劉 鋒

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

空間拓?fù)涮卣髂軌驕?zhǔn)確描述孔裂隙的空間結(jié)構(gòu)及連通關(guān)系。煤各級孔隙內(nèi)的氣體遷移過程以吸附/解吸、擴(kuò)散和滲流為主，在不同煤體之間表現(xiàn)出的差異性取決于煤孔裂隙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1，2]。煤體注二氧化碳置驅(qū)瓦斯技術(shù)(CO2-ECBM)，利用CO2與CH4在煤孔隙系統(tǒng)中的競爭吸附原理，實(shí)現(xiàn)CO2的有效地質(zhì)封存，同時(shí)提高煤層瓦斯抽采效率[3，4]，對“雙碳”背景下化石能源的綠色清潔開發(fā)意義重大。由于這一過程廣泛涉及氣體的吸附/解吸、擴(kuò)散和滲流現(xiàn)象，導(dǎo)致煤體空隙空間拓?fù)涮卣鞒蔀闆Q定CO2-ECBM技術(shù)能否高效實(shí)施的關(guān)鍵因素[5，6]。

關(guān)于煤孔隙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與CH4產(chǎn)出規(guī)律之間的聯(lián)系，最早采用壓汞法和氣體吸附法得到了煤巖大孔(>1000 nm)、中孔(100～1000 nm)、介孔(10～100 nm)和微孔(1～10 nm)的孔徑分布、比表面積、分形維數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]，并將CH4運(yùn)移與之對應(yīng)，對于孔隙形態(tài)及連通性僅通過進(jìn)退汞或吸脫附曲線作定性推理[8，9]。此后，諸多學(xué)者通過構(gòu)建孔隙模型并結(jié)合動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方程研究不同孔徑階段下Fick定律、Darcy定律的適用性[10，11]，但涉及真實(shí)煤體的流體運(yùn)移規(guī)律時(shí)仍存在偏差，原因在于經(jīng)典的孔隙模型通常是真實(shí)孔隙網(wǎng)絡(luò)的簡化，二者的空間拓?fù)涮卣鞔嬖谳^大差異。近年來，隨著光學(xué)無損檢測技術(shù)的發(fā)展，射線掃描三維重構(gòu)手段的廣泛應(yīng)用，使得學(xué)者們能夠獲取更貼近實(shí)際的煤孔隙結(jié)構(gòu)模型，并對孔隙參數(shù)與氣體運(yùn)移的關(guān)系進(jìn)行了深入探討[12-14]，但仍未能從根本上解釋空間拓?fù)涮卣髋c氣體遷移之間的內(nèi)在聯(lián)系。

目前，在CO2-ECBM技術(shù)領(lǐng)域，煤孔隙空間拓?fù)涮卣鲗ν咚怪抿?qū)規(guī)律的影響鮮有報(bào)道。為了深入探究CO2-ECBM技術(shù)應(yīng)用背后的這一科學(xué)問題，本文選取未受擾動(dòng)的塊狀褐煤、肥煤及無煙煤樣品，通過X-ray CT掃描，精確重構(gòu)煤孔隙三維空間結(jié)構(gòu)，并量化分析孔隙系統(tǒng)的空間拓?fù)涮卣?。此外，通過受載原煤原位注CO2置驅(qū)CH4分步實(shí)驗(yàn)，闡明不同孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)中的CO2-ECBM過程，進(jìn)而揭示煤孔隙空間拓?fù)涮卣鲗ν咚怪抿?qū)效應(yīng)的影響。

1 煤樣制備和試驗(yàn)

1.1 煤樣制備

試驗(yàn)原煤樣品分別取自羊場灣礦(褐煤)、勝利礦(肥煤)和陽煤一礦(無煙煤)，并通過鉆取和打磨制成?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)原煤試件(圖1)，經(jīng)真空脫氣干燥后，用于受載原煤注CO2置驅(qū)CH4實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，將取自同一地點(diǎn)的原煤樣品切割為5 mm×5 mm×10 mm的長方體樣品，經(jīng)過真空脫氣干燥后開展CT實(shí)驗(yàn)。

