姜延航，周露函，白 剛,3，周西華，劉天祥，馬英杰

(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.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

我國(guó)煤層氣資源豐富，作為1種清潔且經(jīng)濟(jì)的能源，其開(kāi)采與利用逐漸成為熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。但我國(guó)煤層儲(chǔ)層普遍具有低透氣性、低滲透率的特點(diǎn)，導(dǎo)致瓦斯抽采率普遍偏低，嚴(yán)重制約煤層氣開(kāi)采事業(yè)的發(fā)展。隨著水力壓裂、高壓水射流等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，提高了儲(chǔ)層透氣性并實(shí)現(xiàn)高效抽采，但是在開(kāi)采后期儲(chǔ)層壓力的降低導(dǎo)致煤層氣回收率與產(chǎn)量迅速下降，開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性十分不理想[3-4]。受石油工程中“氣驅(qū)油”原理啟發(fā)，1995年，美國(guó)首先在圣胡安盆地進(jìn)行了CO2-ECBM現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)并取得成功，為煤層注CO2增產(chǎn)煤層氣這一工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)[5]，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益上均證實(shí)了注CO2驅(qū)替煤層氣的可行性。2007年，葉建平等[6]報(bào)道了我國(guó)首次在沁水盆地開(kāi)展煤層CO2注入微型先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)情況，初步證實(shí)了注入CO2可提高煤層氣采收率及有效地質(zhì)封存CO2。研究發(fā)現(xiàn)煤層對(duì)CO2吸附能力大于CH4[7-8]，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[9-10]，提高煤層氣的產(chǎn)量，同時(shí)在“雙碳”目標(biāo)下將CO2氣體封存在煤層中，減少全球氣候變暖的溫室效應(yīng)，達(dá)到兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益[11-12]。楊宏民等[13]、李樹(shù)剛等[14]通過(guò)開(kāi)展二元/多元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)/置換吸附實(shí)驗(yàn)，深入研究滲流驅(qū)趕和注氣置換驅(qū)替對(duì)CH4產(chǎn)量的影響。Sun等[15]發(fā)現(xiàn)甲烷采收率和CO2注入量隨CO2注入壓力的提高而增加，但隨著CO2注入壓力的增加，CO2注入壓力對(duì)甲烷采收率和CO2注入量的貢獻(xiàn)減弱。Bai等[16]得到CO2注入壓力越大，吸附孔比例逐漸減小，滲流孔的比例增大，CH4產(chǎn)出量增加的規(guī)律。王晉等[17]開(kāi)展了不同圍壓條件下的注CO2置換煤層CH4效果實(shí)驗(yàn)，得到低圍壓條件下置換效果更為顯著的規(guī)律。Liu等[18]研究得到CO2注入對(duì)提高CH4產(chǎn)量具有積極作用，在模擬時(shí)間內(nèi)，CH4回收率提高了4.26%～12.80%。黎力等[19]研究了不同注氣溫度下的CO2對(duì)CH4的驅(qū)替置換效果，發(fā)現(xiàn)提高注氣溫度(28～60 ℃)CH4產(chǎn)出率和CO2儲(chǔ)存率增加效果明顯，但常溫注氣和提高驅(qū)替溫度會(huì)使煤體滲透率降低。Fang等[20]采用COMSOL軟件對(duì)CO2-ECBM過(guò)程中滲透率演化進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)注入CO2引起的有效應(yīng)力變化、基質(zhì)收縮和膨脹的變化是影響滲透率的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[21]認(rèn)為孔隙壓力通過(guò)控制煤基質(zhì)對(duì)氣體的吸附解吸，并引起基質(zhì)膨脹和收縮，最終導(dǎo)致煤巖滲透特性發(fā)生變化。文獻(xiàn)[22]發(fā)現(xiàn)溫度影響煤巖的吸附特性并產(chǎn)生熱膨脹，最終導(dǎo)致煤巖滲透特性發(fā)生變化。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用煤粉顆?；蛟涸嚰M(jìn)行常態(tài)CO2和超臨界CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣研究，或基于理論分析進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)測(cè)試煤體兩端的出氣量來(lái)間接分析煤體中氣體的吸附/解吸、運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于煤層CO2驅(qū)替CH4的研究鮮有人涉及高溫氣態(tài)CO2領(lǐng)域?？紤]到提高注氣溫度和壓力可增加煤層氣的采收效率，通過(guò)向煤層注入超臨界CO2不僅增透效果顯著，而且提高了CH4采收率并有效實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存[23]。雖然注超臨界CO2效果顯著，但條件較為苛刻(P>7.38 MPa，T>31.1 ℃)，對(duì)于淺埋煤層以及部分深部巖體，氣體壓力無(wú)法達(dá)到臨界壓力值，且制造成本較高，煤層注熱CO2增產(chǎn)煤層氣越來(lái)備受關(guān)注。在CO2-ECBM過(guò)程中，煤層CO2與CH4氣體發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，使得CH4/CO2混合氣體在煤層內(nèi)運(yùn)移過(guò)程中氣體組分不斷發(fā)生變化，注氣溫度的提高和混合氣體的吸附解吸會(huì)引起煤體變形，對(duì)煤體的滲透特性產(chǎn)生影響，為此，研究煤層注熱CO2置換驅(qū)替CH4過(guò)程中CH4/CO2混合氣體引起煤層滲透率變化特性具有重要意義。

