注CO₂置換／驅替煤中甲烷定量化研究術(安全)

                       楊宏民^1，2，許東亮¹，陳立偉^1,2

（1．河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454003；2．河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室一省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作454000）

摘要：煤層注CO₂促排瓦斯主要包含氣體置換和流動驅替兩種作用機理，但在注氣過程中哪種機理占主導地位，能否將這兩種機理剝離開還需要進一步研究。為了研究注CO₂促排煤中甲烷的機理及其主導地位，進行了低應力載荷條件下分層預壓成型煤樣注CO₂置換／驅替煤層甲烷的實驗。實驗結果表明：在置換和驅替最初246 min內，出氣口沒有檢測到CO₂氣體，注入的CO₂氣體全部駐留在煤體中，沒有隨氣流排出，宏觀表現為僅有置換作用而沒有驅替作用。在之后的1 180 min內，注入的CO₂氣體一部分繼續駐留在煤體中，另一部分隨氣體流出，宏觀表現為既有置換作用又有驅替作用，置換作用減弱，驅替作用增加的過程。在注氣實驗后期，隨著注氣時間的增加，煤體中CO₂逐漸吸附平衡，驅替作用開始逐漸占據主導地位。截止到實驗結束時，整個階段過程中，置換作用累計貢獻率為53. 32%，驅替作用累計貢獻率為46. 68%，置換作用累計貢獻率大于驅替作用累計貢獻率，隨著注氣不斷進行驅替作用累計貢獻率會逐漸上升，會出現超過置換作用累計貢獻率的現象。

關鍵詞：煤層注氣；置換效應；驅替效應；定量；機理

中圖分類號：X936  doi:  10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 05. 007

0  引  言

    瓦斯作為煤礦安全生產的“第一殺手”，其防治技術和管理技術不到位是導致我國煤礦事故發生的主要原因。由于我國大部分煤礦透氣性系數差，屬于較難抽采的煤層，如何有效提高瓦斯的抽采效率，降低和減少瓦斯突出危險程度變得尤為重要。

    受石油系統“氣驅油”技術的啟發，20世紀末，美國圣胡安盆地將CO₂注入煤層以提高煤層氣采收率(CO₂- ECBM)的實驗取得成功，CO₂- ECBM試驗成功，為低透氣性煤層瓦斯快速引排探索出一條新的技術途徑。對于透氣性較差、抽放衰減大的煤層，可以采用煤層注氣的方法，一方面可以提高煤層中氣體滲流速度，另一方面可以降低煤層中瓦斯分壓，促進煤層中CH₄解吸，起到促排瓦斯和消突的作用。

    楊宏民在其博士論文中研究認為注氣置換煤層瓦斯的主要機理有：注入氣體置換吸附一解吸作用、注氣氣流的載攜／驅替作用、注入氣體的稀釋擴散作用和膨脹增透作用等。國內外很多學者也對注氣驅替煤層CH₄機理及技術做了很多研究。雖然煤炭領域的專家們對煤層注氣技術進行了很多研究，同時也提出了很多理論，但在煤層注氣過程中，強弱吸附性氣體如(CO₂、N₂)是怎樣置換和驅替煤中CH₄的，置換作用和驅替作用哪個占主導地位；人們應該選擇吸附性強的氣體以其提高對煤層CH₄的置換作用，還是應該更重視選擇合理的注氣壓力、注氣流量等以改善氣體在煤層中的流動狀態來提高氣流的驅替作用。有關煤層注氣機理的主導作用和定量研究等仍是亟待解決的理論問題。本文旨在通過實驗室模擬實驗，將注氣過程中的置換作用和驅替作用剝離開來，并進行定量化研究，以揭示煤層注氣過程中的主導作用。

1  實驗概況

1.1  煤樣及實驗參數

    本次實驗所用煤樣是取自華泰煤礦二，煤層，屬于無煙煤。注氣模擬實驗腔體尺寸為400 mm×300 mm×300 mm，煤樣采用粒度1 mm以下的煤樣進行分層壓實，每次分裝預壓厚度為100 mm。軸壓加載由一可穩壓控制的千斤頂提供，垂直應力加載控制在1502 kN

（相當于1. 25 M Pa），煤樣吸附CH₄平衡壓力0.7 M Pa，CO₂注氣壓力為1.0 M Pa。

1.2  實驗裝備

    驅替實驗平臺包括實驗腔體、力學加載系統、注氣系統、抽真空系統、壓力采集系統、氣體定量系統及氣體組分分析系統，如圖1所示。千斤頂由計算機控制來提供穩定軸壓，減壓閥和流量計分別用于控制和計量注入氣體的壓力和體積，煤體內的氣體壓力通過計算機實時監測預埋在腔體內的壓力傳感器獲取。真空泵用來抽取實驗前煤體內孔裂隙內的殘余氣體，煤氣表用來測定出口氣體體積，出口氣體濃度采用定時人工取樣的方法通過氣相色譜儀分析得到。

