热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

吴 迪，刘雪莹，孙可明，辛利伟，苗 丰



热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

吴 迪，刘雪莹，孙可明，辛利伟，苗 丰

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

为提高煤层CH4抽采效率，利用自主研发的实验系统，模拟超临界CO2在深部煤层中驱替CH4的过程，开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO2渗流、吸附及驱替CH4实验。结果表明：在恒定温度条件下，随着超临界CO2注入压力逐渐增大，煤体渗透率提高，CO2吸附量增加。超临界CO2注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下，当超临界CO2注入压力从8 MPa增至12 MPa，CH4驱替量平均增长了0.076 cm3/g，CH4驱替效率增加了17%~23%，超临界CO2置换体积比呈线性递减趋势；相同注入压力条件下，温度每升高10℃，驱替效率平均增加8%，置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH4和实现CO2封存提供理论依据。

超临界CO2驱替CH4；温度；注入压力；驱替效率；置换体积比

随着煤炭资源的日趋减少，煤层气资源的开采逐渐成为热点问题[1]。常规煤层气抽采技术受煤储层特性等因素制约缺乏普适性[2]。利用CO2强化储存煤层气回采方法虽然可以显著提高煤层气采收率[3-5]，但同时降低了煤层的渗透性，并且容易引发煤与CO2突出事故。当煤层埋深超过800 m，气态CO2受煤层地应力和温度作用极易达到超临界状态，超临界状态CO2具有零表面张力、低黏度和强扩散等特性[6]，将超临界CO2注入煤层驱替CH4，具有提高采收率和减少温室效应双重作用[7]。近年来，许多学者研究了煤对CO2吸附特性[8-12]，但多数采用煤粉试件。B. G. Kutchko等[13]、刘长江等[14]和Y. Zhang等[15]研究了超临界CO2作用煤样内部孔裂隙变化规律和体积膨胀规律。M. S. A. Perera等[16]、A. S. Rana­thunga等[17]研究了饱和吸附超临界CO2煤试件的力学性能，发现试件吸附超临界CO2后强度降低。B. Dutka等[18]、H. H. Lee等[19]研究了煤样中超临界CO2与CH4竞争吸附，实验表明煤样对CO2优先吸附。J. Topolnicki等[20]建立了型煤试件中CO2/CH4竞争吸附简化模型。孙可明等[21]、A. S. Ranathunga等[22-23]、V. Vishal等[24-25]研究了CO2在煤层中渗流规律。T. Yang等[26]、梁卫国等[27]利用两种原煤试件开展了超临界CO2驱替CH4实验，驱替效率分别达到77.8%和20%。

目前，国内外学者关于煤中CO2的渗流、吸附和驱替置换CH4方面开展了一定的研究，但对于考虑注入压力和温度影响的超临界CO2驱替煤层CH4的研究还鲜见报道。基于此，笔者利用块状原煤试件开展考虑注入压力和温度影响的超临界CO2驱替CH4实验，为高效抽采煤层CH4和实现CO2地下永久封存提供参考。

1 实验

1.1 实验系统

利用自主研制的实验系统(图1)，模拟超临界CO2在煤层中渗流、吸附及驱替CH4过程。该实验系统包括注气系统、驱替系统、温度控制系统和数据采集系统。注气系统由高压气瓶、增压泵和压力釜组成，气体增压后直接注入压力釜，用于制备超临界CO2。驱替系统包括改进的三轴渗流仪、压力泵及集气装置，利用压力泵对试件施加轴压和围压，尾部集气装置主要对产出的CH4、CO2混合气进行收集，利用气相色谱仪分析混合气组分。温度控制系统由水浴箱和外置温控器组成，保证实验系统温度的稳定，同时可以检查系统的气密性。数据采集系统能够时时记录实验中气体压力、轴压和围压变化。

1.2 实验试件

实验所用原煤试件取自辽宁阜新市新邱矿井下同一工作面，煤种为焦煤。沿原煤层层理方向钻取切割磨平制成50 mm×高100 mm煤柱样(图2)。将全部煤样置于干燥箱中干燥24 h后，密封备用。