基于此，以山西沁水盆地晉煤集團(tuán)趙莊煤礦13122巷道煤樣為研究對(duì)象，采用自主研發(fā)的CO2驅(qū)替CH4多參數(shù)同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展注熱CO2置換驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注氣過(guò)程中注入與排出氣體的組分濃度和流量、進(jìn)出口壓力、煤層溫度和壓力等動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究置換驅(qū)替過(guò)程中出口流量、置換體積比等參數(shù)隨CO2注入溫度變化的影響規(guī)律，并探討注熱CO2提高煤層氣采收率過(guò)程中煤層滲透率的變化特征，研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用注熱CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣及在“雙碳”背景下實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存和減少碳排放奠定理論基礎(chǔ)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣選取中國(guó)山西沁水盆地3#煤層山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦，在13122巷道采集新露頭煤塊，用保鮮膜包裹好后裝在密封袋內(nèi)抽真空，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。該礦煤層埋深690 m，原始瓦斯壓力低，瓦斯抽采效率低，瓦斯含量在14～18 m3/t之間，含水率0.8%～7.5%，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將采集的煤塊剝離表面后，將煤塊砸成小塊狀，經(jīng)破碎機(jī)粉碎后篩選出規(guī)格為60～80目煤粉，其工業(yè)分析結(jié)果和吸附常數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)分析及Langmuir 參數(shù)Table 1 Industrial analysis and Langmuir parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括注氣系統(tǒng)、力學(xué)加載系統(tǒng)、置換驅(qū)替系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、氣體采集和吸收系統(tǒng)。高壓氣體鋼瓶中的甲烷，二氧化碳?xì)怏w純度均為99.99%，氣瓶出口端和出氣管路上采用減壓閥分別調(diào)節(jié)出口氣體壓力及從煤樣罐中排出的混合氣體壓力，進(jìn)氣管路被加熱帶所包裹，通過(guò)溫控裝置保證注入氣體溫度恒定，T1溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注入氣體溫度并傳送至計(jì)算機(jī)上，進(jìn)氣管路上裝有進(jìn)口質(zhì)量流量計(jì)(七星CS200C)實(shí)時(shí)記錄CH4/CO2進(jìn)氣流量。煤樣罐體(直徑0.2 m，高0.4 m)外纏繞加熱帶并與溫控裝置連接保證煤體溫度恒定。T2和P3，T3和P2，T4和P1分別裝在煤樣罐側(cè)面下部、中部和上部(間隔0.1 m)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)置換驅(qū)替過(guò)程中煤層溫度和壓力并傳送至計(jì)算機(jī)上。P5，P6壓力傳感器用于實(shí)時(shí)記錄罐體進(jìn)出口壓力變化，出氣管路上CH4/CO2傳感器用于讀取從煤樣罐中排出混合氣體的CH4/CO2濃度，干燥罐里裝有干燥劑，用于去除管路中氣體的水分。CH4/CO2總質(zhì)量流量計(jì)用于實(shí)時(shí)記錄出口管路中CH4/CO2混合氣體流量，高濃度NaOH溶液吸收用于混合氣體中的CO2氣體，末端的CH4出口質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)記錄出口管路中CH4流量，并可計(jì)算排出的CH4氣體量，然后根據(jù)二者差值計(jì)算排出的CO2氣體量，這里Ca(OH)2溶液用于檢驗(yàn)尾氣中是否含有CO2氣體。

