黎 力，梁衛(wèi)國，李治剛，賀 偉

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

注熱CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣試驗(yàn)研究

黎 力1,2，梁衛(wèi)國1,2，李治剛1，賀 偉1,2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

當(dāng)前煤變質(zhì)程度高、割理不發(fā)育及煤儲(chǔ)層壓力低等因素嚴(yán)重制約著我國煤層氣的開采與利用。為完善注CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣的基礎(chǔ)理論研究，利用自主研發(fā)的煤層瓦斯驅(qū)替裝置探討了不同注氣溫度與注氣壓力條件下CO2對(duì)煤層瓦斯驅(qū)替置換的效果，并分析了注氣溫度與壓力對(duì)煤體的變形與滲透率的影響。研究發(fā)現(xiàn)：驅(qū)替氣體注氣壓力與溫度是影響CH4產(chǎn)出率與CO2儲(chǔ)存量的關(guān)鍵因素，提高注氣溫度與注氣壓力能夠在單位時(shí)間內(nèi)驅(qū)替出更多的CH4并存儲(chǔ)更多的CO2;注氣壓力由2 MPa增至4 MPa，CH4產(chǎn)出率可提高6.7%～17.4%，CO2儲(chǔ)存量可提高78.6%～99.7%;注氣氣體溫度從28 ℃上升至60 ℃，CH4產(chǎn)出率與CO2儲(chǔ)存量分別增加40.0%～43.8%和23.8%～38.4%，而驅(qū)替置換比降低8.4%～20.2%;驅(qū)替壓力與溫度的增加會(huì)使得煤體軸向應(yīng)變?cè)黾?8.1%和104.7%;常溫注氣試驗(yàn)后煤體滲透性下降37.1%～71.3%，提高驅(qū)替溫度可使?jié)B透率下降幅度降低19.8%～64.3%。

增產(chǎn);煤層氣;溫度;驅(qū)替效率;應(yīng)變

我國為煤層氣賦存大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國埋深2 000 m以淺的煤層氣儲(chǔ)量為36.81 萬億m3[1]。但是由于煤層氣原始?jí)毫Φ鸵约懊簩訚B透性普遍偏低(小于10-15m2)[2-3]等因素的制約以及缺乏有效的增產(chǎn)技術(shù)，煤層氣開發(fā)一直沒有達(dá)到預(yù)期效果。受注氣增產(chǎn)天然氣啟發(fā)，向煤體中注氣增產(chǎn)煤層瓦斯成為研究熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，煤對(duì)CO2的吸附能力高于CH4[4-6]，在含瓦斯煤體中注入CO2不僅能夠通過競爭吸附等作用提高煤層瓦斯的采收率，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)CO2這一溫室效應(yīng)氣體的地質(zhì)封存[7-10]。為進(jìn)一步提高注氣增產(chǎn)煤層氣效果，結(jié)合高溫對(duì)煤體以及氣體吸附的影響[11-13]，以及超臨界CO2的特殊性質(zhì)[14]，超臨界CO2驅(qū)替也漸漸成為了研究熱點(diǎn)，試驗(yàn)表明超臨界CO2較常態(tài)CO2驅(qū)替對(duì)煤體有明顯的增滲作用[15-16]，并發(fā)現(xiàn)超臨界CO2驅(qū)替具有很好的增產(chǎn)效果[17]。然而，CO2達(dá)到超臨界態(tài)的要求較為苛刻(壓力>7.38 MPa，溫度>31.1 ℃)，對(duì)于淺埋煤層以及部分深部巖體，氣體壓力無法達(dá)到臨界壓力值，而常規(guī)CO2注氣增產(chǎn)又無法達(dá)到理想的增產(chǎn)效果，利用高溫對(duì)煤體孔裂隙及氣體吸附特性的影響，通過注熱CO2進(jìn)行煤層氣驅(qū)替增產(chǎn)越來越受到人們的關(guān)注。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 樣 品

