注入二氧化碳驅替煤層甲烷模擬實驗研究

嚴家平 朱和保

【摘 要】采用大型物理模擬試驗裝置模擬研究了往煤中注入CO2氣體過程中對CH4氣體的驅替過程，而進一步獲得這一過程中相關物理作用特征。試驗結果表明，在含瓦斯煤體內注入CO2之后CH4氣體的解吸量顯著增加。試驗初始階段獲得的主要是游離態的CH4成分。隨著時間推移，驅替置換效應顯著，先期注入的CH4解吸量大大增高；在CO2和CH4兩種氣體的各自注氣階段的煤體內壓力變化速度方面也存在明顯的差別，注入CO2時的煤體壓力變化速度慢比煤吸附CH4氣體時的變化速度快；實驗同時表明，注氣驅替過程中煤體溫度有了顯著提高，溫度的提高。

【關鍵詞】煤體；CH4；CO2驅替；解吸；競爭吸附

煤層氣是一種成分復雜的混合氣體。不同成分氣體由于其物理化學性質不同，在煤的空隙中的賦存也存在較大差異。近年來，一些學者開展了煤層甲烷與二氧化碳、氮氣等氣體的煤層甲烷競爭吸附和差異解吸方面的試驗研究[1]。國內外的一些從事煤層氣開發的企業還根據這一原理，試驗研究在煤層內注入其它氣體如二氧化碳驅替技術來提高煤層甲烷的采收率。注入煤層中的CO2主要以吸附形式儲存在煤的微孔中，它會與煤基質微孔中的CH4發生競爭吸附，由于其吸附能力較煤層氣甲烷強，從而將原吸附在煤層中的甲烷置換出來，達到增產煤層氣的效果[2]。

本文的研究主要采用大型物理模擬試驗裝置，模擬試驗研究了利用CO2驅替煤層CH4過程中的相關物理作用特征。

1 試驗樣品

試驗樣品采用淮南潘三礦的13槽煤樣。該煤層變質程度中等，煤體結構較破碎。樣品重量80Kg。樣品粒度（塊度）的結構成分如表1所示：

2 試驗裝置和方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置為自制的大型物理模擬系統。該系統主要包括樣品室、壓實系統、注氣系統和信息采集系統四部分組成。樣品室為一柱狀缸體，缸體內徑400mm，長度1000mm，為一全密耐高壓容器。系統可向樣品施加25Mpa的壓力，氣體壓力最大可達5Mpa。根據實驗需要，可在樣品室布置氣壓傳感器、煤巖應力傳感器，以及溫度等傳感器。樣品室最大裝樣量為80余Kg。

2.2實驗方法

將煤樣裝入模擬系統的樣品室，裝煤樣過程中在樣品內放置溫度、氣壓等傳感器，用來測量樣品被加壓時所承受的壓力狀態。煤樣經擠壓并接近原始煤層的容重后，先向煤體中注入甲烷，然后再進行注氣驅替實驗。具體步驟如下：

①把煤樣裝入樣品室，并按照順序埋入煤巖壓力傳感器和氣壓傳感器，然后將端蓋密封。②啟動壓密裝置，對煤樣進行加壓。壓力為23Mpa，且直到相對穩定狀態，使煤的容重接近原始儲層。③樣品加溫至30℃。④利用注氣系統往樣品內注入甲烷氣體，氣體壓力為1.4Mp，注氣時間為2小時。⑤打開排氣孔讓甲烷自然解吸，同時測試不同排氣時間的流量。當解吸至氣壓為0.2Mp時，關閉出氣閥門，停止解吸。⑥往樣品室內注入CO2，注氣壓力同樣為1.4 Mp，注氣時間2小時，吸附氣體基本達到平衡狀態。

在完成上述步驟后，打開樣品室排氣閥門，并按照設定的氣體壓力點（1.4MP ， 1.2MP ，1MP， 0.8MP， 0.6MP， 0.4MP， 0.2MP）逐步解吸，同時根據壓力點采集氣樣，分析氣體的組分濃度。當壓力接近于0時，意味著沒有氣體解吸出來時，結束注入CO2驅替煤層甲烷模擬實驗。

3 實驗結果及討論

3.1. 氣體解吸量的變化

圖1是在0.2MP壓力條件下利用二氧化碳驅替甲烷前后的結果對比。由圖1可見， CH4總解吸量為141350ml，由CH4總吸附量可以計算出此時解吸量所占總吸附量的體積百分比，已知總吸附量為673482ml，從而可計算出CH4解吸量占總吸附量的20.99%。驅替解吸過程中，當氣體壓力降到0.2MP， CH4總解吸量為300017ml；當氣體壓力降到0MP，CH4總解吸量為381915ml，由CH4總吸附量可以計算出此時CH4總解吸量所占總吸附量體積百分數為56.71%。由于實驗裝

置輔助儀器精度的限制，未能對驅替解吸過程中二氧化碳解吸量變化情況做出詳細的了解，其總解吸量大約占總吸附量的20%。從圖中我們還可以看出，注入二氧化碳之后，相比甲烷氣體單一解吸，前期甲烷氣體單一解吸時的速度和解吸量要大于驅替時解吸量，這是由于剛開始解吸出來的主要是游離態氣體。隨著時間的推移，驅替置換效應顯示出了作用使得甲烷的解吸速度和解吸量大大增高。

