2020, Vol. 41
2. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000
2. School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
受石油系统“气驱油”科技的启发，1995年，美国首先在圣胡安盆地进行了CO2-ECBM现场试验[1]，煤层气产量增加了1.5倍，采收率高达95 %.此后，加拿大、欧盟、日本先后进行了CO2-ECBM试验[2-6]，从技术和经济上均证实了注CO2驱替煤层气的可行性.2004年，中国在山西沁水盆地进行了CO2-ECBM试验，也取得良好的效果.对煤层注CO2促排瓦斯机理，前人做了大量的工作，归纳如下：①“置换”作用机理.根据Langmuir吸附理论，煤表面存在能够吸附气体分子或者原子的吸附位.多元混合气体竞争吸附时，吸附能力强的气体势必优先吸附，置换吸附时，吸附能力强的气体能够把吸附能力弱的气体挤出吸附位.当注入比CH4吸附性强的气体，能将其从处于吸附状态的煤中置换出来，这就是注入气体的置换作用机理.②“分压”作用机理.当向煤层中注入具有吸附性的气体时，两种气体吸附解吸行为发生变化，这种情况下，煤对气体组分的吸附平衡可用扩展的Langmuir方程来描述[7]，只要向煤体中注入吸附性气体，就能降低CH4的吸附量，从而达到促进CH4解吸的目的.Katayama[6]进行了不同条件下的注CO2驱替实验，认为CO2凭借较强吸附能力能够置换出煤中吸附的CH4，同时气体的注入也降低了CH4的分压，促进了CH4解吸.③“增流”作用机理.众所周知，煤层通常被视为孔隙-裂隙双重介质，而CH4在煤中处于吸附和游离两种状态，孔隙为吸附状态的CH4提供扩散空间，裂隙为游离状态的CH4提供渗流通道.在煤层未受采动影响之前，CH4处于吸附和游离动态平衡，只要煤层受到采动影响，这种平衡状态就被打破，CH4就会不断地涌出煤层[8].根据陈立伟等[8]注CO2驱替渗流实验显示，注气提高了煤层空隙压力，导致CH4扩散-渗流速度同步提高.梁卫国等[9]认为注气就是向煤层注入能量，增加了渗流速度，促使瓦斯解吸流出煤体.李元星[10]也认为注气驱替瓦斯的机理主要有三个：一是置换作用，二是增流作用，三是改变煤层孔隙结构提高渗透率.
综上所述，前人对煤层注入CO2驱替煤层CH4的机理进行了宏观研究.但是，在注CO2驱替瓦斯过程中，这些机理是否同时发挥作用？是否存在转化的过程？是否存在主次之分？因此，本文拟结合前人对煤层注气促排瓦斯机理的认识，通过对注气过程的分解，揭示煤层注气驱替瓦斯机制.
1 实验装置与实验方法 1.1 实验装置模拟实验系统由应力加载单元、真空单元、注气控制单元、注气流量监测单元、出口气体流量和体积分数监测单元、煤层内气体压力监测单元等组成，如图 1所示.
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图 1 煤层注气模拟装置系统图 Fig.1 System diagram of coal seam gas injection simulation device 1—气相色谱仪；2—气体收集口；3—出口低压流量计；4—反力架；5—油压千斤顶；6—模拟实验腔体；7—注气口高压流量计；8—真空泵；9—高压钢瓶；10—压力控制器；11—压力监控计算机. |
本实验煤样来自豫西荥巩煤田河南大峪沟煤业集团有限责任公司华泰煤矿二煤层，采用0.17~0.25 mm的颗粒煤进行实验.实验室测得煤样的各项参数：水分4.54 %；灰分14.66 %；挥发分8.43 %；真密度1.76 t/m3；视密度1.68 t/m3.
1.3 实验方法及步骤根据煤层注气特征，综合考虑煤层注气过程中的各个环节，确定了“分层预压装载煤样→抽真空→充入CH4吸附平衡→高压游离CH4泄压预排→注气→注气结束后自然泄压排放”6个关键步骤的实验方法.实验总体流程框图如图 2所示.
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图 2 煤层注气模拟实验方法流程框图 Fig.2 Block diagram of coal seam gas injection simulation experiment method |
按照1.3节所述实验方法和步骤进行了煤层注CO2驱替瓦斯实验，其他条件及实验结果详见表 1.
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表 1 煤层注CO2驱替瓦斯实验条件及结果 Table 1 Displacement CH4 experimental conditions and results by injecting CO2 into coal bed |
不同注气压力条件下，析出气体体积分数随时间变化规律如图 3~图 5所示.
