劉健 范家文

【摘 要】 針對(duì)我國能源供需不平衡以及礦井瓦斯無法高效利用的現(xiàn)狀，本文主要進(jìn)行不同溫度和壓力下二氧化碳驅(qū)替瓦斯的試驗(yàn)，得到了驅(qū)替效率與溫度和時(shí)間的定量關(guān)系，研究結(jié)果表明：二氧化碳驅(qū)替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，超臨界二氧化碳的驅(qū)替效率至少可達(dá)65%。

【關(guān)鍵詞】 溫壓;瓦斯;二氧化碳;煤層氣

【中圖分類號(hào)】 TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）04-0044-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

煤層氣的高效開采對(duì)緩解我國能源現(xiàn)狀具有重要意義。近些年來，諸多專家學(xué)者傾向于向煤體中注入強(qiáng)吸附性氣體來置換驅(qū)替瓦斯氣體，從而使得煤體中處于吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)。由于煤體對(duì)二氧化碳的吸附性更強(qiáng)，且制取容易，故目前吸附性氣體多選擇為二氧化碳，基于此，本文進(jìn)行了不同溫度和壓力下二氧化碳驅(qū)替瓦斯的試驗(yàn)研究，以期為工業(yè)實(shí)踐提供一定指導(dǎo)意義。

1試驗(yàn)方案及裝置

本文選擇三個(gè)溫度點(diǎn)（20℃、50℃和80℃）、三個(gè)壓力點(diǎn)（2MPa、4MPa和8MPa），進(jìn)行9組溫度和壓力共同作用下的二氧化碳驅(qū)替瓦斯試驗(yàn)。不同溫壓下二氧化碳的相態(tài)特征如表1所示。

本次試驗(yàn)所用裝置包括耐高壓反應(yīng)釜、高精度驅(qū)替泵、恒溫水浴槽、溫控系統(tǒng)、氣瓶和流量監(jiān)測(cè)裝置等。在進(jìn)行本次試驗(yàn)前，需要先進(jìn)行瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)，然后將瓦斯氣瓶更換為二氧化碳?xì)馄浚M(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，先控制二氧化碳?jí)毫?MPa，將釜體和流量監(jiān)測(cè)裝置接入裝有NaOH的容器，以吸收置換驅(qū)替得到的二氧化碳?xì)怏w，控制水浴槽溫度為20℃。在驅(qū)替過程中，每過一段時(shí)間通過排水集氣法記錄了驅(qū)替出的甲烷氣體體積，再根據(jù)公式1計(jì)算驅(qū)替效率η。

壓力為2MPa、溫度20℃下的驅(qū)替試驗(yàn)完成后，進(jìn)行50℃和80℃下瓦斯的驅(qū)替試驗(yàn)。然后調(diào)整壓力，進(jìn)行第二組和第三組試驗(yàn)。

