鄭學(xué)召， 黃淵， 文虎,3， 王喜龍， 王寶元

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.國(guó)家礦山應(yīng)急救援西安研究中心， 陜西 西安 710054；3.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054)

0 引言

我國(guó)高瓦斯礦井占比超40%，其中95%的開(kāi)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(kāi)采過(guò)程中易發(fā)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(shù)難題[4]。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們做了大量的研究工作，文獻(xiàn)[5]分析研究了低滲透性煤層煤層氣開(kāi)采的有效技術(shù)，研究表明，煤層氣開(kāi)采需降低游離煤層氣的壓強(qiáng)，增大煤體的滲透性可促進(jìn)煤層氣開(kāi)采。文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)，向煤層中注入CO2不僅能促進(jìn)瓦斯解吸量的增加，還能保持煤儲(chǔ)層的壓力。文獻(xiàn)[7-8]根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定CH4、CO2的吸附能力，結(jié)果表明，煤對(duì)CO2的吸附能力比CH4強(qiáng)。文獻(xiàn)[9-10]分別采用GCMC方法、Langmuir方法模擬研究了混合氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)，研究表明，CO2氣體的吸附量、吸附熱大于CH4，CO2的吸附勢(shì)能小于CH4。文獻(xiàn)[11]利用大煤樣試件進(jìn)行CO2驅(qū)替CH4的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)替置換效果影響因素主要有壓力、速度和煤層CH4含量。文獻(xiàn)[12]利用自制的驅(qū)替試驗(yàn)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)驅(qū)替壓力會(huì)影響驅(qū)替效果，并證明壓力與驅(qū)替效果呈正相關(guān)。文獻(xiàn)[13]根據(jù)自主研發(fā)的MCQ-Ⅱ型煤層瓦斯驅(qū)替裝置研究發(fā)現(xiàn),增加注氣溫度可增加單位時(shí)間內(nèi)CH4的驅(qū)替量，進(jìn)而增加CO2的儲(chǔ)存量。

綜上所述，學(xué)者們從微觀的注氣驅(qū)替機(jī)理和宏觀的驅(qū)替效率影響因素方面進(jìn)行了大量研究，但多為模型層面的理論分析或模擬試驗(yàn)層面的多因素分析，具有針對(duì)性的物理模擬試驗(yàn)及量化分析較少。為此，本文基于自主設(shè)計(jì)的注CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同注氣壓力下的驅(qū)替過(guò)程中煤體內(nèi)CO2驅(qū)替CH4的滲流擴(kuò)散演化規(guī)律和時(shí)變特性，分析全過(guò)程中出氣口CO2、CH4濃度、累計(jì)CH4驅(qū)替量及驅(qū)替置換比等方面的變化規(guī)律，利用物理模擬試驗(yàn)探究注氣壓力對(duì)驅(qū)替置換效率的影響規(guī)律，并進(jìn)行量化分析。研究結(jié)果可為低滲透性煤層開(kāi)展注CO2提高煤層氣采出率(CO2-ECBM)相關(guān)理論研究及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)實(shí)施中注氣壓力參數(shù)的選取提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 煤樣制備

試驗(yàn)煤樣采自安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)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(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis results of coal sample

煤樣經(jīng)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(zhì)量等分成5組并密封保存。煤樣制備過(guò)程如圖1所示。

圖1 煤樣制備過(guò)程Fig.1 Coal sample preparation process

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

注CO2驅(qū)替置換CH4試驗(yàn)系統(tǒng)分為4個(gè)模塊，如圖2所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)中煤樣儲(chǔ)罐罐體為不銹鋼材質(zhì)，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(shù)據(jù)采集儀用于分析混合氣體組分濃度。

1—CH4氣瓶(體積分?jǐn)?shù)為99.9%)； 2—CO2氣瓶(體積分?jǐn)?shù)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(chǔ)罐； 13—流量計(jì)(0～160 mL/min)； 14—ZDC8-Z型數(shù)據(jù)采集儀； 16—真空度表； 17—真空泵。

1.3 試驗(yàn)原理

煤層是由裂隙網(wǎng)絡(luò)和煤基質(zhì)構(gòu)成的雙重介質(zhì)體[14]。高壓CO2氣體注入煤層后，CO2與裂隙網(wǎng)絡(luò)、煤基質(zhì)孔隙中的游離態(tài)CH4混合，形成自由混合態(tài)氣體。持續(xù)注氣，裂隙孔隙中CH4吸附區(qū)域CO2達(dá)到一定量時(shí)，CO2與裂隙孔隙中吸附態(tài)CH4形成吸附態(tài)混合氣體，CO2憑借其較強(qiáng)的吸附性，與煤體吸附態(tài)CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附位[15]，在滲透、擴(kuò)散與吸附-解吸的綜合作用下，將煤層中吸附態(tài)CH4置換、驅(qū)趕出來(lái)[16-17]。具體過(guò)程如圖3所示。