圖1 注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of experimental system with gas injection for displacement

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)裝填煤樣。采用WAW-600C微機(jī)控制電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)將煤粉分3層依次壓實(shí)，煤層每層施加壓力均為315 kN，每層鋪設(shè)壓力、溫度傳感器，每次實(shí)驗(yàn)煤樣質(zhì)量為16 319.69 g。

2)密封性檢查。注入一定壓力的非吸附性He，檢驗(yàn)管路和煤樣罐密封性。

3)抽真空。將罐體與真空泵相連，抽真空時(shí)間在12 h以上，當(dāng)P1，P2，P3壓力傳感器絕對(duì)壓力均在0.004 MPa以下，且維持3 h不變，關(guān)閉真空泵。

4)CH4吸附飽和。注入CH4氣體，吸附平衡溫度恒定為30℃(與煤層地溫一致)，調(diào)節(jié)氣瓶出口端減壓閥壓力為0.454 MPa，關(guān)閉出氣口閥門(mén)并打開(kāi)進(jìn)氣口閥門(mén)，進(jìn)口質(zhì)量流量計(jì)(七星CS200C)與計(jì)算機(jī)相連實(shí)時(shí)采集CH4注入?yún)?shù)，當(dāng)P1，P2，P3壓力傳感器絕對(duì)壓力均在0.454 MPa，且維持4 h不變，認(rèn)為吸附達(dá)到平衡(吸附平衡時(shí)間一般為24 h)，關(guān)閉CH4氣瓶與進(jìn)氣口閥門(mén)。

5)注CO2氣體置換驅(qū)替CH4。調(diào)節(jié)CO2氣瓶出口端減壓閥壓力為0.8 MPa，同時(shí)打開(kāi)出氣口和進(jìn)氣口閥門(mén)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄孔隙壓力、氣體組分濃度、煤體溫度、各質(zhì)量流量計(jì)(七星CS200C)瞬時(shí)流量與累積量動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直到出口CH4濃度低于1%時(shí)且瞬時(shí)量低于20 mL/min時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

6)改變注氣溫度，重復(fù)步驟3)～5)，得到不同注氣溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 出口流量變化規(guī)律

注氣置換驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中氣體流量的變化是研究注CO2置換驅(qū)替CH4驅(qū)替效果的重要指標(biāo)，流量的變化直接反映出口氣體的產(chǎn)量，本文的突破時(shí)間是指在CO2氣體注入煤樣罐的一段時(shí)間后在煤樣罐出氣口混合氣體中檢測(cè)到CO2氣體排出的最短時(shí)間(CO2體積分?jǐn)?shù)>1%)，其大小因注入氣體的吸附性和滲透率等因素而異，不同注氣溫度下出口氣體流量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 氣體流量隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Change curves of gas flow rate with time

由圖2(a)可知，出口混合氣體流量表現(xiàn)為先緩慢上升、逐漸降低后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，注氣溫度由40 ℃升至60 ℃時(shí)，出口混合氣體流量增大，出口混合流量最大值分別為0.87，1.10，1.52 L/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)流量分別穩(wěn)定在0.58，0.88，1.32 L/min。