試驗(yàn)樣品取自于大同煤田12號(hào)煤層，煤層埋深為300～450 m，煤階為弱黏煤，其工業(yè)分析見表1。

表1煤體工業(yè)分析
Table1Industrialanalysisofthecoal%

為使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鎸?shí)的反映實(shí)際情況，試件采用原煤試樣。大塊煤樣在現(xiàn)場采集后精心包裹運(yùn)輸至太原理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工，為了減少在制件過程中對(duì)煤體的破壞以及提高煤體樣品尺寸的精確性，所用煤樣均采用數(shù)控線切割機(jī)床加工成φ50 mm×100 mm的圓柱形試件(圖1)，試件表面光滑平整，僅有少量可見的微小裂隙。由于現(xiàn)場注氣與排采瓦斯過程中氣體主要流動(dòng)方向?yàn)槠叫杏诿后w賦存層理方向，所以試件軸向方向與煤層層理方向平行。

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Test specimens

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)自行研發(fā)設(shè)計(jì)的MCQ-Ⅱ型煤層瓦斯驅(qū)替裝置[18-19]，該套試驗(yàn)裝置可以模擬不同圍巖應(yīng)力條件下，不同煤樣試件中氣體的滲流、吸附以及驅(qū)替過程，并可以精確測量驅(qū)替過程中煤體的膨脹特性，試驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Sketch of experimental equipment

試驗(yàn)設(shè)備軸壓與圍壓加載系統(tǒng)均采用PLC加載泵進(jìn)行伺服控制以保證在試驗(yàn)期間軸壓與圍壓保持恒定，試驗(yàn)過程中煤體軸向變形由精密LVDT傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測并計(jì)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，注入CH4過程中，由于三軸壓力室出口封閉，通過理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算CH4儲(chǔ)氣罐中氣體摩爾減小量，并減去管線中氣體摩爾量得到煤體中CH4儲(chǔ)存量。注不同溫度CO2驅(qū)替試驗(yàn)時(shí)，由稱重天平稱量得到氣體質(zhì)量減少量換算為體積量再減去管線中氣體量得到注入CO2體積，預(yù)熱裝置對(duì)注入氣體進(jìn)行預(yù)熱，所有管線為防止熱量消耗均取用最短長度并采用保溫棉層層包裹，以保證注氣溫度為試驗(yàn)所需溫度。后端通過高濃度NaOH溶液吸收產(chǎn)出的CO2氣體并通過前后兩流量計(jì)差值計(jì)算產(chǎn)出CO2氣體量，末端流量計(jì)計(jì)量驅(qū)替過程中產(chǎn)出CH4氣體量并通過排水集氣法收集氣體，以校正流量計(jì)偏差。所有數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)記入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，便于以后數(shù)據(jù)處理工作。

1.3 試驗(yàn)方案

為探究注入不同溫度不同壓力條件下CO2氣體對(duì)于驅(qū)替煤層瓦斯的促進(jìn)作用，并依據(jù)CO2相態(tài)圖確定驅(qū)替壓力與溫度以保證注入CO2狀態(tài)為氣態(tài)，試驗(yàn)注氣溫度以及注氣壓力分為6組，即注氣溫度為室溫(28 ℃)，45 ℃和60 ℃，每個(gè)注氣溫度下的注氣壓力分為2 MPa與4 MPa。驅(qū)替試驗(yàn)前，對(duì)煤體進(jìn)行CH4注氣處理，使煤樣中原始瓦斯飽和壓力為1 MPa。

1.4 試驗(yàn)過程

(1)將試件放入恒溫烘干箱中，恒溫烘干12 h，去除水分對(duì)試驗(yàn)的影響。

(2)將烘干后的試樣在干燥環(huán)境中冷卻后放入試驗(yàn)釜體，進(jìn)行圍壓與軸壓交替加載直至軸壓和圍壓均為9 MPa。

(3)利用真空泵對(duì)試驗(yàn)釜體內(nèi)煤體進(jìn)行抽真空。注入1 MPa CH4，待出口端流量穩(wěn)定時(shí)記錄出口流量，進(jìn)行煤體滲透率測量。測量結(jié)束后，用真空泵再次進(jìn)行抽真空作業(yè)，持續(xù)24 h。