3.2二氧化碳驅替煤層甲烷過程中氣體組分的變化

從圖2可見，游離相中CH4的相對濃度逐漸降低，從78.99 %降至74.79 % ，而 CO2的濃度則從21.01 %增加到25.21% 。開始階段隨著壓力的降低，游離組分的百分含量變化不是很大。當降至1.2MP以后，才發生顯著的變化。這是由于CO2注入缸體后，開始階段吸附置換并不占主導地位，從而游離組分的百分含量變化不是很大。當壓力降至一定程度后，吸附能力強的二氧化碳迫使吸附狀態的CH4被置換出來，造成CH4解吸速率相對較快，正是由于各組分在共同的吸附解吸中相互干擾和相互競爭，使得CO2的相對濃度升高， CH4的相對濃度逐漸降低。

上面主要探討了吸附缸體內游離相組分的變化情況，但是反映氣體驅替置換現象的過程，主要是表現在吸附相組分變化的規律。吸附相氣體組分即吸附在煤基質上的各組分氣體的相對含量。為了研究解吸過程中混合氣體中吸附相組分中各氣體的變化規律， Arril等[4]在研究中指出了對混合氣體中吸附相組分的分離的詳細計算方法。通過計算二元氣體等溫解吸實驗時各氣體組分在吸附相中的相對濃度。如圖3所示：

從圖3中可以看出置換解吸過程中吸附相組分中各成分氣體百分含量的變化規律，即甲烷含量不斷下降， 而二氧化碳含量不斷上升。這說明在解吸過程中， 二氧化碳和甲烷氣體發生了置換作用， 將更多的甲烷從煤的表面解吸出來。從氣體的等溫解吸實驗中，隨著壓力降低， 吸附相中甲烷的相對濃度逐漸降低， 而二氧化碳的相對濃度逐漸升高。 這是因為甲烷的吸附能力低于二氧化碳， 它在與二氧化碳競爭吸附中處于劣勢， 所以在解吸過程中，甲烷的

解吸速率相對較快， 二氧化碳的解吸速率相對較慢。 使得吸附相中甲烷的相對濃度逐漸減小， 而二氧化碳的相對濃度逐漸增大。即使在極低的壓力下， 二氧化碳氣體仍舊保持較高的濃度， 說明二氧化碳對甲烷氣體的置換是比較徹底的。也側面反映了現場注氣中， 可以將注入的二氧化碳氣體永久儲存在煤層中， 從而達到置換解吸煤層甲烷的同時將二氧化碳埋藏。

3.3 注入CO2過程中煤體溫度的變化

驅替模擬實驗過程中，注入CO2時，煤體的溫度發生了顯著的變化，其變化情況如圖4所示：

從圖4可以看出，向煤體注入CO2氣體的過程中，煤體的溫度不斷上升。在注氣的90分鐘內。煤體溫度上升2.5度，然后出現輕微下降。于煤吸附CO2的過程是一放熱過程，從而使煤體溫度有了顯著提高。在做驅替吸附實驗時，很少有人對溫度的變化做過探討，其實溫度的提高，有利于處于吸附狀態的CH4氣體分子從吸附態變成游離態。這是因為煤體吸附瓦斯實際上屬于物理吸附，其本質是煤分子和瓦斯氣體分子之間的微觀電作用力使得瓦斯氣體分子在煤表面停留 。當煤——瓦斯體系的溫度升高時，氣體的無規則運動加劇，分子之間的碰撞加強，分子的動能也越大，獲得高于吸附勢阱的能量的機會增加，使得處于吸附狀態的CH4氣體分子在煤體孔隙表面上停留的時間也縮短。從而吸附能力下降，使得吸附量相對變小，促使更多的甲烷氣體解吸出來。

3.4 驅替模擬實驗驅替效果評價

從上述實驗結果可以看出， CH4的解吸主要發生在注入CO2后，占總解吸量的56.71%，而采用常規降壓法只能解吸出20.99%的CH4。

模擬實驗驅替效果可以用CH4的解吸率來表示，即是指在解吸過程中，總的解吸量占總吸附量的百分比。單位壓降下的CH4解吸率則等于CH4的解吸率除以解吸過程中的壓力降，其計算方法為：

單位壓降下的CH4 解吸率= CH4 的解吸率/解吸過程壓力降×100%

當氣體壓力降到0.2MP時： 純CH4解吸實驗中CH4的解吸率為20.99%，則單位壓降下CH4的解吸率為17.49%∕MP；注入CO2驅替模擬實驗中CH4的解吸率為44.55%，則單位壓降下CH4的解吸率為37.13%∕MP。從而可知在相同的降壓幅度下，采用注入CO2驅替煤層甲烷的方法，同常規降壓法相比，可以使煤樣中的CH4解吸率提高約2.12倍。與此同時還將大量溫室氣體CO2埋藏于地下，環境效益顯著。

4 結論

（1）注入二氧化碳氣體驅替煤層甲烷，能夠大幅度提高煤層內甲烷氣體的解吸率和解吸速度。

（2）置換解吸過程中吸附相組分中CH4含量不斷下降， 而CO2含量不斷上升。

（3）注氣驅替過程中煤體溫度有了顯著提高，溫度的提高，有利于處于吸附狀態的CH4氣體分子從吸附態變成游離態。

（4）采用注入CO2驅替煤層甲烷的方法，同常規降壓法相比，可以使煤樣中的CH4解吸率提高約2.12倍，同時還可將大量溫室氣體CO2埋藏于地下，實現二氧化碳有效減排，環境效益顯著。

參考文獻：

[1] 劉澤英，穆青.我國煤層氣勘探開發的科學技術問題[J].石油實驗地質，1998，20（1） .

[2] 池衛國，吳松欽.對我國煤層氣勘探前景的再認識[J].石油實驗地質，2000，22（2） .

[3] Arri L E， Yee D， MorganW D， et al1煤層甲烷產量的二元氣體吸附模擬[M]. 宋黨育， 譯1徐州： 中國礦業大學出版社， 1996.