图1 实验装置示意图

图2 原煤试件

1.3 实验方案与步骤

查阅阜新新邱矿区地质资料，设定实验温度为35℃、45℃、55℃。在保证实验装置气密性良好条件下，开展煤层中超临界CO2的渗流、吸附和驱替CH4实验，对试件施加载荷为静水条件，实验过程中轴压和围压始终保持为12 MPa，具体实验步骤如下。

1.3.1 超临界CO2渗流实验

①调节超临界CO2压力和温度至预定值，待温度和压力稳定后，向三轴渗流仪通入超临界CO2，利用集气装置测取渗流流量，每组实验读取3次数据，求平均值。

②按照实验方案改变超临界CO2注入压力和实验温度，超临界CO2注入压力为8~11 MPa，重复步骤①，利用所测数据计算不同实验条件下煤样渗透率。

1.3.2 超临界CO2吸附实验

①测定系统自由体积。将2~3 MPa氦气注入实验装置，待压力稳定后，读取压力表读数。重复上述步骤2次，经计算所得自由体积两两之差不超过0.1 cm3[28]。

②将实验系统抽真空后预热装置，同时利用增压泵对液态CO2增压，注入压力釜中。待压力和温度达到预定值(CO2达到超临界状态)，打开阀门2注入超临界CO2。当压力和温度稳定后，记录实验数据。吸附24 h(大于12 h)[28]后，当24 h压力变化量小于0.002 MPa认为吸附饱和，停止实验，同时记录实验数据。

③更换试件，改变实验温度和压力，超临界CO2注入压力为8~13 MPa，每组增加1 MPa，重复步骤②，记录不同实验条件下煤样吸附超临界CO2实验数据。

1.3.3 超临界CO2驱替CH4实验

①将试件放入实验罐内，预热实验罐并注入CH4，当压力(1 MPa)和温度(驱替温度)达到预定值时开始吸附实验，吸附时间为24 h(大于12 h)[28]，压力变化量小于0.002 MPa，达到吸附饱和，利用吸附前后压力变化计算吸附量。

②对饱和吸附CH4的试件施加轴压和围压，交替增至12 MPa。

③将超临界CO2制备后注入压力釜，当压力和温度达到预定值时打开阀门2开展驱替实验，驱替时间为24 h，记录实验数据。

④收集混合气并测量气体体积及压力，利用气相色谱仪分析气体组分，计算驱替量。

⑤更换煤样，改变实验系统温度和超临界CO2压力，驱替压力为8~12 MPa，每组增加1 MPa，重复上述步骤①—④，计算不同实验条件下CH4驱替量。

2 超临界CO2渗流实验结果与分析

2.1 渗透率计算公式

渗透率可由式(1)[29]计算得出。

式中为渗透率，10-6μm2；为流量，mm3/s；2为出口端绝对压力，MPa；为试件尺寸，mm；为试件横截面积，mm2；1为进气端绝对压力, MPa；为超临界CO2黏度，μPa·s，取值参考美国标准技术网站[30]，如图3所示。

图3 超临界CO2黏度随压力和温度变化曲线

Fig.3 Variation of the supercritical CO2viscosity with pressure and temperature

2.2 实验结果与分析

图4为不同温度条件下，煤样渗透率随注入超临界CO2压力的变化规律。从图中可以看出，渗透率受温度和注入压力影响显著。①温度恒定时，随着超临界CO2注入压力增加，渗透率呈线性升高。35℃时，超临界CO2注入压力从8 MPa升高至11 MPa，渗透率从2.6×10-4μm2升高至3.3×10-4μm2。这是由于随着超临界CO2注入压力增加，超临界CO2有效萃取和溶解煤试件中的部分物质，致使试件中孔裂隙进一步扩展，部分孔裂隙贯通，超临界CO2流速提高，煤样渗透率增加。②注入压力恒定时，随着温度升高，煤样渗透率降低。从图中可知，当超临界CO2注入压力为10 MPa时，温度从35℃升高至55℃，渗透率从0.33×10-3μm2下降至0.13×10-3μm2。这是由于在一定体积应力限制条件下，随着温度升高，热应力抑制煤样内孔裂隙扩展，部分孔裂隙向内闭合，渗流通道收缩，超临界CO2流速降低，煤样渗透率减小。