(4)關(guān)閉出口閥門，打開進(jìn)口閥向裝置中注入1 MPa的CH4，注氣時(shí)間為24 h。

(5)關(guān)閉進(jìn)口閥門，氣體預(yù)熱裝置進(jìn)行預(yù)熱直至加熱到設(shè)定溫度(常溫條件下驅(qū)替試驗(yàn)省略該步)，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，將CO2壓力調(diào)至試驗(yàn)方案所指定驅(qū)替壓力。

(6)打開進(jìn)口閥門同時(shí)打開出口閥門，進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，持續(xù)12 h，電腦實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(7)關(guān)閉進(jìn)口閥，對(duì)煤樣抽真空24 h，重復(fù)步驟(3)～(6)試驗(yàn)(驅(qū)替溫度不變，改變驅(qū)替壓力)。

(8)每做完一組注氣溫度更換一個(gè)煤樣，改變驅(qū)替溫度，重復(fù)上述步驟，得到不同驅(qū)替溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié) 果

2.1 氣體運(yùn)移及驅(qū)替效果

2.1.1CH4注氣過程中儲(chǔ)存量變化

本試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)條件所限，甲烷注氣過程中賦存于煤體基質(zhì)孔隙與裂隙中的氣體量無法單獨(dú)表征，因此采用“儲(chǔ)存量”這一概念表示煤體中游離CH4與吸附CH4量的總和。

圖3為注氣溫度為為常溫(28 ℃)注氣壓力為1 MPa條件下，單位體積煤體中CH4儲(chǔ)存量隨時(shí)間變化曲線。可見，在注氣過程中煤體中CH4儲(chǔ)存量隨時(shí)間變化可以分為3個(gè)階段。第1階段，在短時(shí)間內(nèi)(0～1 500 s)單位質(zhì)量煤體中CH4儲(chǔ)存量急速升高至1.85 mL/cm3左右,占注氣過程最大單位體積煤體儲(chǔ)存CH4的14.8%。第2階段，煤體中氣體儲(chǔ)存量進(jìn)入近似線性的穩(wěn)步上升階段(1 500～35 000 s)，該階段儲(chǔ)存的CH4體積占最大量的72.8%。第3階段，CH4儲(chǔ)存量上升趨勢減緩(35 000～60 000 s)并逐漸趨于平緩(60 000～86 400 s)。最終，單位體積煤體最大儲(chǔ)氣量平均值可達(dá)12.50 mL/cm3。

圖3 28 ℃注氣壓力1 MPa條件下單位體積煤體中 CH4儲(chǔ)存量隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Change of CH4 storage in coal with time under 1 MPa injecting pressure and 28 ℃

單一氣體在煤體中運(yùn)移主要包含滲流與擴(kuò)散兩個(gè)過程，對(duì)于注入氣體而言，氣體先以滲流形式進(jìn)入煤體裂隙空間，再以擴(kuò)散形式從裂隙中進(jìn)入煤體基質(zhì)塊體[20]。該試驗(yàn)過程中，第1階段以滲流為主，該階段主要是由于原煤試件中原始的孔裂隙結(jié)構(gòu)，且裂隙具有很好的滲透性，當(dāng)注氣壓力施加到垂直于層理面的注氣面后，由于注氣面與煤體內(nèi)部氣體的壓力差異，氣體能夠快速的沿著裂隙進(jìn)入煤體，致使煤體中儲(chǔ)存CH4量急劇攀升;第2階段以擴(kuò)散為主并伴隨氣體在裂隙表面吸附，該階段中，裂隙中的游離氣體已經(jīng)達(dá)到飽和，氣體由微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入煤體基質(zhì)并吸附在煤孔隙表面;第3階段即為穩(wěn)定飽和階段，該階段由于煤體基質(zhì)氣壓與裂隙中氣體壓力與濃度差的降低，CH4由裂隙進(jìn)入基質(zhì)的量逐漸減少，直至煤體中儲(chǔ)存CH4達(dá)到飽和。