1.3實驗步驟

    首先將裝載煤體的實驗腔體抽到真空度小于400Pa，再充入CH₄吸附平衡不少于48 h，CH₄的最終吸附平衡壓力為0.7  M Pa。然后釋放實驗腔體內游離CH₄至壓力0.1 M Pa、流量接近于0，目的是出口氣體不受大量游離CH4的干擾，更加清晰的分析置換和驅替效果。之后開始注氣驅替模擬實驗，向腔體注入CO₂，監測和分析出口氣體的流量和濃度。注氣實驗完成后，自然釋放實驗腔體內的氣體，使其卸壓并記錄出口氣體的流量變化和腔體內氣壓衰減規律。

2  注CO₂置換／驅替煤中CH₄的實驗過程分析

2.1  注氣過程中置換和驅替作用定義

    煤層注氣促排CH₄是一個動態變化的過程，是置換、驅替等綜合作用的結果，二者之間隨驅替氣源、驅替時間等條件的變化而變化。為更清楚研究煤層注氣促排機理的動態演化過程，本文給出兩個定義。

    置換效應：從宏觀上來看，指煤層注氣過程中當注氣氣體進入煤體后，依靠分子吸附性強弱或通過改變CH₄分壓引起煤中吸附態CH₄解吸出來的現象。其實質是新注入的氣體憑借分壓力或濃度差使預先達到吸附平衡的氣體解吸出來。

    驅替效應：從宏觀上來看，當新注入的氣體在流動過程中，憑借自身的攜載或者驅動作用使煤中呈游離狀態的瓦斯排出，并破壞瓦斯吸附平衡，促使瓦斯不斷解吸排出的現象。

    根據以上定義，具體到本次實驗過程中置換效應和驅替效應所表現出來的現象，我們進行了以下界定。

    1)將氣流的載攜作用、氣流的稀釋擴散作用的綜合效應歸為驅替效應。

    2)將注入CO₂氣體中駐留在煤體中的CO₂體積，看作是置換CH₄后吸附在煤中的CO₂體積，是置換作用的定量基礎。

    3)認為注入CO₂氣體中隨氣留排出腔體外的那一部分CO₂，起到的作用為驅替作用。

2.2  注CO₂置換／驅替煤中CH₄實驗過程

    注CO₂模擬實驗中，我們將出氣口是否能檢測到CO₂氣體作為分界點將置換作用和驅替作用分開，在出氣口檢測到CO₂氣體之前只有置換作用，檢測到CO₂氣體之后既有置換作用又有驅替作用，我們以駐留在煤體中的CO₂體積和排出腔體外的CO₂體積為分界點剝離置換和驅替作用。根據出口氣體CH₄和CO₂氣體濃度變化特點，可將注氣過程分為3個階段，如圖2所示。

    第一階段：出氣口沒有檢測到CO₂排出，即CO₂全部駐留在煤層中，與原有的煤中吸附態的CH₄分子進行競爭吸附，置換出CH₄并排出腔體外。這個階段中只表現為置換效應。

    第二階段：出口可以檢測到CO²氣體，但氣體濃度仍在持續變化，尚未達到穩定狀態。注入的CO₂氣體一部分駐留在煤體中，置換煤中的CH₄，起到置換作用。一部分隨著氣流排出，起到驅替作用。這個階段是由以置換作用為主逐漸向以驅替作用為主轉變的過程。

    第三階段：出口可以檢測到CO₂氣體，但氣體濃度已達到穩定狀態下降幅度很小，即CH₄基本穩定在5%左右，CO₂則穩定在95%左右。隨著注氣時間的不斷增大，煤中注入的CO₂氣體逐漸趨向于吸附平衡狀態，即CO₂的吸附量增加緩慢并趨向于0，這就意味著CO₂對煤中CH₄的置換作用也逐漸趨向于0。因此這一階段是以驅替為主，置換作用逐漸趨于0的過程。

3  注CO₂置換／驅替煤中CH₄定量化分析

    為了研究注CO₂過程中，置換作用和驅替作用哪個占主導地位，本文用置換比例或驅替比例來進行定量描述。置換比例是指某一時刻駐留在煤體中CO₂量占注入CO₂總量的比例。對應地驅替比例則是指某一時刻排出腔體外的CO₂量占注入CO₂總量的比例。實驗條件下置換比例和驅替比例隨時間變化規律如圖3所示。