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图 3 析出气体体积分数随注气时间的变化规律(0.6 MPa) Fig.3 Variation of discharge mixed gas concentration with time(0.6 MPa) |
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图 4 析出气体体积分数随注气时间的变化规律(1.0 MPa) Fig.4 Variation of discharge mixed gas concentration with time(1.0 MPa) |
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图 5 析出气体体积分数随注气时间的变化规律(1.4 MPa) Fig.5 Variation of discharge mixed gas concentration with time(1.4 MPa) |
由图 3~图 5可以得出：析出CO2气体表现出明显的滞后现象，析出混合气体中出现CO2后，CH4体积分数急剧下降，CO2体积分数急剧上升，二者此消彼长.注气初期的一段较长时间内，析出混合气体中CH4体积分数为100 %，析出混合气体中无CO2析出，CO2表现出明显的滞后现象.滞后时间随注气压力的不同而异，注气压力为0.6，1.0和1.4 MPa时，CO2析出的滞后时间分别为440，236和144 min，即CO2析出的滞后时间随注气压力的增加而减小.注气压力为0.6 MPa时，CH4体积分数从100 %下降到29.15 %用了367 min；注气压力为1.0 MPa时CH4体积分数从100 %下降到6.57 %用了520 min；注气压力为1.4 MPa时CH4体积分数从100 %下降到6.94 %用了382 min.
2.2 析出CH4体积随时间变化规律煤层注CO2驱替瓦斯实验中析出CH4体积变化规律如图 6所示.
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图 6 析出CH4体积随注气时间变化规律 Fig.6 Variation of CH4 volume with time |
由图 6可以得出：随着注气时间的增加，CH4持续析出，但析出流量初期小幅上升，直至CO2析出，开始缓慢下降.析出CH4的速度和体积与注气压力呈正比关系，在相同的时间内，1.4MPa析出CH4的的体积最多，0.6MPa析出CH4的体积最少.析出CH4的体积与注入CO2体积呈正比关系，但低压注气驱替瓦斯效益优于高压注气，即析出相同体积的CH4，采用低压注气耗气量最少.
2.3 滞留煤中CO2体积随时间变化规律煤层注CO2驱替瓦斯实验中滞留煤中CO2体积变化规律如图 7所示.
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图 7 滞留在煤中CO2体积随时间变化规律 Fig.7 Variation of CO2 volume retained in coal with time |
由图 7可以得出：①在出气口检测到CO2前(本文称为CO2突破腔体时间)，注入CO2全部滞留在煤中.注气压力为0.6 MPa时，突破时间440 min，滞留CO2体积425.24 L；注气压力为1.0 MPa时，突破时间236 min，滞留CO2体积508.38 L；注气压力为1.4 MPa时，突破时间144 min，滞留CO2体积606.00 L. ②注气初始，滞留煤中体积总体上呈上升趋势，后期趋于稳定，且注气压力越大，滞留气体体积越大.注气压力为0.6 MPa时，注气结束时滞留煤中CO2体积671.83 L；注气压力为1.0 MPa时，注气结束时滞留煤中CO2体积1 000.18 L；注气压力为1.4 MPa时，注气结束时滞留煤中CO2体积1 074.76 L.
3 注CO2驱替煤层CH4机制转化过程及主导作用 3.1 置换效应和驱替效应定义煤层注气驱替瓦斯是一个动态变化的过程，随着注入气源、注气压力、注气时间的不同，析出气体流量、体积分数、体积不断发生变化，从而也说明注气驱替煤层CH4是多种机理共同作用的结果.因此，为了厘清煤层注气驱替瓦斯机理的动态演化过程，结合国内外专家对煤层注气驱替瓦斯机理的认识，给出如下两个定义.
1) 置换效应.注源气体进入煤体后，凭借强吸附性与CH4发生置换吸附或因凭借高注气导致CH4分压减小，引起煤中吸附态CH4解吸出来的现象.
2) 驱替效应.注源气体进入煤体后，凭借高压气流携带处于游离状态CH4流出煤体，打破原有的平衡状态，引起煤中吸附态CH4解吸出来的现象.
3.2 注气驱替煤层CH4定量化判定依据根据置换和驱替效应的含义及判定依据，用置换比例或驱替比例来进行定量描述注CO2过程中置换作用和驱替作用的变化过程及地位.置换比例和驱替比例如式(1)和式(2)所示.
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(1) |
式中：Rd为置换比率，%；Vr为单位时间滞留在煤体中气体体积，m3；Vi为单位时间注入煤体气体体积，m3.
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(2) |
式中：Rr为驱替比率，%；Vd为单位时间析出煤体气体体积，m3.
为了便于分析注气驱替瓦斯实验过程，以CH4体积分数的变化将注气过程分为3个阶段.第一个阶段，注源气体突破腔体之前，即CH4体积分数为100 %，注源气体体积分数为0.第二个阶段，在出口可以检测到CH4和CO2气体，CH4体积分数由100 %下降到50 %，CO2体积分数由0上升到50 %.第三个阶段，在出口可以检测到CH4和CO2气体，CH4体积分数由50 %持续下降直到结束，CO2体积分数由50 %持续上升直到实验结束.
