)進(jìn)一步研究不同階段調(diào)整混合氣體注氣的比例，以優(yōu)化CH4氣體的驅(qū)替置換效果。

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Experimental study on the influence of CO2injection pressure on gas diffusion coefficient

ZHOU Xihua1,2, HAN Mingxu1,2, BAI Gang1,2,3, LAN Anchang3, FU Zhihao1,2

(1. School of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China; 2. Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China; 3. Yangquan Coal Industry(Group) Co. Ltd., Yangquan 045000, China)

Most of the coal seams in China are characterized by low pressure, low permeability and low saturation. The methane gas in the coal seam is slowly desorbed and diffused slowly, which affects the production rate of coalbed methane. The coal samples from Zhaozhuang Coal Mine of Jinmei Group were selected to study the influence of different gas injection pressure on CH4displacement process and the variation law of CH4diffusion coefficient in the process of displacement. Independently developed CO2displacement CH4test platform was used to carry out the experiments under different gas injection pressures such as 0.6, 0.8 and 1.0 MPa. The results show that the greater the displacement pressure, the shorter the time to reach the maximum CH4emission, the faster the breakthrough time of CO2, the greater the displacement efficiency and the better the displacement effect. The process of CH4gas displacement can be divided into three stages, first increasing sharply, then slowly increasing, and finally keeping stable. Under the same gas injection pressure, the gas diffusion coefficient first increases and then decreases with time. When the gas injection pressure is 0.6, 0.8 and 1.0 MPa, the corresponding maximum values of gas diffusion coefficient are respectively 2.27×10–5, 3.36×10–5, 4.62×10–5cm2/s. According to the experimental results, CO2plays an important role in CH4displacement, displacement adsorption-desorption and dilution displacement under different gas injection pressures. The migration of CH4gas in each stage is different, so the injection-gas flow rate, pressure and other parameters can be reasonably adjusted according to the corresponding migration of CH4gas in the experimental stage to make the injection and flooding technology collocation more efficient. The research results present a theoretical guidance for deep CO2burial and efficient gas extraction(CBM).

CO2breakthrough time; gas injection displacement; displacement efficiency; effective diffusion coefficient; Qinshui Basin

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語(yǔ)音講解

X936

A

1001-1986(2021)01-0081-06

2020-10-29；

2021-01-04

遼寧省教育廳青年項(xiàng)目(LJ2019QL002)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0807900)

周西華，1968年生，男，安徽淮北人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山安全、煤礦火災(zāi)與瓦斯高溫防治等研究. E-mail：xihua_zhou68@163.com

韓明旭，1996年生，男，遼寧阜新人，碩士研究生, 從事火災(zāi)與瓦斯災(zāi)害防治研究. E-mail：530553904@qq.com

周西華，韓明旭，白剛，等. CO2注氣壓力對(duì)瓦斯擴(kuò)散系數(shù)影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：81–86. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.008

ZHOU Xihua，HAN Mingxu，BAI Gang，et al. Experimental study on the influence of CO2injection pressure on gas diffusion coefficient[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：81–86. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.008

(責(zé)任編輯 范章群)