图4 煤样渗透率随注入超临界CO2压力变化曲线

3 超临界CO2吸附实验结果与分析

图5为不同温度条件下煤中超临界CO2吸附量随注入压力变化曲线。从图中可以看出，在同一温度条件下，随着注入压力增加，超临界CO2吸附量总体呈增长趋势，但曲线斜率先减小后增大。在35℃条件下，注入压力为8 MPa时吸附量为29.76 cm3/g；随着压力增加，吸附量增长梯度减小，曲线趋于平缓，当压力从10 MPa增至11 MPa时，吸附量仅增长了3.74 cm3/g，这是由于随着超临界CO2的注入，超临界CO2萃取渗流通道表面的煤基质，致使部分微小孔隙闭合，超临界CO2无法扩散至微孔，影响煤试件对超临界CO2吸附；当吸附压力为11 MPa时曲线出现拐点，吸附量明显增加，压力增至13 MPa时超临界CO2吸附量为75.12 cm3/g，比注入压力为12 MPa时增加了9.98 cm3/g。这是由于随着超临界CO2的持续注入，煤样内部生成更多新的孔裂隙空间，吸附位增加，致使超临界CO2吸附量持续增加。

从图5中可以看出，在相同压力条件下，随着温度升高，吸附量呈减小趋势。这是由于温度升高对分子脱附起到活化作用，温度越高，超临界CO2越难被煤样吸附。

图5 超临界CO2吸附量随压力和温度变化曲线

4 超临界CO2驱替CH4实验结果与分析

4.1 超临界CO2吸附量和CH4驱替量随注气压力和温度变化规律

经计算可知，在35℃、45℃和55℃条件下，试件CH4平均吸附量分别为0.448 cm3/g、0.375 cm3/g和0.334 cm3/g。随着温度升高，CH4吸附量逐渐减小，这一变化趋势与之前的研究结果[31]一致。

图6为不同温度条件下煤样中超临界CO2吸附量随注入压力变化规律。从图6中可以看出，相同温度下，随着超临界CO2注入压力增加，煤样中超临界CO2吸附量呈现递增趋势。35℃时，当CO2压力从8 MPa增至9 MPa，吸附量增加了5.3 cm3/g，随着压力继续增加，吸附量增长梯度减小，这一变化趋势与前述第3节结果基本一致；在同一注气压力下，温度每升高10℃，煤样对超临界CO2吸附量的下降幅度平均为6 cm3/g，近似等梯度减小。图7为CH4驱替量随超临界CO2吸附量变化曲线，从图中可以看出，在相同温度条件下，随着超临界CO2吸附量逐渐增加，CH4驱替量近似线性增长；压力从8 MPa增加至12 MPa时，35℃、45℃和55℃温度下，超临界CO2吸附量分别增加了14.841 cm3/g、12.544 cm3/g和11.412 cm3/g，增加幅度降低；CH4驱替量分别增加了0.077 cm3/g、0.081 cm3/g和0.083 cm3/g，增加幅度升高。温度越高，CH4驱替量越大，由此得出，超临界CO2注入压力和温度是CH4驱替量的主要影响因素。

图6 不同温度条件下超临界CO2吸附量变化曲线

图7 不同温度下CH4驱替量随超临界CO2吸附量变化曲线

4.2 驱替效率和置换体积比变化规律

驱替效率()为注入气体波及范围内CH4驱替量与该范围内CH4总吸附量之比，可以定量反映驱替效果。图8为不同温度下CH4驱替效率随超临界CO2压力变化曲线。从图中可以看出，在同一温度条件下，随着注气压力增加，CH4驱替效率曲线呈线性上升趋势；温度越高，曲线斜率越大。当超临界CO2注入压力从8 MPa增至12 MPa时，35℃时，驱替效率增长了17.2%；55℃时，驱替效率增长了22.94%。随着超临界CO2注入压力增加，CH4分压降低，吸附态CH4不断从煤基质表面解吸、扩散至基质裂隙，并且高压CO2注入促进煤中孔隙扩展、连通，游离态CH4扩散速率增加，因此CH4驱替效率增加。