2.1.2不同溫度與壓力條件下CH4產(chǎn)出率與CO2儲(chǔ)存量變化規(guī)律

圖4為不同注氣溫度與壓力條件下CH4產(chǎn)出率以及CO2在煤體中的儲(chǔ)存體積隨時(shí)間變化關(guān)系。由圖4(a)可以看出，CH4的產(chǎn)出率隨時(shí)間的變化大約可分為兩個(gè)階段，即CH4的產(chǎn)出率隨時(shí)間的變化增長階段以及最終平衡階段。驅(qū)替壓力為2 MPa時(shí)，注氣溫度為常溫時(shí)，整個(gè)驅(qū)替階段中CH4產(chǎn)出率一直升高，而當(dāng)氣體溫度提高到45 ℃時(shí)，CH4產(chǎn)出率在33 000 s時(shí)達(dá)到峰值0.56并穩(wěn)定，注氣溫度進(jìn)一步提高至60 ℃時(shí)，達(dá)到峰值0.75產(chǎn)出率時(shí)間縮短至28 920 s;驅(qū)替壓力為4 MPa時(shí)注氣溫度為常溫、45 ℃和60 ℃時(shí)CH4產(chǎn)出率達(dá)到峰值0.60,0.66和0.82所需時(shí)間分別為28 140,25 868以及24 480 s。

圖4 不同注氣溫度與壓力條件下CH4產(chǎn)出率、CO2儲(chǔ)存體積隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Change of CH4 output rate and CO2 storage with time under the conditions of different injecting pressure and temperature

與CH4的產(chǎn)出率變化相類似，CO2儲(chǔ)存體積隨時(shí)間的變化也存在兩個(gè)階段，所不同的是CO2儲(chǔ)存量隨時(shí)間的改變卻不存在穩(wěn)定期，在快速增加階段之后，整個(gè)驅(qū)替過程中單位體積煤體中CO2儲(chǔ)存量一直以較緩的速度增加，如圖4(b)所示。隨著注氣壓力與注氣溫度的增加，單位體積下CO2儲(chǔ)存量快速增加階段的結(jié)束時(shí)間由1 250 s降至725 s，而該階段儲(chǔ)存量卻從13.77 mL/cm3增至28.98 mL/cm3，最終CO2存儲(chǔ)量也有著明顯的提升。

在驅(qū)替過程中，首先是裂隙以及孔隙中的自由氣體被快速驅(qū)替出來，之后由于煤體對(duì)CO2的親和性要高于CH4，CO2與CH4在煤體表面進(jìn)行競爭吸附[21]，驅(qū)替出煤體表面CH4并將其帶出煤體，最終CH4產(chǎn)出率趨于不變，而CO2在煤體中繼續(xù)儲(chǔ)存。

可以明顯看出驅(qū)替壓力與氣體溫度的增加能夠提高CH4產(chǎn)出率并使其更快的達(dá)到峰值，同時(shí)提高CO2在煤體中的存儲(chǔ)量。

如圖5所示驅(qū)替最終CH4產(chǎn)出量和CO2儲(chǔ)存體積隨驅(qū)替壓力和溫度的變化趨勢基本一致，都是隨著驅(qū)替壓力和驅(qū)替溫度的增加。驅(qū)替壓力為2 MPa時(shí)注氣溫度為常溫時(shí)CH4產(chǎn)出量與CO2儲(chǔ)存量分別為1 280 mL和6 439 mL,當(dāng)注氣溫度為45 ℃時(shí)相應(yīng)量增加到1 366 mL和6 491 mL，較常溫驅(qū)替時(shí)分別增加了6.7%和0.8%，注氣溫度進(jìn)一步升高至60 ℃時(shí)，CH4產(chǎn)出體積增至1 960 mL，CO2儲(chǔ)存體積達(dá)到7 862 mL，較常溫驅(qū)替時(shí)分別增加53.1%和21.9%。驅(qū)替壓力為4 MPa時(shí)注氣溫度為常溫時(shí)CH4產(chǎn)出量與CO2儲(chǔ)存量分別為1 442 mL和11 501 mL,分別比同注氣溫度2 MPa注氣壓力時(shí)增加12.7%和44.0%，當(dāng)注氣溫度為45 ℃時(shí)相應(yīng)量增加到1 604 mL和12 504 mL，較常溫時(shí)增加11.2%和8.7%，進(jìn)一步升高溫度則增加量變?yōu)?9.1%和36.5%。驅(qū)替壓力的升高使得驅(qū)替過程中煤基質(zhì)表面活化能增加，CO2與CH4有了更多的接觸碰撞，驅(qū)替產(chǎn)出的CH4量越多，溫度的升高對(duì)氣體起到了明顯的活化作用，通過對(duì)煤體的加熱讓吸附在煤體表面CH4更加易于解吸，使得更多的CH4離開煤體基質(zhì)表面并提供更多吸附位供CO2吸附，并且由于溫度的升高，煤體由于熱作用會(huì)產(chǎn)生新的裂隙結(jié)構(gòu)[22]，使得煤體中出現(xiàn)更多的CO2吸附空間上述兩個(gè)原因造成了煤體中存儲(chǔ)的CO2體積增加。但是可以明顯看出隨著溫度的升高產(chǎn)出CH4氣體量與儲(chǔ)存CO2氣體量的差值越來越小。