由圖2(b)可知，出口CH4流量與混合流量變化規(guī)律一致。當(dāng)注氣溫度由40 ℃升至60 ℃時(shí)，出口CH4流量最大值分別為0.37，0.70 L，1.01 L/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)流量分別穩(wěn)定在0.07，0.28，0.58 L/min左右。是由于突破時(shí)間之前，隨著CO2的注入，CO2分壓迅速上升而CH4的分壓迅速降低，CO2通過(guò)分壓促進(jìn)煤層CH4解吸，CO2的注入提高了罐體流場(chǎng)兩端的壓力差，增加了罐體流場(chǎng)兩端的流動(dòng)能量，促使解吸的CH4流動(dòng)加快，在壓力梯度的驅(qū)使下大量游離態(tài)的CH4從罐體流出，同時(shí)CH4被稀釋后體積分?jǐn)?shù)迅速降低，使得裂隙表面的微孔及小孔兩端重新獲得較大的濃度差，氣體開(kāi)始定向擴(kuò)散。不僅CH4會(huì)由于裂隙表面的CH4體積分?jǐn)?shù)迅速降低而向外擴(kuò)散，注入的CO2也會(huì)在濃度差的作用下從裂隙空間被煤基質(zhì)表面吸附并向微孔、小孔擴(kuò)散。CO2通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入微孔、小孔內(nèi)后，增加了孔內(nèi)壓力，可以促進(jìn)CH4的解吸，而從煤體解吸并擴(kuò)散至裂隙的CH4會(huì)被注入的CO2氣流帶走，由于微孔、小孔與煤基質(zhì)表面的濃度差的存在，所以解吸的CH4會(huì)不斷擴(kuò)散出來(lái)，此階段主要發(fā)生的是吸附和置換作用，由于罐體內(nèi)氣體壓力的迅速上升和濃度差的存在導(dǎo)致出口CH4流量逐漸上升。

突破時(shí)間之后，煤樣罐內(nèi)的CO2量不斷上升，無(wú)論是煤體吸附的CO2量還是游離CO2的量都呈上升趨勢(shì)，隨著煤中CH4的不斷排出，煤中CH4含量的減少，被注入煤層的CO2逐漸趨向于吸附平衡，引起煤層中的氣體濃度梯度開(kāi)始減弱，此時(shí)氣體壓力滲流和流動(dòng)載攜作用占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為較弱的置換解吸與持續(xù)的載攜驅(qū)替共同作用，即注入的CO2氣體大部分是以攜載游離CH4的方式從罐體出口排出，只有少部分被煤體吸附或者進(jìn)入腔體自由空間，因此排出的CH4流量緩慢下降，逐漸趨于穩(wěn)定。

此外，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)，注氣溫度越高，出口CH4流量越大，注氣溫度的提高，使得煤層中氣體分子獲得較多的動(dòng)能，增大了游離氣體分子活性，促進(jìn)CH4氣體分子從煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面解吸出來(lái)，所以排出的CH4流量隨注氣溫度提高而上升，相同時(shí)間內(nèi)，溫度越高，排出的CH4流量越大，促排效果越顯著。

2.2 置換體積比變化規(guī)律

由于煤對(duì)CO2吸附能力比CH4強(qiáng)，會(huì)將CH4擠出吸附位，將其從處于吸附狀態(tài)的煤中置換出來(lái)，表現(xiàn)CO2對(duì)CH4的置換解吸作用，為了表征不同注氣溫度下置換驅(qū)替過(guò)程中儲(chǔ)存CO2體積與產(chǎn)出CH4體積對(duì)比的量化關(guān)系，采用置換體積比，其為儲(chǔ)存CO2體積量與產(chǎn)出CH4體積量的商值，可以反映置換驅(qū)替過(guò)程中CO2對(duì)CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力，置換體積比的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：R為置換體積比；VCO2，VCH4分別為某注氣時(shí)間內(nèi)煤體中儲(chǔ)存CO2體積量和出口產(chǎn)出CH4體積量，L。