圖1 置驅(qū)實(shí)驗(yàn)煤樣

1.2 X-ray CT掃描

煤中不同成分對X射線的吸收系數(shù)不同，X-ray CT掃描實(shí)驗(yàn)利用掃描圖像不同灰度值反映孔隙、煤基質(zhì)和礦物質(zhì)[15，16]。本次試驗(yàn)采用Nano Voxel-3000高分辨率CT掃描系統(tǒng)，測試電壓120 kV，測試電流50 μA，曝光時(shí)間1000 ms，掃描模式為局部掃描。因?yàn)橹迫∶簶又胁豢杀苊馄茐牧似浔砻嫘蚊?，使孔隙結(jié)構(gòu)改變，為減小邊緣誤差，對原始CT序列圖像進(jìn)行裁剪[17]，每個(gè)煤樣均得到1400幅990×990的灰度圖，像素邊長2 μm。

1.3 受載煤體CO2-ECBM試驗(yàn)

試驗(yàn)采用自行研制的受載原煤注氣置驅(qū)甲烷THM耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成(圖2)，試驗(yàn)步驟為：①檢查系統(tǒng)氣密性，向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)通入4 MPa氦氣，待各壓力傳感器顯示的壓力保持6 h無變化視為氣密性良好；②將系統(tǒng)抽真空，把煤樣裝載到三軸滲流夾持器，溫度設(shè)定在24～26 ℃范圍內(nèi)，圍壓升至4 MPa；③將CH4氣體吸附壓力設(shè)為2 MPa，待吸附平衡并穩(wěn)定12 h，進(jìn)行常壓解吸且記錄出口氣體流量和壓力；④解吸穩(wěn)定后開始注入1 MPa的CO2氣體，同時(shí)記錄進(jìn)出口流量、壓力和組分，直至出口CH4濃度為0；⑤將CO2注入壓力設(shè)為2 MPa，并重復(fù)步驟④；⑥將圍壓升至6 MPa，重復(fù)步驟②—⑤。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

考慮到煤層注氣前煤壁會(huì)自然釋放瓦斯，因此在注CO2前對吸附CH4達(dá)平衡狀態(tài)的煤樣進(jìn)行常壓解吸，進(jìn)而排除CH4解吸對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

2 原煤孔隙幾何拓?fù)涮卣髁炕治?/h2>

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)三維重建

對X-ray CT掃描的羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤的灰度圖像，進(jìn)行對比度調(diào)節(jié)、降噪、去環(huán)形偽影等一系列后處理[18]，以準(zhǔn)確識(shí)別孔隙。

為了保證煤孔隙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重建的真實(shí)性，本文采用最大類間方差法對16 bit灰度圖進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)文獻(xiàn)[19]方法計(jì)算得到的羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤孔隙閾值依次為32464，17248，27224。隨后利用Avizo軟件內(nèi)置算法對煤孔隙系統(tǒng)進(jìn)行三維重建。

由于氣體主要滲流通道為連通孔隙系統(tǒng)，故剔除孤立孔隙，得到連通孔隙系統(tǒng)，如圖3所示。由圖3可見，羊場灣褐煤的孔裂隙布滿整個(gè)空間，勝利肥煤和陽泉無煙煤則存在不同程度孔隙缺陷區(qū)域?？梢?，羊場灣褐煤的孔裂隙分布最廣，滲流通道發(fā)育最好，更有利于注CO2對CH4的置驅(qū)效應(yīng)。

圖3 煤體連通孔隙團(tuán)(μm)

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

孔隙系統(tǒng)逾滲概率是空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，能夠反映孔隙系統(tǒng)的連通性和滲透性[20]。通過計(jì)算得到了羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤連通孔隙團(tuán)的逾滲概率，依次為15.34%，10.94%，9.88%。3個(gè)煤樣的等效孔徑分布頻率如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤的孔隙(孔徑1～100 μm)的占比分別是46.43%，97.59%，99.98%，平均等效孔徑分別為113.35，52.42，35.83 μm?？梢姡S著三組樣品煤變質(zhì)程度升高，等效孔徑變小，特別是勝利肥煤和陽泉無煙煤中可見裂隙基本消失，而滲流通道的缺失會(huì)阻礙注CO2置驅(qū)CH4過程的發(fā)展。

圖4 煤孔隙直徑分布

3個(gè)煤孔隙空間拓?fù)鋮?shù)見表1。對于三種煤樣，隨變質(zhì)程度升高，孔隙的表面積和體積均減小，意味著變質(zhì)程度與單個(gè)孔隙的吸附性、滲流特性呈負(fù)相關(guān)。形狀因子可反映孔隙形狀的規(guī)則程度，標(biāo)準(zhǔn)球體的形狀因子為1。煤中孔隙形狀隨變質(zhì)程度升高趨于球形，球狀孔利于氣體的賦存但不利于運(yùn)移。

