注CO₂置换／驱替煤中甲烷定量化研究术(安全)

                       杨宏民^1，2，许东亮¹，陈立伟^1,2

（1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003；2．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454000）

摘要：煤层注CO₂促排瓦斯主要包含气体置换和流动驱替两种作用机理，但在注气过程中哪种机理占主导地位，能否将这两种机理剥离开还需要进一步研究。为了研究注CO₂促排煤中甲烷的机理及其主导地位，进行了低应力载荷条件下分层预压成型煤样注CO₂置换／驱替煤层甲烷的实验。实验结果表明：在置换和驱替最初246 min内，出气口没有检测到CO₂气体，注入的CO₂气体全部驻留在煤体中，没有随气流排出，宏观表现为仅有置换作用而没有驱替作用。在之后的1 180 min内，注入的CO₂气体一部分继续驻留在煤体中，另一部分随气体流出，宏观表现为既有置换作用又有驱替作用，置换作用减弱，驱替作用增加的过程。在注气实验后期，随着注气时间的增加，煤体中CO₂逐渐吸附平衡，驱替作用开始逐渐占据主导地位。截止到实验结束时，整个阶段过程中，置换作用累计贡献率为53. 32%，驱替作用累计贡献率为46. 68%，置换作用累计贡献率大于驱替作用累计贡献率，随着注气不断进行驱替作用累计贡献率会逐渐上升，会出现超过置换作用累计贡献率的现象。

关键词：煤层注气；置换效应；驱替效应；定量；机理

中图分类号：X936  doi:  10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 05. 007

0  引  言

    瓦斯作为煤矿安全生产的“第一杀手”，其防治技术和管理技术不到位是导致我国煤矿事故发生的主要原因。由于我国大部分煤矿透气性系数差，属于较难抽采的煤层，如何有效提高瓦斯的抽采效率，降低和减少瓦斯突出危险程度变得尤为重要。

    受石油系统“气驱油”技术的启发，20世纪末，美国圣胡安盆地将CO₂注入煤层以提高煤层气采收率(CO₂- ECBM)的实验取得成功，CO₂- ECBM试验成功，为低透气性煤层瓦斯快速引排探索出一条新的技术途径。对于透气性较差、抽放衰减大的煤层，可以采用煤层注气的方法，一方面可以提高煤层中气体渗流速度，另一方面可以降低煤层中瓦斯分压，促进煤层中CH₄解吸，起到促排瓦斯和消突的作用。

    杨宏民在其博士论文中研究认为注气置换煤层瓦斯的主要机理有：注入气体置换吸附一解吸作用、注气气流的载携／驱替作用、注入气体的稀释扩散作用和膨胀增透作用等。国内外很多学者也对注气驱替煤层CH₄机理及技术做了很多研究。虽然煤炭领域的专家们对煤层注气技术进行了很多研究，同时也提出了很多理论，但在煤层注气过程中，强弱吸附性气体如(CO₂、N₂)是怎样置换和驱替煤中CH₄的，置换作用和驱替作用哪个占主导地位；人们应该选择吸附性强的气体以其提高对煤层CH₄的置换作用，还是应该更重视选择合理的注气压力、注气流量等以改善气体在煤层中的流动状态来提高气流的驱替作用。有关煤层注气机理的主导作用和定量研究等仍是亟待解决的理论问题。本文旨在通过实验室模拟实验，将注气过程中的置换作用和驱替作用剥离开来，并进行定量化研究，以揭示煤层注气过程中的主导作用。

1  实验概况

1.1  煤样及实验参数

    本次实验所用煤样是取自华泰煤矿二，煤层，属于无烟煤。注气模拟实验腔体尺寸为400 mm×300 mm×300 mm，煤样采用粒度1 mm以下的煤样进行分层压实，每次分装预压厚度为100 mm。轴压加载由一可稳压控制的千斤顶提供，垂直应力加载控制在1502 kN

（相当于1. 25 M Pa），煤样吸附CH₄平衡压力0.7 M Pa，CO₂注气压力为1.0 M Pa。

1.2  实验装备

    驱替实验平台包括实验腔体、力学加载系统、注气系统、抽真空系统、压力采集系统、气体定量系统及气体组分分析系统，如图1所示。千斤顶由计算机控制来提供稳定轴压，减压阀和流量计分别用于控制和计量注入气体的压力和体积，煤体内的气体压力通过计算机实时监测预埋在腔体内的压力传感器获取。真空泵用来抽取实验前煤体内孔裂隙内的残余气体，煤气表用来测定出口气体体积，出口气体浓度采用定时人工取样的方法通过气相色谱仪分析得到。