从图8中还可以看出，恒定超临界CO2注入压力条件下，温度每升高10℃，驱替效率平均升高8%。这主要是由于温度升高促进吸附态CH4解吸，游离态CH4增多，CH4驱替效率升高。

图8 不同温度下CH4驱替效率曲线

置换体积比()为超临界CO2吸附量与CH4产出量之比，可以反映试件中超临界CO2对CH4的竞争吸附能力。图9为不同温度条件下置换体积比随超临界CO2注入压力变化规律。从图中可以得出，在同一温度下，随着注入压力增加，置换体积比呈现线性递减趋势。35℃时，当注入压力从8 MPa增至12 MPa，置换体积比减小了1.21；55℃时，置换体积比减小了0.39，表明随着超临界CO2注入压力的增大，CH4的驱替效果越明显。这主要由于随着注入压力的增大，煤样内孔裂隙空间得到进一步拓展，原有CH4吸附平衡被打破，CH4驱替量增多；同时注入压力的升高促进了超临界CO2的吸附，驱替置换效果更明显。从图9还可以看出，在相同注入压力条件下，随着温度升高，曲线逐渐平缓，置换体积比均匀降低，温度每升高10℃，当超临界CO2注入压力为8 MPa时，置换体积比平均下降0.79；当注入压力为12 MPa时，置换体积比平均下降0.38，总体平均下降0.5。

图9 不同温度下超临界CO2置换体积比随注气压力变化曲线

5 结论

a. 原煤试件中注入超临界CO2后，其渗透率为10-4μm2量级，在恒定温度条件下，随着注入压力增加，煤样渗透率基本呈线性上升趋势。相同注入压力条件下，随着温度升高，煤样渗透率逐渐降低，降低幅度逐渐减小。

b.在同一温度条件下，随着注入压力增加，超临界CO2吸附量总体呈增加趋势，但增加梯度先减小后增大，当吸附压力为11 MPa时曲线出现拐点。在相同压力条件下，温度升高，吸附量逐渐减小，温度每升高10℃，吸附量平均减小11.43 cm3/g。

c.超临界CO2注入压力和温度是CH4驱替量的主要影响因素。在同一温度条件下，超临界CO2注入压力从8 MPa增至12 MPa，CH4驱替量平均增长了0.076 cm3/g，CH4驱替效率平均增加了20%，超临界CO2置换体积比呈线性递减趋势，平均下降了0.82。相同注入压力条件下，温度每升高10℃，驱替效率平均增加8%，置换体积比平均下降0.5。

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Experiment on methane displacement in coalbed by supercritical carbon dioxide

WU Di, LIU Xueying, SUN Keming, XIN Liwei, MIAO Feng

(School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Using self-made experimental system, experiments were performed on coal samples to study supercritical CO2seepage, adsorption and CH4displacement by supercritical CO2. Experimental results show that permeability and adsorption of supercritical CO2in coal increase with CO2pressures. Pressures and temperatures of CO2influence the values of displaced CH4. Values of displaced CH4increase by average 0.076 cm3/g and sweep efficiency rises by 17%-23% with the CO2pressure increasing from 8 MPa to 12 MPa, while displacement volume decreases linearly. With the temperature rising by 10℃, sweep efficiency increases by 8% while displacement volume declines by 0.5 on average.

methane displaced by supercritical carbon dioxide; temperature; pressure of CO2; sweep efficiency; displacement volume

National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(51504122)；Scientific Study Project for Institutes of Higher Learning, Ministry of Education, Liaoning Province(LJYL047)；the Program of Natural Science Foundation of Liaoning Province(20170540411)

吴迪，1981年生，男，辽宁沈阳人，博士后，副教授，从事孔隙介质多场耦合渗流的教学与研究工作.E-mail：wudi202@126.com

吴迪，刘雪莹，孙可明，等. 热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：85–90.

WU Di，LIU Xueying，SUN Keming，et al.Experiment on methane displacement in coalbed by supercritical carbon dioxide[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：85–90.

1001-1986(2019)03-0085-06

TE377

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.014

2018-07-12

国家自然科学基金青年基金项目(51504122)；辽宁省教育厅项目(LJYL047)；辽宁省科技厅项目(20170540411)

(责任编辑 范章群)