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

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過(guò)控制注入氣體的壓力，分析注氣壓力對(duì)CO2氣體驅(qū)替置換煤體中CH4過(guò)程的影響。試驗(yàn)中的注氣壓力P分別設(shè)為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MPa，環(huán)境溫度設(shè)為5 ℃。

本次試驗(yàn)前，用同種煤樣(張集礦B6煤)做了煤樣對(duì)CO2、CH4的等溫吸附試驗(yàn)，其中試驗(yàn)溫度依據(jù)張集礦實(shí)際情況和CO2基本性質(zhì)分別設(shè)置為5，10，15，20，25，30 ℃，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，煤體對(duì)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(duì)CO2驅(qū)替置換煤體CH4過(guò)程的影響，試驗(yàn)方案環(huán)境溫度選取試驗(yàn)設(shè)置的最低溫度，為5℃(煤體吸附CO2、CH4的含量高)。

1.5 試驗(yàn)步驟

(1) 型煤的制備及處理。將試驗(yàn)煤樣加入少量水后置于吸附煤樣儲(chǔ)罐內(nèi)，用高平?jīng)_擊儀施加10 MPa的壓力，壓制成型煤。為防止煤體水分對(duì)吸附解吸產(chǎn)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(tǒng)氣密性。向系統(tǒng)中注入氮?dú)?，? 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(shù)在保壓階段無(wú)明顯變化，則表明系統(tǒng)氣密性符合試驗(yàn)要求。

(3) 試驗(yàn)過(guò)程。① 調(diào)節(jié)恒溫控制系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)溫度。② 對(duì)煤樣儲(chǔ)罐和管路進(jìn)行真空處理，壓力表數(shù)值穩(wěn)定且保持6 h后關(guān)閉閥門。③ 向吸附罐內(nèi)注入高純CH4，當(dāng)出氣口CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，認(rèn)為吸附平衡，關(guān)閉進(jìn)氣閥門。④ 向吸附罐內(nèi)注入高純CO2，驅(qū)替過(guò)程開(kāi)始，當(dāng)出氣口CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，認(rèn)為新的吸附平衡出現(xiàn)，關(guān)閉CO2進(jìn)氣閥門。⑤ 注氣結(jié)束，關(guān)閉CO2進(jìn)氣閥門后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理，重復(fù)以上步驟，完成設(shè)計(jì)方案中的試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)分析

驅(qū)替環(huán)境為5 ℃時(shí)，各注氣壓力下，吸附罐內(nèi)CH4、CO2氣體體積分?jǐn)?shù)變化如圖4所示。

圖4 不同壓力下CH4和CO2氣體體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)基本相同，從整個(gè)過(guò)程看，可分為3個(gè)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?jǐn)?shù)為0，CH4氣體體積分?jǐn)?shù)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(jīng)“滲流-擴(kuò)散-吸附”的運(yùn)移演化進(jìn)程比較緩慢，打破原始平衡狀態(tài)需要一定的時(shí)間，此時(shí)CO2臨近突破。第Ⅱ階段(動(dòng)態(tài)平衡階段)：持續(xù)注氣，CO2氣體從煤體裂隙一直滲流、擴(kuò)散到煤基質(zhì)孔隙中，CO2突破，CO2濃度開(kāi)始增加，CH4濃度開(kāi)始減小，出現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。這是因?yàn)槊后w內(nèi)CO2氣體憑借其較強(qiáng)的吸附性占據(jù)CH4的吸附位，置換出吸附在煤體孔隙內(nèi)表面的CH4，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的CH4[18]。在濃度梯度作用下，CH4從煤體孔隙、煤體裂隙滲流、擴(kuò)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(xù)注氣，CO2氣體體積分?jǐn)?shù)增加至100%，CH4氣體體積分?jǐn)?shù)減小至0，新的平衡狀態(tài)出現(xiàn)，CH4不再發(fā)生解吸。

不同壓力下CH4和CO2氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖5所示。結(jié)合圖4與圖5(b)可知，注氣壓力由0.6 MPa升至1.4 MPa時(shí)，CO2的突破時(shí)間逐漸縮短，即打破原始平衡階段的時(shí)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(shí)間越短，煤體內(nèi)CO2、CH4氣體能更快地從原始平衡階段進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡階段。

(a) CH4氣體體積分?jǐn)?shù)變化曲線

(b) CO2氣體體積分?jǐn)?shù)變化曲線

在各個(gè)CO2壓注的參考?jí)毫ο?，煤體滲透率[19]可用Darcy定律計(jì)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(yàn)系統(tǒng)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(zhǎng)度，cm；A為試樣的橫截面積，cm2；p1為試驗(yàn)系統(tǒng)注氣口的壓力，MPa。