不同注氣溫度下置換體積比隨注氣時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，突破時(shí)間之前，不同注氣溫度條件下置換體積比呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且注氣溫度為60℃時(shí)，置換體積比減小速率較快。這主要由于在注氣開(kāi)始較短的時(shí)間內(nèi)，由于CO2氣流的帶動(dòng)下，注入CO2會(huì)快速占據(jù)處于游離態(tài)CH4的位置并賦存于大孔裂隙，另外，由于CH4的吸附勢(shì)能比CO2小，導(dǎo)致二者處于相同吸附位時(shí)，CO2占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從而更多的CO2被煤層儲(chǔ)存。隨著CO2的繼續(xù)注入，CO2溫度作用開(kāi)始顯現(xiàn)，氣體活性增加，煤層中的CH4越容易從煤基質(zhì)中解吸出來(lái)，更多的CH4氣體被CO2置換驅(qū)替出來(lái)，而溫度越高越不利于氣體吸附，因此置換體積比出現(xiàn)先增大后逐漸減小的情況。

圖3 置換體積比隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.3 Change law of replacement volume ratio with time

注氣溫度為40，50，60 ℃時(shí)，突破時(shí)間時(shí)置換體積比分別為2.68，2.73和2.39。突破時(shí)間之后，置換體積比開(kāi)始逐漸增加并趨于穩(wěn)定，此規(guī)律在注氣溫度為60 ℃時(shí)尤為明顯，這主要由于CO2氣體突破煤層后，大量游離態(tài)CH4已從裂隙內(nèi)排出，煤層內(nèi)氣體開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)吸附，CH4解吸成為游離態(tài)被注入CO2載攜出來(lái)，且CO2分子直徑大于CH4，更容易進(jìn)入孔隙中，CO2能夠賦存孔隙中的量更多，且出口CH4流量也呈逐漸下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)后期，煤層CO2吸附與CH4解吸逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)，因此置換體積比出現(xiàn)逐漸上升后期趨于穩(wěn)定的情況。注氣溫度為40，50，60 ℃時(shí)，注氣結(jié)束時(shí)置換體積比分別為2.704，2.741和2.595，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)產(chǎn)出單位體積的CH4，可以封存2.6～2.7倍左右體積的CO2，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證煤對(duì)CO2的吸附能力大于CH4，注氣溫度為60 ℃時(shí)驅(qū)替效果最好，在CO2持續(xù)注入條件下，煤層CH4能夠平穩(wěn)地產(chǎn)出，即置換驅(qū)替出單位體積的CH4使用的CO2量最少，說(shuō)明提高注氣溫度可以減少產(chǎn)出單位體積量CH4的CO2注入量，在不影響CH4產(chǎn)出的情況下既可以減少CO2的注入量，減少地質(zhì)封存區(qū)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)與降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，又可以在“雙碳”背景下將CO2實(shí)現(xiàn)地質(zhì)封存，減少碳排放。表明在實(shí)驗(yàn)測(cè)試40～60 ℃范圍內(nèi)，增大CO2注入溫度有助于提高CO2置換驅(qū)替煤層CH4的效果及煤層封存CO2。

2.3 煤層孔隙壓力變化規(guī)律

煤層孔隙壓力是影響煤巖滲透率的重要因素之一，煤層孔隙壓力的增加，使得氣體滲流通道變小，氣體在煤層中運(yùn)移困難，降低了煤層的滲透特性。利用P1，P2，P3壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤樣罐內(nèi)孔隙壓力，得到不同注氣溫度下煤層中孔隙壓力隨注氣時(shí)間變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 煤層孔隙壓力變化規(guī)律Fig.4 Change law of pore pressure in coal seam

由圖4可知， 相同注氣溫度條件下，P1，P2，P3壓力傳感器顯示值相差不大，且變化規(guī)律相同，說(shuō)明向罐體內(nèi)氣體壓力傳遞效果良好。隨著注氣時(shí)間的增加，煤層孔隙壓力逐漸上升后趨于平穩(wěn)，說(shuō)明CO2驅(qū)替置換CH4逐漸到達(dá)新的平衡，即宏觀上表現(xiàn)為孔隙壓力逐漸趨近注氣壓力0.8 MPa。注氣溫度為40，50，60 ℃時(shí)，CO2突破煤體時(shí)P1，P2，P3壓力傳感器監(jiān)測(cè)到煤層孔隙壓力最大值分別為0.67，0.69，0.54 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)最大值分別為0.73，0.80，0.73 MPa。