表1 孔隙幾何拓?fù)涮卣鞑糠謪?shù)

2.3 孔隙空間拓?fù)涮卣?/h3>

在孔隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，基于中軸線算法[21]計(jì)算得出孔隙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示，詳細(xì)參數(shù)見表2。分析可知，對于3種煤樣，隨煤變質(zhì)程度升高，孔隙和喉道直徑均減小，即氣體運(yùn)移的通道變窄，而通道直徑與流體運(yùn)動(dòng)阻力呈負(fù)相關(guān)，因此在出入口壓差相等的條件下，流體流過陽泉無煙煤最困難。喉道長度越短，意味著孔隙間距離更緊湊，孔隙間氣體交換距離更短。配位數(shù)則是直接衡量孔隙之間連通性強(qiáng)弱的指標(biāo)，配位數(shù)大說明任意不相鄰的兩孔隙間流體運(yùn)移路徑更多，即氣體在孔裂隙空間運(yùn)移范圍更廣更深。

表2 煤孔隙空間拓?fù)鋮?shù)

圖5 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(μm)

3 孔隙空間拓?fù)涮卣鲗O2-ECBM的影響

結(jié)合3種煤樣孔隙幾何拓?fù)涮卣?，對注CO2置驅(qū)CH4的過程進(jìn)行深入分析。受載原煤CO2-ECBM過程中夾持器出口CH4的產(chǎn)出具備階段性變化規(guī)律，如圖6所示。將中期直線下降階段數(shù)據(jù)擬合為直線b，同理將早期和后期平緩階段數(shù)據(jù)擬合為直線a和c，直線b與a和c的交點(diǎn)分別A和B，A和B點(diǎn)所在的垂線將整個(gè)置驅(qū)過程曲線大致分為三個(gè)時(shí)期：

圖6 置驅(qū)階段劃分

1)置驅(qū)早期。CH4體積分?jǐn)?shù)呈對數(shù)升高，CO2尚未突破煤體，該階段高壓CO2被注入孔裂隙，后經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入基質(zhì)孔隙，隨后將孔隙表面吸附態(tài)CH4置換。

2)置驅(qū)中期。CH4體積分?jǐn)?shù)開始劇烈下降，出口處檢測到CO2，此階段注入的CO2一部分經(jīng)置換吸附態(tài)CH4，另一部分稀釋、載攜游離CH4排出煤體。

3)置驅(qū)后期。CH4體積分降低趨勢變平緩，此時(shí)煤體中CO2基本達(dá)到吸附平衡，CH4置驅(qū)結(jié)束。

3.1 甲烷產(chǎn)出濃度

CH4產(chǎn)出體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖7所示，對比不同曲線可知，降低圍壓或提高注氣壓力均可縮短整個(gè)置驅(qū)過程，這是由于圍壓的降低能夠削弱煤孔裂隙閉合，改善孔裂隙系統(tǒng)連通性。提高注氣壓力能夠提升CO2孔隙分壓，促進(jìn)其擴(kuò)散、吸附，從而加速置驅(qū)過程。

圖7 CH4產(chǎn)出體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

對于具有不同孔隙空間拓?fù)涮卣鞯拿后w而言，當(dāng)圍壓為4 MPa、注氣壓力為2 MPa時(shí)：①置驅(qū)早期，羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤分別用時(shí)56，37，16 min，CO2突破時(shí)間依次降低，這是由于羊場灣褐煤孔隙分布廣泛，孔徑發(fā)育均衡，基質(zhì)孔隙和裂隙間溝通充分，更有利于氣體滲流，氣體擴(kuò)散范圍更大，使置驅(qū)作用能在煤中更大范圍內(nèi)進(jìn)行。而勝利肥煤、陽泉無煙煤孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)存在空間缺陷，嚴(yán)重制約滲流環(huán)節(jié)，CO2氣體擴(kuò)散范圍小，因此置驅(qū)早期時(shí)間短。②置驅(qū)中后期，羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤分別用時(shí)28，35，36 min，這是由于羊場灣褐煤孔隙具有連通性較好的空間拓?fù)湎到y(tǒng)，暢通的滲流孔道有助于基質(zhì)孔隙濃度差的形成，加快CH4的置換、滲流進(jìn)程。