3.3 注CO2驱替煤层CH4机制转化过程分析注CO2驱替煤层CH4实验条件下，不同注气压力条件下，析出气体体积分数、驱替/置换比例随时间变化规律如图 8~图 10所示.
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图 8 驱替/置换比例随注气时间的变化规律(0.6 MPa) Fig.8 Variation of displacement and replacement ratio with time(0.6 MPa) |
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图 9 驱替/置换比例随注气时间的变化规律(1.0 MPa) Fig.9 Variation of displacement and replacement ratio with time(1.0 MPa) |
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图 10 驱替/置换比例随注气时间的变化规律(1.4 MPa) Fig.10 Variation of displacement and replacement ratio with time(1.4 MPa) |
第一个阶段，注入CO2突破腔体之前(注气压力为0.6，1.0，1.4 MPa对应时间段为440，236，144 min)，即CH4体积分数为100 %，CO2体积分数为0.此时被注入煤体的CO2，首先进入煤体的自由空间中，而后一部分进入煤基质表面空余吸附位，一部分与CH4置换吸附引起CH4不断解吸出来，持续注入的CO2使其吸附量上升，同时自由空间的CO2分压升高，系统总压也呈升高趋势，这时，主要是CO2通过分压促进煤层CH4解吸，另一方面，从分子运动理论分析，煤体中大量吸附CO2，也对CH4的吸附产生一定的阻碍作用.这期间主要是CO2的置换效应起作用.
第二个阶段，在出口可以检测到CH4和CO2气体，CH4体积分数由100 %下降到50 %，CO2体积分数由0上升到50 %.CO2突破腔体后的一段时间内(注气压力为0.6，1.0, 1.4 MPa对应时间段为440~640, 236~382, 144~231 min)，析出气体组分中CO2体积分数迅速上升同时CH4体积分数迅速下降，且析出CH4流量也呈逐渐下降趋势.这段时间内腔体内的CO2量不断上升，无论是煤体吸附的CO2量和游离CO2的量都呈上升趋势，同时一部分注入的CO2将置换-解吸出来的CH4携载出腔体外，这个阶段，注入CO2的携载作用已经开始显现，另一部分注入的CO2开始发挥驱替效应.随着注气的进行，滞留在腔体内的CO2量上升逐渐减缓，这段时间，各组分体积分数变化幅度减小并逐渐增强，此时注入的CO2，大部分携载CH4排出腔体，只有少部分被煤体吸附或者进入腔体自由空间，表现为CO2在腔体内的累计滞留量缓慢增加，这一阶段置换效应减弱和驱替效应增强的幅度较大.
第三个阶段，在出口可以检测到CH4和CO2气体，CH4体积分数由50 %持续下降直到结束，CO2体积分数由50 %持续上升直到实验结束.但两种气体体积分数变化的幅度越来越小.随着注入CO2体积不断增大，煤对CO2的吸附量趋于饱和，即CO2对CH4的置换能力逐渐消失.由于CH4分压降低速度减慢且腔体内总压不变，与之前相比这时CO2的置换效应已经较弱，持续的驱替效应使较弱的置换解吸得以维持下去，这时注入的CO2大部分都携载置换出的CH4流出腔体外，即，这时大部分注入的CO2起到了驱替效应，实验中后期，CO2的驱替效应起主导作用.
3.4 注CO2驱替煤层CH4主导作用分析注CO2驱替煤层CH4实验条件下，累计置换比例、体积和驱替比例、体积随时间变化规律如表 2所示.
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表 2 不同注气压力整体实验参数 Table 2 Data of the whole experiment under different pressure of CO2 injection |
如表 2所示，注气压力0.6 MPa时，注气时间1 627 min，置换作用比例为93.06 %，累计排出CH4体积为179.42 L，驱替作用比例为6.94 %，累计排出CH4体积为13.38 L.注气压力1.0 MPa时，注气时间1 426 min，置换作用比例为91.17 %，累计排出CH4体积为209.28 L，驱替作用比例为8.83 %，累计排出CH4体积为20.26 L.注气压力1.4 MPa时，注气时间526 min，置换作用比例为83.76 %，累计排出CH4体积为211.41 L，驱替作用比例为16.24 %，累计排出CH4体积为40.98 L.综上所述，注CO2驱替CH4实验过程中，置换作用起主导作用.
4 结论1) 注CO2促排煤层CH4是一个动态变化的过程，随着注气压力、注气时间的不同，析出气体流量、体积分数、体积不断发生变化，从而也说明注CO2驱替煤层CH4是多种机理共同作用的结果.
2) 注CO2促排煤层CH4的机理主要表现为驱替效应和置换效应，在整个注气过程中由置换效应逐渐向驱替效应过渡.
3) 在CO2突破腔体以前，主要表现为置换效应，注入CO2的置换效应占主导地位，CO2突破腔体之后，注入的CO2一部分与CH4发生置换吸附，一部分与CH4流出腔体，此时置换和驱替效应共存.针对整个实验过程，CO2置换效应表现得更为明显，起主导作用.
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