3個(gè)壓力傳感器顯示值大小規(guī)律為：P3>P2>P1，這是由于煤樣罐體架構(gòu)的設(shè)置，進(jìn)氣口位于罐體的底部，出氣口位于罐體的上部，CO2由罐體底部向上運(yùn)移，CO2沿煤層由下至上逐漸地驅(qū)替CH4，使得罐體下部的CH4氣體量增加，宏觀表現(xiàn)在P3測(cè)試點(diǎn)壓力首先增大，P2測(cè)試點(diǎn)壓力次之，最后為P1測(cè)試點(diǎn)壓力。P1測(cè)試點(diǎn)距離出氣口最近，P2測(cè)試點(diǎn)次之、P3測(cè)試點(diǎn)最遠(yuǎn)，突破時(shí)間之后混合氣流由下至上源源不斷地從罐體出氣口流出，排氣的動(dòng)力是因?yàn)榇嬖趬毫Σ?，這也是導(dǎo)致P3測(cè)試點(diǎn)壓力最大及煤層孔隙壓力逐漸增大并接近注氣壓力的原因。

同時(shí)由圖4(a)～圖4(c)可知，在CO2突破時(shí)間存在1個(gè)拐點(diǎn)，之后壓力迅速上升速率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)換，這可能與CO2從煤層中流出有關(guān)，突破時(shí)間之前，煤對(duì)CO2的吸附能力強(qiáng)，CO2不斷地填充煤體自由空間，導(dǎo)致氣體壓力不斷上升，突破時(shí)間之后，由于CO2從出氣口流出，CO2對(duì)煤體自由空間填充的能力減弱，但CO2吸附飽和度不斷增大，煤層對(duì)CO2吸附逐漸趨于平衡狀態(tài)，CO2又繼續(xù)填充到自由空間并導(dǎo)致孔隙壓力繼續(xù)上升。

2.4 煤層滲透率變化規(guī)律

煤層滲透率是開(kāi)采煤層氣的重要參數(shù)之一，可以反映CO2驅(qū)替CH4過(guò)程中氣體在煤層中運(yùn)移難易程度，直接影響著CH4產(chǎn)出和CO2封存效果，影響滲透率大小的因素有溫度、孔隙壓力和注氣壓力等，而注入溫度的改變必然導(dǎo)致滲透率的變化，為此研究不同注氣溫度下CO2驅(qū)替CH4過(guò)程中CH4/CO2混合氣體引起煤層滲透率變化具有重要意義[24]，煤層滲透率隨注氣時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示，其計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式中：k為滲透率，m2；Q為混合氣體流量，cm3/s；P0為大氣壓力，MPa；L為煤樣長(zhǎng)度，cm；A為煤樣橫截面積，cm2；P1為進(jìn)氣口氣體壓力，MPa；P2為出氣口氣體壓力，MPa；μmix為CH4/CO2混合氣體黏度，Pa·s，計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。

圖5 煤層滲透率隨注氣時(shí)間變化曲線Fig.5 Change curve of coal seam permeability with gas injection time

由圖5可知，相同注氣溫度條件下，突破時(shí)間之前，煤層滲透率較大，且趨于穩(wěn)定不變的變化趨勢(shì)。突破時(shí)間之后，隨注氣時(shí)間的增加，煤層滲透率逐漸降低后趨于平穩(wěn)，且下降速率加快。說(shuō)明注氣驅(qū)替會(huì)降低煤層滲透性，不同注氣溫度條件下CO2突破罐體時(shí)煤層滲透率分別0.583×10-15，0.819×10-15，1.131×10-15m2，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)煤層滲透率分別為0.017 1×10-15，0.011 2×10-15，0.009 8×10-15m2。