3.1  第一階段

    在實驗的第一階段過程中，出口只有CH₄被驅出，注入氣體CO₂卻沒有排出，這部分CO₂駐留在煤層中并置換出CH₄，表現為置換效應。由于實驗前大量的游離CH₄氣體被預排出來，隨之原來的吸附平衡被打破，導致更多的CH₄解吸出來，此時煤中存在大量的空余吸附位，CO₂被注入煤體后，首先占據這些吸附位，并與其它吸附位上的CH₄分子競爭吸附，最終將其置換出來，隨氣流攜載出煤體。因此這個階段并沒有富余的CO₂能夠隨氣流流出煤體，宏觀上表現出CO₂全部發生置換吸附，所以認為該階段置換效應占100%。從圖3中可以看出，在第一個階段的246 min內一共遺留在煤體中的CO₂體積為508. 47 L，置換出CH₄體積117.5 L，置換效應所占比例100%，驅替比例0%。

3.2  第二階段

    注氣實驗246~ 756 min，在出口可以檢測到CH₄和CO₂氣體，但兩種氣體濃度仍在持續變化，尚未達到穩定狀態，這個階段既有置換作用又有驅替作用。

    從1.0 M Pa置換和驅替比例隨時間變化規律我們可以看出，置換比例隨著時間的延長從100%開始逐漸下降到20. 83%，而驅替比例則從0開始逐漸上升到79.  17%。1.0 M Pa置換和驅替比例隨時間變化規律可以很清晰的看到置換比例和驅替比例有一個交叉點即置換比例和驅替比例相同各占50%，即在此刻之前是置換作用起到主導作用而從此刻之后驅替作用開始占據主導地位而置換作用次要的。這是由于煤體中的CH₄不斷被促排出來，而且沒有不斷的補給，導致置換作用程度下降，從而使得驅替比例占據主導地位。第二個階段時長510 min，在這個時間段內一共促排出CH₄體積117. 06 L，其中置換出的CH4體積為87. 38 L，驅替出的CH₄體積為29. 68 L。

3.3  第三階段

    在注氣實驗756 min之后，出氣口的CH₄和CO₂氣體的濃度已達到穩定狀態即下降幅度很小，在這個階段過程中我們從圖3可以清晰的看出置換比例從第二階段的20. 83%下降到3.23%并逐漸趨于0，驅替比例則從79.17%增加到96.77%，在這個過程中很明顯驅替比例開始占據絕對的主導地位。本次實驗第三個階段數據較少不能很好的反映出第三階段的規律，需要改進。

3.4  置換和驅替作用累計貢獻率分析

    在上面小節我們對注CO₂置換／驅替煤中CH₄實驗進行了分段，并對各個階段置換和驅替比例進行了分析介紹，那么在注氣的整個實驗過程中置換作用和驅替作用的累計貢獻率如何呢。下面將會對此進行一個整體的分析。

    累計貢獻率就是累計起到置換或者驅替作用的CO₂氣體體積與累計注入CO₂氣體體積之比。

    整個實驗過程時間為1 426 min，注入CO₂體積中累計起到置換作用的那一部分CO₂體積為1 000. 27 L，累計起到驅替作用的那一部分CO₂體積為875. 86 L，如圖4所示，在1.0 M Pa實驗的整個過程中累計置換效應貢獻率為53. 32%，累計驅替效應貢獻率為46. 68%。由于實驗時間有限，所以截至到實驗結束時總的來說在注CO₂置換／驅替煤中CH₄的實驗過程中是置換作用累計貢獻率大于驅替作用累計貢獻率，但是隨著煤中CH₄不斷被排出，導致置換作用下降，因此如果時間延長，會出現驅替作用累計貢獻率大于置換作用的累計貢獻率。

    由于CO₂吸附性能比CH₄強，很多學者認為CO₂突出危險程度要比CH₄突出危險程度大，所以在工程實踐中人們常常將CO₂用于地質封存，而用一些吸附性能相對較弱的氣體進行注氣促排煤中CH₄，同樣也能起到很好的作用。

4  結論

    1)本次試驗將整個實驗過程分為三個階段，探討置換和驅替機理所占比例在實驗過程中的變化情況，并根據注氣氣體CO₂中駐留在煤體中的體積和排出腔體外的體積，對其進行定量化分析，剝離兩種機理的作用。

    2)在置換和驅替的第一個階段過程中，注入氣體全部駐留在煤體中，沒有隨氣流排出，只表現為置換作用，并沒有驅替作用。

    3)在第二個階段中，既有置換作用也有驅替作用。隨著時間的延長，第二個階段先是置換效應占主導地位，在第二個階段后期和第三個階段驅替效應開始占據主導地位。

    4)截止到實驗結束時，整個階段過程中，置換作用累計貢獻率為53. 32%，驅替作用累計貢獻率為46. 68%，置換作用累計貢獻率大于驅替作用累計貢獻率，但若注氣時間延長，將會出現驅替作用累計貢獻率大于置換作用累計貢獻率的現象。

    5)本次實驗是在低應力載荷條件下注氣模擬實驗，得到了一些置換和驅替作用時效性規律，以后還應該加大應力載荷，更加真實地模擬煤層注氣。