3.2 置驅(qū)體積比

置驅(qū)體積比ω和置驅(qū)效率η是定量評價(jià)CO2-ECBM效果的重要指標(biāo)，計(jì)算方法見式(1)和式(2)。

CH4產(chǎn)出流量隨置驅(qū)體積比的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，在同一圍壓環(huán)境中，隨著注氣壓力增大，CO2突破煤體的置驅(qū)體積比降低，其中羊場灣褐煤降低程度最大，這是由于煤孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)連通性越強(qiáng)，氣體滲流、擴(kuò)散對注氣壓力變化越敏感，隨著注氣壓力的提升，置驅(qū)速率越快，置驅(qū)范圍也越廣，CO2對吸附態(tài)CH4的置驅(qū)越高效，體現(xiàn)為CH4產(chǎn)出流量變大、置驅(qū)體積比減小。但勝利肥煤和陽泉無煙煤孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)存在局部缺陷，因氣體滲流、擴(kuò)散通道的缺失，導(dǎo)致裂隙中CO2壓力提高后只在很小范圍內(nèi)提升了擴(kuò)散速度，對置驅(qū)過程影響較小。不同的是，陽泉無煙煤的CH4置驅(qū)流量更大，幾乎是勝利肥煤的3倍?？梢?，陽泉無煙煤豐富的基質(zhì)微孔為氣體提供了足夠的吸附空間，能夠彌補(bǔ)孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)缺陷產(chǎn)生的不足。

圖8 CH4產(chǎn)出流量變化規(guī)律

3.3 置驅(qū)效率

置驅(qū)效率隨置驅(qū)體積比的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，提高注氣壓力或降低圍壓能提高置驅(qū)效率，但對于三種煤樣，這種效果隨煤變質(zhì)程度增加而減小。這是由于降低圍壓會(huì)使孔裂隙發(fā)生一定程度擴(kuò)張，孔裂隙間連通性增強(qiáng)，改善了CO2/CH4的運(yùn)移環(huán)境，因此置驅(qū)效率提高。其中羊場灣褐煤置驅(qū)效率提升最大，究其原因，其孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)更加完善，故置驅(qū)效率提升更明顯；勝利肥煤、陽泉無煙煤本身滲流通道匱乏，降低圍壓和提高注氣壓力對滲流、擴(kuò)散性能改善不大，因此置驅(qū)效率提升小。值得注意的是，在同一條件下，陽泉無煙煤的置驅(qū)效率甚至高于勝利肥煤，這是由于隨變質(zhì)程度升高，煤基質(zhì)對CO2的吸附力變強(qiáng)，彌補(bǔ)了缺失滲流通道導(dǎo)致的擴(kuò)散、吸附解吸驅(qū)動(dòng)力不足，提升了CO2運(yùn)移能力。

圖9 置驅(qū)效率變化規(guī)律

4 結(jié) 論

1)羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤的變質(zhì)程度依次升高，等效孔徑、孔喉直徑、逾滲概率等孔隙空間拓?fù)鋮?shù)逐漸降低，孔裂隙發(fā)育程度、空間分布及連通性逐漸變差。

2)CO2-ECBM過程分早期、中期、晚期3個(gè)不同階段。羊場灣褐煤因其孔隙系統(tǒng)的廣泛發(fā)育，早期階段緩慢，中后期階段較快。而陽泉無煙煤缺少滲流、擴(kuò)散通道，連通性差，不利于氣體運(yùn)移過程，因此早期階段較快，而中后期階段緩慢。

3)提高注氣壓力或降低圍壓是顯著提升CO2-ECBM置驅(qū)效率的有效途徑，對于陽泉無煙煤效果最為顯著，其發(fā)育的大量吸附孔，能夠彌補(bǔ)孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)缺陷導(dǎo)致的圍壓、注氣壓力對置驅(qū)效率調(diào)控的不足。

4)本文探討了不同應(yīng)力條件下，羊場灣褐煤、勝利肥煤、陽泉無煙煤三種不同的孔隙拓?fù)湎到y(tǒng)對CO2-ECBM過程的影響規(guī)律，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步闡明其蘊(yùn)含的復(fù)雜過程，并揭示現(xiàn)象本質(zhì)。