分析原因可能為：突破時(shí)間之前，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)CH4吸附平衡壓力為0.454 MPa，注氣壓力為0.8 MPa，CO2的注入使罐體流場(chǎng)兩端存在壓力差，導(dǎo)致作用在煤體上的有效應(yīng)力降低，可能產(chǎn)生新的裂隙結(jié)構(gòu)，煤體滲透率提高。隨著注氣時(shí)間的增加，煤吸附CO2體積量增加，吸附引起的煤基質(zhì)吸附膨脹使煤的孔裂隙通道吸附層增厚，同時(shí)CO2氣體分子會(huì)更多地附著在煤層內(nèi)部的孔/裂隙的表面，占據(jù)更多的氣體滲流通道，導(dǎo)致煤層孔隙壓力逐漸增大，煤體滲透率降低，二者共同作用導(dǎo)致煤層滲透率出現(xiàn)穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。突破時(shí)間之后，壓力差逐漸減小，煤吸附CO2已經(jīng)開(kāi)始向平衡階段過(guò)渡，此時(shí)煤層孔隙壓力繼續(xù)增大，由于罐體約束應(yīng)力(尤其是圍壓)的作用，導(dǎo)致煤體內(nèi)部分運(yùn)移通道收縮或閉合，影響CH4/CO2氣體在煤體內(nèi)部的運(yùn)移，從而導(dǎo)致煤體滲透率降低。

注氣溫度由40 ℃升至60 ℃時(shí)，煤層滲透率減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)煤層滲透率下降34.50%～42.69%。分析原因可能為：注氣溫度的提高，煤體會(huì)受熱膨脹，熱應(yīng)力抑制煤體內(nèi)孔裂隙擴(kuò)展，煤體膨脹主要向內(nèi)部發(fā)展，導(dǎo)致部分孔裂隙向內(nèi)閉合，滲流通道收縮，雖然溫度的升高不利于氣體吸附，但這對(duì)煤層滲透性產(chǎn)生的影響要小于煤體受熱膨脹所產(chǎn)生的影響。

綜上可知，CO2置換驅(qū)替CH4和提高CO2注入溫度會(huì)降低煤層的滲透性，這與文獻(xiàn)[19]研究結(jié)果一致。煤層滲透率變化是孔隙壓力、吸附CO2體積量及溫度等多因素綜合作用的結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)后期煤層吸附/解吸達(dá)到平衡，裂隙內(nèi)吸附氣體達(dá)到上限，宏觀表現(xiàn)為出口CH4/CO2混合氣體流量趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后期煤層滲透率逐漸趨于平緩。

3 結(jié)論

1)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的40～60 ℃范圍內(nèi)，提高CO2注入溫度有助于產(chǎn)出更多的CH4及封存CO2，出口混合氣體流量和CH4流量隨著CO2注入溫度的提升而增加，表現(xiàn)為逐漸升高、逐漸下降和趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

2)注氣溫度為40，50，60 ℃時(shí)置換體積比分別2.704，2.741，2.595。注氣溫度為60 ℃時(shí)驅(qū)替效果最好，置換驅(qū)替出單位體積的CH4使用的CO2量最少，既可以保證CH4平穩(wěn)產(chǎn)出，又可以降低地質(zhì)封存區(qū)CO2泄漏和煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在“雙碳”背景下將CO2實(shí)現(xiàn)地質(zhì)封存，減少碳排放。驅(qū)替期間煤層孔隙壓力逐漸上升后趨于平穩(wěn)，其數(shù)值逐漸接近注氣壓力0.8 MPa。

3)注氣驅(qū)替和提高注氣溫度使煤層滲透性降低。注氣溫度恒定時(shí)，滲透率隨注氣時(shí)間增加而表現(xiàn)為逐漸降低后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律，注氣溫度為40 ℃，50 ℃和60 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)煤層滲透率分別為0.017 1×10-15，0.011 2×10-15，0.009 8×10-15m2，下降了34.50%～42.69%。