1.3实验步骤

    首先将装载煤体的实验腔体抽到真空度小于400Pa，再充入CH₄吸附平衡不少于48 h，CH₄的最终吸附平衡压力为0.7  M Pa。然后释放实验腔体内游离CH₄至压力0.1 M Pa、流量接近于0，目的是出口气体不受大量游离CH4的干扰，更加清晰的分析置换和驱替效果。之后开始注气驱替模拟实验，向腔体注入CO₂，监测和分析出口气体的流量和浓度。注气实验完成后，自然释放实验腔体内的气体，使其卸压并记录出口气体的流量变化和腔体内气压衰减规律。

2  注CO₂置换／驱替煤中CH₄的实验过程分析

2.1  注气过程中置换和驱替作用定义

    煤层注气促排CH₄是一个动态变化的过程，是置换、驱替等综合作用的结果，二者之间随驱替气源、驱替时间等条件的变化而变化。为更清楚研究煤层注气促排机理的动态演化过程，本文给出两个定义。

    置换效应：从宏观上来看，指煤层注气过程中当注气气体进入煤体后，依靠分子吸附性强弱或通过改变CH₄分压引起煤中吸附态CH₄解吸出来的现象。其实质是新注入的气体凭借分压力或浓度差使预先达到吸附平衡的气体解吸出来。

    驱替效应：从宏观上来看，当新注入的气体在流动过程中，凭借自身的携载或者驱动作用使煤中呈游离状态的瓦斯排出，并破坏瓦斯吸附平衡，促使瓦斯不断解吸排出的现象。

    根据以上定义，具体到本次实验过程中置换效应和驱替效应所表现出来的现象，我们进行了以下界定。

    1)将气流的载携作用、气流的稀释扩散作用的综合效应归为驱替效应。

    2)将注入CO₂气体中驻留在煤体中的CO₂体积，看作是置换CH₄后吸附在煤中的CO₂体积，是置换作用的定量基础。

    3)认为注入CO₂气体中随气留排出腔体外的那一部分CO₂，起到的作用为驱替作用。

2.2  注CO₂置换／驱替煤中CH₄实验过程

    注CO₂模拟实验中，我们将出气口是否能检测到CO₂气体作为分界点将置换作用和驱替作用分开，在出气口检测到CO₂气体之前只有置换作用，检测到CO₂气体之后既有置换作用又有驱替作用，我们以驻留在煤体中的CO₂体积和排出腔体外的CO₂体积为分界点剥离置换和驱替作用。根据出口气体CH₄和CO₂气体浓度变化特点，可将注气过程分为3个阶段，如图2所示。

    第一阶段：出气口没有检测到CO₂排出，即CO₂全部驻留在煤层中，与原有的煤中吸附态的CH₄分子进行竞争吸附，置换出CH₄并排出腔体外。这个阶段中只表现为置换效应。

    第二阶段：出口可以检测到CO²气体，但气体浓度仍在持续变化，尚未达到稳定状态。注入的CO₂气体一部分驻留在煤体中，置换煤中的CH₄，起到置换作用。一部分随着气流排出，起到驱替作用。这个阶段是由以置换作用为主逐渐向以驱替作用为主转变的过程。

    第三阶段：出口可以检测到CO₂气体，但气体浓度已达到稳定状态下降幅度很小，即CH₄基本稳定在5%左右，CO₂则稳定在95%左右。随着注气时间的不断增大，煤中注入的CO₂气体逐渐趋向于吸附平衡状态，即CO₂的吸附量增加缓慢并趋向于0，这就意味着CO₂对煤中CH₄的置换作用也逐渐趋向于0。因此这一阶段是以驱替为主，置换作用逐渐趋于0的过程。

3  注CO₂置换／驱替煤中CH₄定量化分析

    为了研究注CO₂过程中，置换作用和驱替作用哪个占主导地位，本文用置换比例或驱替比例来进行定量描述。置换比例是指某一时刻驻留在煤体中CO₂量占注入CO₂总量的比例。对应地驱替比例则是指某一时刻排出腔体外的CO₂量占注入CO₂总量的比例。实验条件下置换比例和驱替比例随时间变化规律如图3所示。