圖5 不同注氣壓力條件下CH4產(chǎn)出體積以及CO2儲(chǔ)存體積隨注氣溫度變化曲線Fig.5 Change of volume of CH4 output and CO2 storage with injection temperature under injection different pressure

為表征儲(chǔ)存CO2體積與產(chǎn)出CH4體積對(duì)比的量化關(guān)系，定義驅(qū)替置換比為兩個(gè)體積量的商值。不同條件下的驅(qū)替置換比變化如圖6所示，由圖6可以看出，相同驅(qū)替溫度條件下，當(dāng)驅(qū)替壓力從2 MPa增加至4 MPa時(shí)，驅(qū)替置換比增加約1.7倍。而相同注氣壓力條件下溫度升高導(dǎo)致驅(qū)替置換比呈下降趨勢，2 MPa與 4 MPa注氣壓力時(shí)，驅(qū)替CO2溫度為60 ℃時(shí)置換比分別為常溫氣體驅(qū)替時(shí)的79.7%和91.6%，這是由于雖然溫度的升高使得更多的CH4離開煤體基質(zhì)表面并提供場所供CO2吸附，但是溫度的增加也增加了CO2的活性，使其在煤體表面吸附能力降低[23]，因此導(dǎo)致驅(qū)替出相同體積的CH4的情況下，儲(chǔ)存在煤體中的CO2體積有所下降。

圖6 不同條件下的注氣驅(qū)替置換比Fig.6 Change of replacement ratio under injection condition

2.2 煤體力學(xué)特性分析

2.2.1注氣及驅(qū)替過程中煤體軸向應(yīng)變變化規(guī)律

圖7為注氣溫度為常溫(28 ℃)注氣壓力為1 MPa條件下，單位體積煤體中CH4儲(chǔ)存量與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，可以明顯的看出，煤體中氣體儲(chǔ)存量與煤體的軸向應(yīng)變有著較好的線性關(guān)系[24]，其擬合公式可以表述為

式中，ε為軸向應(yīng)變;Q為單位體積煤體中CH4儲(chǔ)存量，mL/cm3;a,b為擬合常數(shù)，其根據(jù)不同的煤體而有所不同。

圖7 28 ℃注氣壓力1 MPa條件下CH4儲(chǔ)存量與 軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.7 Change of axial strain of coal with CH4 storage under 1 MPa injecting pressure and 28 ℃

整個(gè)注氣過程結(jié)束煤體軸向應(yīng)變最大值為0.033%，但是在軸向應(yīng)變隨著CH4儲(chǔ)存量的增加而改變之前，存在一個(gè)儲(chǔ)量增加而無軸向應(yīng)變的階段，此階段結(jié)束的CH4臨界儲(chǔ)量為1.85 mL/cm3左右，這恰好與儲(chǔ)存量隨時(shí)間變化的第1階段臨界值一致，該階段中CH4只是隨著易流通的裂隙通道進(jìn)入煤體并占據(jù)自由氣體空間，進(jìn)入煤體的 CH4沒有對(duì)煤體產(chǎn)生力的作用而且煤體并沒有大量吸附氣體而產(chǎn)生膨脹。