由式(1)可得，試驗(yàn)過(guò)程中，提高注氣壓力的同時(shí)，注氣、抽采兩端的壓力差升高，導(dǎo)致煤體的滲透率增大，進(jìn)而加快了CO2、CH4從煤體裂隙中滲流、擴(kuò)散的速度，因此，注氣壓力升高，CO2的突破時(shí)間變短。

各注氣壓力條件下的累計(jì)CH4驅(qū)替量變化如圖6所示。試驗(yàn)過(guò)程中，累計(jì)CH4驅(qū)替量VCH4的計(jì)算公式如下[20]：

(2)

式中：VCH4為任意時(shí)間內(nèi)累計(jì)CH4驅(qū)替量，mL；q為出氣口出氣流量，mL/min；φt為t時(shí)刻出氣口的CH4體積分?jǐn)?shù)，%；t為時(shí)間，min。

圖6 不同壓力下累計(jì)CH4驅(qū)替量Fig.6 Accumulated CH4 replacement volume at different pressures

由圖6可知：

(1) 隨著注氣時(shí)間增加，累計(jì)CH4驅(qū)替量增加，且增加速度隨時(shí)間增加而減小。這里主要是因?yàn)橄蝻柡臀紺H4的煤體注入CO2氣體，CO2會(huì)擴(kuò)散滲流到煤體孔隙內(nèi)表面，將煤體孔隙內(nèi)表面的吸附態(tài)CH4解吸置換出來(lái)，因此，在注氣初期，隨著注氣時(shí)間的增加，累計(jì)CH4驅(qū)替量增加速率較快。持續(xù)注氣，CO2先驅(qū)趕煤顆粒空隙、煤體裂隙中的游離態(tài)CH4，再滲流、擴(kuò)散到煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面，與其中吸附態(tài)CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附位，最終CO2置換出吸附態(tài)CH4。相比于驅(qū)替煤體空隙、裂隙網(wǎng)絡(luò)游離態(tài)CH4，置換煤體吸附態(tài)CH4的過(guò)程較緩慢，需更多的時(shí)間，所以，隨著注氣時(shí)間的推移，CH4產(chǎn)氣速率逐漸減小，累計(jì)CH4驅(qū)替量增加的速度也逐漸降低。

(2) 累計(jì)CH4驅(qū)替量隨CO2注氣壓力的增大而增大。主要是因?yàn)镃O2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(kuò)散到煤基質(zhì)孔隙中，置換出煤體孔隙內(nèi)表面的吸附態(tài)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(tài)CH4的有效分壓降低，開(kāi)始解吸逐步轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。提高注氣壓力，會(huì)促進(jìn)更多的CH4解吸轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，累計(jì)CH4驅(qū)替量因此而增加。

為表明試驗(yàn)過(guò)程中CO2與CH4之間的關(guān)系，引入驅(qū)替置換比表示驅(qū)替置換過(guò)程中CO2吸附量與CH4排出量的比值。驅(qū)替置換比的計(jì)算公式為

(3)

式中：K為驅(qū)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(jù)式(3)，分別計(jì)算環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)各注氣壓力下的驅(qū)替置換比，結(jié)果見(jiàn)表2。本次試驗(yàn)前已對(duì)煤樣對(duì)CO2的等溫吸附解析進(jìn)行試驗(yàn), CO2吸附量Q1的計(jì)算公式為Q1=abP/(1+bP)×m，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得到煤樣吸附CO2常數(shù)a=62.2 m3/t,b=1.94 MPa-1，煤樣質(zhì)量m為775.5 g。

表2 驅(qū)替置換比Table 2 Replacement ratio

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

3 結(jié)論

(1) CO2、CH4濃度變化可分為原始平衡階段、動(dòng)態(tài)平衡階段和新平衡階段3個(gè)階段。不同注氣壓力下原始平衡、動(dòng)態(tài)平衡和新平衡3個(gè)階段變化趨勢(shì)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(shí)間逐漸縮短，動(dòng)態(tài)平衡階段時(shí)間增加，而新平衡階段的時(shí)間大致相同。

(2) 不同注氣壓力下，累計(jì)CH4驅(qū)替量隨著注氣時(shí)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(shí)，累計(jì)CH4驅(qū)替量增加，驅(qū)替置換比由4.99降至4.10，驅(qū)替置換效率提升。

(3) 根據(jù)不同注氣壓力下煤體CO2、CH4滲流擴(kuò)散規(guī)律和時(shí)效特性，再綜合不同注氣壓力下累計(jì)CH4驅(qū)替量，得出在5 ℃條件下，注氣壓力為1.4 MPa時(shí)驅(qū)替置換比最小，驅(qū)替效率最好。在開(kāi)展CO2-ECBM相關(guān)工作時(shí)，在相關(guān)技術(shù)設(shè)施允許條件下，注氣壓力參數(shù)宜選取最大值。