3.1  第一阶段

    在实验的第一阶段过程中，出口只有CH₄被驱出，注入气体CO₂却没有排出，这部分CO₂驻留在煤层中并置换出CH₄，表现为置换效应。由于实验前大量的游离CH₄气体被预排出来，随之原来的吸附平衡被打破，导致更多的CH₄解吸出来，此时煤中存在大量的空余吸附位，CO₂被注入煤体后，首先占据这些吸附位，并与其它吸附位上的CH₄分子竞争吸附，最终将其置换出来，随气流携载出煤体。因此这个阶段并没有富余的CO₂能够随气流流出煤体，宏观上表现出CO₂全部发生置换吸附，所以认为该阶段置换效应占100%。从图3中可以看出，在第一个阶段的246 min内一共遗留在煤体中的CO₂体积为508. 47 L，置换出CH₄体积117.5 L，置换效应所占比例100%，驱替比例0%。

3.2  第二阶段

    注气实验246~ 756 min，在出口可以检测到CH₄和CO₂气体，但两种气体浓度仍在持续变化，尚未达到稳定状态，这个阶段既有置换作用又有驱替作用。

    从1.0 M Pa置换和驱替比例随时间变化规律我们可以看出，置换比例随着时间的延长从100%开始逐渐下降到20. 83%，而驱替比例则从0开始逐渐上升到79.  17%。1.0 M Pa置换和驱替比例随时间变化规律可以很清晰的看到置换比例和驱替比例有一个交叉点即置换比例和驱替比例相同各占50%，即在此刻之前是置换作用起到主导作用而从此刻之后驱替作用开始占据主导地位而置换作用次要的。这是由于煤体中的CH₄不断被促排出来，而且没有不断的补给，导致置换作用程度下降，从而使得驱替比例占据主导地位。第二个阶段时长510 min，在这个时间段内一共促排出CH₄体积117. 06 L，其中置换出的CH4体积为87. 38 L，驱替出的CH₄体积为29. 68 L。

3.3  第三阶段

    在注气实验756 min之后，出气口的CH₄和CO₂气体的浓度已达到稳定状态即下降幅度很小，在这个阶段过程中我们从图3可以清晰的看出置换比例从第二阶段的20. 83%下降到3.23%并逐渐趋于0，驱替比例则从79.17%增加到96.77%，在这个过程中很明显驱替比例开始占据绝对的主导地位。本次实验第三个阶段数据较少不能很好的反映出第三阶段的规律，需要改进。

3.4  置换和驱替作用累计贡献率分析

    在上面小节我们对注CO₂置换／驱替煤中CH₄实验进行了分段，并对各个阶段置换和驱替比例进行了分析介绍，那么在注气的整个实验过程中置换作用和驱替作用的累计贡献率如何呢。下面将会对此进行一个整体的分析。

    累计贡献率就是累计起到置换或者驱替作用的CO₂气体体积与累计注入CO₂气体体积之比。

    整个实验过程时间为1 426 min，注入CO₂体积中累计起到置换作用的那一部分CO₂体积为1 000. 27 L，累计起到驱替作用的那一部分CO₂体积为875. 86 L，如图4所示，在1.0 M Pa实验的整个过程中累计置换效应贡献率为53. 32%，累计驱替效应贡献率为46. 68%。由于实验时间有限，所以截至到实验结束时总的来说在注CO₂置换／驱替煤中CH₄的实验过程中是置换作用累计贡献率大于驱替作用累计贡献率，但是随着煤中CH₄不断被排出，导致置换作用下降，因此如果时间延长，会出现驱替作用累计贡献率大于置换作用的累计贡献率。

    由于CO₂吸附性能比CH₄强，很多学者认为CO₂突出危险程度要比CH₄突出危险程度大，所以在工程实践中人们常常将CO₂用于地质封存，而用一些吸附性能相对较弱的气体进行注气促排煤中CH₄，同样也能起到很好的作用。

4  结论

    1)本次试验将整个实验过程分为三个阶段，探讨置换和驱替机理所占比例在实验过程中的变化情况，并根据注气气体CO₂中驻留在煤体中的体积和排出腔体外的体积，对其进行定量化分析，剥离两种机理的作用。

    2)在置换和驱替的第一个阶段过程中，注入气体全部驻留在煤体中，没有随气流排出，只表现为置换作用，并没有驱替作用。

    3)在第二个阶段中，既有置换作用也有驱替作用。随着时间的延长，第二个阶段先是置换效应占主导地位，在第二个阶段后期和第三个阶段驱替效应开始占据主导地位。

    4)截止到实验结束时，整个阶段过程中，置换作用累计贡献率为53. 32%，驱替作用累计贡献率为46. 68%，置换作用累计贡献率大于驱替作用累计贡献率，但若注气时间延长，将会出现驱替作用累计贡献率大于置换作用累计贡献率的现象。

    5)本次实验是在低应力载荷条件下注气模拟实验，得到了一些置换和驱替作用时效性规律，以后还应该加大应力载荷，更加真实地模拟煤层注气。