恒溫注氣情況下，煤體的膨脹主要由有效應(yīng)力引起的膨脹與吸附膨脹組成，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19],恒溫注氣狀態(tài)下，煤體軸向應(yīng)變與氣體儲(chǔ)存量可表示為

將式(3)代入式(2)可得

式中，ν為泊松比;E為彈性模量，GPa;c為擬合常數(shù);Q′為造成煤體軸向應(yīng)變的氣體儲(chǔ)存量;ρ為煤的視密度，kg/m3;R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J / (mol·K);T為絕對(duì)溫度,K;V為摩爾體積，m3/mol;α為比奧特系數(shù);Q為氣體儲(chǔ)存量，L。

式(4)與試驗(yàn)所得擬合公式ε=aQ+b一致，煤體軸向應(yīng)變與煤體中存儲(chǔ)CH4體積量呈線性關(guān)系。

注氣驅(qū)替過程中，煤體存在著明顯的變形，圖8顯示了不同驅(qū)替溫度以及壓力條件下煤體的軸向應(yīng)變隨CO2儲(chǔ)存體積變化的關(guān)系。相同溫度條件下，隨著驅(qū)替壓力的升高，存儲(chǔ)相同體積的CO2煤體軸向膨脹越大，這是由于注氣氣體進(jìn)入煤體內(nèi)部，在圍壓與軸壓不變的情況下，注氣壓力的升高導(dǎo)致有效應(yīng)力降低，使得煤體產(chǎn)生膨脹變形。當(dāng)注氣壓力相同時(shí)，煤體儲(chǔ)存相同體積的CO2的情況下，注氣氣體溫度的升高帶來煤體軸向變形的增大，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是在注氣過程中氣體所代入的熱量使得煤體受熱膨脹。

圖8 不同注氣溫度與壓力條件下煤體軸向應(yīng)變隨CO2儲(chǔ)存體積變化曲線Fig.8 Change of axial strain of coal with CO2 storage amount under injection condition

非恒溫條件下煤體軸向應(yīng)變[25]可表示為

式中，K為體積模量;αT為煤體熱膨脹系數(shù)，1/K;εS為吸附造成的軸向應(yīng)變。

注不同溫度與壓力CO2驅(qū)替CH4過程中，煤體由于有效應(yīng)力，熱膨脹以及CH4與CO2競爭吸附造成的吸附膨脹的共同作用，使得在注氣驅(qū)替過程中煤體的軸向應(yīng)變與氣體儲(chǔ)存量的關(guān)系呈非線性關(guān)系。

2.2.2不同溫度與壓力驅(qū)替后煤體滲透性改變

煤體結(jié)構(gòu)的改變必然導(dǎo)致煤體滲透率的變化，表2中分別為不同驅(qū)替條件前后的煤體滲透率的測試結(jié)果，其計(jì)算公式[26]為

式中，k為煤體滲透率，10-15m2;p0為大氣壓力，MPa;μ為氣體動(dòng)力黏度，Pa·s;L為煤樣軸向長度，cm;Q1為穩(wěn)定時(shí)氣體流量，cm3/s;A為滲流過程中氣體煤體的有效滲透面積，cm2；p1和p2分別為進(jìn)出口壓力，MPa。

表2不同條件下的驅(qū)替試驗(yàn)后煤體滲透率
Table2Permeabilityofthecoalafterexperimentsofdifferentinjectionconditions

驅(qū)替條件溫度壓力滲透率/10-15m2k/k0驅(qū)替前0094971常溫2MPa0059790629564MPa002730028740驅(qū)替前009005145℃2MPa0063980710524MPa002937032614驅(qū)替前009439160℃2MPa0075690801944MPa003374035744