2二氧化碳驅(qū)替瓦斯氣體體積與時(shí)間的關(guān)系

本次以驅(qū)替壓力為8MPa為例，得到的不同溫度下收集到的瓦斯氣體體積變化規(guī)律如圖1的（a）～（c）所示。從圖1中可以看出，不同溫度下，驅(qū)替得到的瓦斯氣體隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，大體可分為三個(gè)階段：第一階段，瓦斯氣體體積增大速率快，在該階段驅(qū)替速率最快，在短時(shí)間內(nèi)二氧化碳可驅(qū)替大部分的瓦斯氣體，這部分瓦斯氣體只要為煤體中處于游離狀態(tài)的瓦斯，驅(qū)替難度相對(duì)較低;第二階段，瓦斯氣體體積增大速率較慢，在該階段二氧化碳驅(qū)替的速率較慢，主要是因?yàn)轵?qū)替瓦斯氣體主要是處于吸附態(tài)的瓦斯，置換驅(qū)替難度較高;第三階段，平穩(wěn)階段，在該階段瓦斯氣體體積不再增加，驅(qū)替完成。當(dāng)溫度為20℃時(shí)，驅(qū)替得到的瓦斯氣體體積為1182ml，實(shí)驗(yàn)前煤體中瓦斯體積為2008ml，故驅(qū)替效率為58.86%;當(dāng)溫度為50℃時(shí)，驅(qū)替得到的瓦斯氣體體積為700ml，實(shí)驗(yàn)前煤體中瓦斯體積為1007ml，故驅(qū)替效率為69.51%;當(dāng)溫度為80℃時(shí)，驅(qū)替得到的瓦斯氣體體積為360ml，實(shí)驗(yàn)前煤體中瓦斯體積為442ml，故驅(qū)替效率為81.44%。由此可見，在同一壓力下，二氧化碳的驅(qū)替效率隨著溫度的升高而增加，一方面在于溫度會(huì)提高甲烷分子的活性，減弱煤體對(duì)其的吸附性，使得驅(qū)替更加容易。另一方面溫度作用下會(huì)使得煤體部分發(fā)生膨脹，硬度和強(qiáng)度減小。

3溫壓作用下驅(qū)替效率結(jié)果研究

9組溫度和壓力共同作用下的二氧化碳驅(qū)替瓦斯效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，二氧化碳驅(qū)替瓦斯的效率同樣隨著壓力的增加而增大，如圖2所示。對(duì)于50℃和80℃兩個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槌R近二氧化碳時(shí)，驅(qū)替效率的增加速率要更快一些。

綜上所述，二氧化碳驅(qū)替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界二氧化碳時(shí)，驅(qū)替效率增大速率更快，說明超臨界二氧化碳可明顯提高煤層氣的采收率。究其原因，超臨界二氧化碳的萃取能力很強(qiáng)，在驅(qū)替瓦斯過程中能萃取煤體中部分的有機(jī)質(zhì)，從而增加了流體運(yùn)移和擴(kuò)散的通道，增加了煤體的滲透性，這對(duì)于改善低滲透煤儲(chǔ)層也有積極的促進(jìn)作用。為了直觀地分析溫度和壓力作用下二氧化碳對(duì)甲烷驅(qū)替效率的分布情況，通過origin軟件進(jìn)行繪制得到驅(qū)替效率分布的云圖，如圖3所示。

在圖3中，不同的驅(qū)替效率分布范圍對(duì)應(yīng)圖中相應(yīng)的顏色分布區(qū)，從中可以發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)替效率逐步增大的過程中，驅(qū)替效率分布范圍先增大后減小，幾乎表現(xiàn)為正態(tài)分布趨勢(shì)。溫度和孔隙壓越低，則驅(qū)替效率越小，對(duì)應(yīng)于圖中的左下角部分;溫度和孔隙壓越高，則驅(qū)替效率越大，對(duì)應(yīng)于圖中的右上角部分。當(dāng)溫度超過31.1度，壓力高于7.38MPa時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)變成了超臨界二氧化碳，在圖中虛線外為超臨界二氧化碳驅(qū)替效率分布區(qū)域，總體上，超臨界二氧化碳的驅(qū)替效率至少可達(dá)65%。

4結(jié)論

本文進(jìn)行了不同溫度和壓力下二氧化碳驅(qū)替瓦斯的試驗(yàn)研究，得到主要結(jié)論為：

（1）不同溫度下，二氧化碳驅(qū)替瓦斯的過程可分為三個(gè)階段：第一階段以驅(qū)替游離狀態(tài)的瓦斯為主，第二階段以驅(qū)替吸附狀態(tài)的瓦斯為主，第三階段驅(qū)替完成。

（2）二氧化碳驅(qū)替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界二氧化碳時(shí)，驅(qū)替效率增大速率更快，超臨界二氧化碳可明顯提高煤層氣的采收率。

（3）超臨界二氧化碳的驅(qū)替效率至少可達(dá)65%。

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