由表2可以看出，驅(qū)替之后煤體滲透率有著明顯的降低，相同驅(qū)替溫度條件下，驅(qū)替壓力越大，驅(qū)替結(jié)束后滲透率下降的越為明顯。在相同注氣壓力條件下，隨著注氣溫度的升高，煤體滲透率相對(duì)的降低變小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明注入更高溫度的CO2進(jìn)行驅(qū)替能夠?qū)γ后w滲透性破壞有一定阻滯作用。

3 結(jié) 論

(1)注入驅(qū)替氣體的壓力以及溫度的提高能夠明顯的加快驅(qū)替產(chǎn)氣以及CO2存儲(chǔ)過程。

(2)注入驅(qū)替氣體的壓力以及溫度對(duì)CH4產(chǎn)出以及CO2存儲(chǔ)有重要影響，相同注氣溫度條件下，注氣壓力增大CH4產(chǎn)出量可提高6.7%～17.4%，驅(qū)替結(jié)束時(shí)CO2儲(chǔ)存量可提高78.6%～99.7%;相同注氣壓力條件下，注氣氣體溫度的升高使得CH4產(chǎn)出率與CO2儲(chǔ)存量的分別增加40.0%～43.8%和23.8%～38.4%。

(3)注氣壓力與注氣溫度的升高會(huì)使煤體產(chǎn)生明顯膨脹變形并改變其滲透率，在儲(chǔ)存相同CO2的條件下注氣壓力與注氣溫度的升高都會(huì)帶來軸向應(yīng)變的增加，其最大增大幅度可達(dá)到98.1%和104.7%，且軸向應(yīng)變的增加與CO2的存儲(chǔ)量呈非線性關(guān)系。注氣驅(qū)替會(huì)使得煤體滲透率降低，而注氣溫度的升高能夠阻滯驅(qū)替對(duì)滲透性的破壞。

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ExperimentalinvestigationonenhancingcoalbedmethanerecoverybyinjectinghightemperatureCO2

LI Li1,2，LIANG Weiguo1,2，LI Zhigang1，HE Wei1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.KeyLaboratoryofIn-situProoperty-ImprovingUnderMiningofMinistryofEducation,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The high metamorphic grade and low bedding development of coal,along with the low reservoir pressure of gas have seriously restricted the development and usage of coalbed methane.In order to promote the fundamental research on enhanced coal bed methane recovery,a series of laboratory experiments were conducted on raw coal specimens by using special equipment,which is designed and developed independently,to investigate the effect of different injecting pressure and temperature of CO2The results show that,the pressure and temperature of injected CO2are the main factors which have impact on output rate of CH4and CO2storage,higher injection pressure and temperature can lead to more CH4output and CO2storage and more rapider rate of CH4output and CO2storage,the increase of CO2pressure,from 2 MPa to 4 MPa,can result in the increase of CH4output rate,from 6.7% to 17.4%,and CO2storage (78.6%-99.7%);the increase of injecting temperature (28 ℃ to 60 ℃) can lead to the increase of CH4output rate (40.0%-43.8%) and CO2storage (23.8%-38.4%),but reduce the replacement ratio,which is from 8.4% to 20.2%.The increase of injection pressure and temperature can cause greater deformation of coal samples,the axial strain can increase by 98.1% and 104.7%.The permeability of coal decreases about 37.1%-71.3% after room temperature displacement experiment but the reduction become less when the injection temperature increases,which become 19.8%-64.3%.

ECBM;coalbed methane;temperature;displacement efficiency;strain

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1612

P618.11

:A

:0253-9993(2017)08-2044-07

國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51225404);“三晉學(xué)者”支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013);山西省研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2016SY014)

黎 力(1991—)，男，江蘇南京人，碩士研究生。Tel:0351-6010100,E-mail:lili0661@link.tyut.edu.cn。

:梁衛(wèi)國(1972—)，男，教授，博士。Tel:0351-6010100,E-mail:liangweiguo@tyut.edu.cn

黎力，梁衛(wèi)國，李治剛,等.注熱CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):2044-2050.

LI Li，LIANG Weiguo，LI Zhigang,et al.Experimental investigation on enhancing coalbed methane recovery by injecting high temperature CO2[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2044-2050.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1612