0 引言
我国高瓦斯矿井占比超40%，其中95%的开采煤层属于低渗透性煤层[1-2]。低渗透性煤层瓦斯含量高、透气性差、抽采效率低，开采过程中易发生瓦斯事故[3]。提高低渗透性煤层瓦斯抽采效率，减少瓦斯事故是矿井瓦斯抽采亟需解决的技术难题[4]。针对该问题，国内外学者们做了大量的研究工作，文献[5]分析研究了低渗透性煤层煤层气开采的有效技术，研究表明，煤层气开采需降低游离煤层气的压强，增大煤体的渗透性可促进煤层气开采。文献[6]研究发现，向煤层中注入CO2不仅能促进瓦斯解吸量的增加，还能保持煤储层的压力。文献[7-8]根据等温吸附实验测定CH4、CO2的吸附能力，结果表明，煤对CO2的吸附能力比CH4强。文献[9-10]分别采用GCMC方法、Langmuir方法模拟研究了混合气体驱替煤层气技术，研究表明，CO2气体的吸附量、吸附热大于CH4，CO2的吸附势能小于CH4。文献[11]利用大煤样试件进行CO2驱替CH4的模拟试验，发现驱替置换效果影响因素主要有压力、速度和煤层CH4含量。文献[12]利用自制的驱替试验系统研究发现驱替压力会影响驱替效果，并证明压力与驱替效果呈正相关。文献[13]根据自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替装置研究发现,增加注气温度可增加单位时间内CH4的驱替量，进而增加CO2的储存量。
综上所述，学者们从微观的注气驱替机理和宏观的驱替效率影响因素方面进行了大量研究，但多为模型层面的理论分析或模拟试验层面的多因素分析，具有针对性的物理模拟试验及量化分析较少。为此，本文基于自主设计的注CO2驱替CH4试验系统，研究不同注气压力下的驱替过程中煤体内CO2驱替CH4的渗流扩散演化规律和时变特性，分析全过程中出气口CO2、CH4浓度、累计CH4驱替量及驱替置换比等方面的变化规律，利用物理模拟试验探究注气压力对驱替置换效率的影响规律，并进行量化分析。研究结果可为低渗透性煤层开展注CO2提高煤层气采出率(CO2-ECBM)相关理论研究及现场技术实施中注气压力参数的选取提供参考。
1 试验
1.1 煤样制备
试验煤样采自安徽淮南矿业集团张集矿17246工作面B6煤层(松软低渗透性难抽采煤层)。煤样工业分析结果见表1。
表1 煤样工业分析结果
Table 1 Industry analysis results of coal sample
煤样水分/%灰分/%挥发分/%固定碳/%孔隙率B6煤1.7115.5127.1655.620.075
煤样经粉碎、筛选(60目)后装入玻璃器皿，在真空干燥箱45 ℃温度下干燥处理6 h后制备，按质量等分成5组并密封保存。煤样制备过程如图1所示。
图1 煤样制备过程
Fig.1 Coal sample preparation process
1.2 试验系统
注CO2驱替置换CH4试验系统分为4个模块，如图2所示。
试验系统中煤样储罐罐体为不锈钢材质，外部尺寸为φ75 mm×260 mm，壁厚为8 mm，最大可承压为20 MPa, 最大容量为960 mL；ZDC8-Z型数据采集仪用于分析混合气体组分浓度。
1—CH4气瓶(体积分数为99.9%)； 2—CO2气瓶(体积分数为
99.9%)； 3，6，10—压力表； 4，5，11，12，15—阀门；
7—恒温控制箱； 8—减压阀(0～3 MPa)； 9—煤样储罐；
13—流量计(0～160 mL/min)； 14—ZDC8-Z型数据采集仪；
16—真空度表； 17—真空泵。
图2 注CO2驱替置换CH4试验系统
Fig.2 Injection of CO2 replacement for CH4 test system
1.3 试验原理
煤层是由裂隙网络和煤基质构成的双重介质体[14]。高压CO2气体注入煤层后，CO2与裂隙网络、煤基质孔隙中的游离态CH4混合，形成自由混合态气体。持续注气，裂隙孔隙中CH4吸附区域CO2达到一定量时，CO2与裂隙孔隙中吸附态CH4形成吸附态混合气体，CO2凭借其较强的吸附性，与煤体吸附态CH4竞争吸附位[15]，在渗透、扩散与吸附-解吸的综合作用下，将煤层中吸附态CH4置换、驱赶出来[16-17]。具体过程如图3所示。
图3 煤层气体组分驱替置换原理
Fig.3 Principle of coal seam gas component replacement
1.4 试验方案
试验通过控制注入气体的压力，分析注气压力对CO2气体驱替置换煤体中CH4过程的影响。试验中的注气压力P分别设为0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MPa，环境温度设为5 ℃。
本次试验前，用同种煤样(张集矿B6煤)做了煤样对CO2、CH4的等温吸附试验，其中试验温度依据张集矿实际情况和CO2基本性质分别设置为5，10，15，20，25，30 ℃，经过对比分析发现，煤体对CH4、CO2气体的吸附曲线与Langmuir单分子层吸附模型一致，且温度越高，吸附CO2、CH4的含量越少。为更好地探究注气压力对CO2驱替置换煤体CH4过程的影响，试验方案环境温度选取试验设置的最低温度，为5℃(煤体吸附CO2、CH4的含量高)。
1.5 试验步骤
(1) 型煤的制备及处理。将试验煤样加入少量水后置于吸附煤样储罐内，用高平冲击仪施加10 MPa的压力，压制成型煤。为防止煤体水分对吸附解吸产生影响，将煤样置于真空干燥箱中，在45 ℃下干燥处理72 h。
(2) 检查系统气密性。向系统中注入氮气，在6 MPa压力下保持2 h并观察压力表的变化情况，若压力表读数在保压阶段无明显变化，则表明系统气密性符合试验要求。
(3) 试验过程。① 调节恒温控制系统，设定试验温度。② 对煤样储罐和管路进行真空处理，压力表数值稳定且保持6 h后关闭阀门。③ 向吸附罐内注入高纯CH4，当出气口CH4体积分数达到100%时，认为吸附平衡，关闭进气阀门。④ 向吸附罐内注入高纯CO2，驱替过程开始，当出气口CO2体积分数达到100%时，认为新的吸附平衡出现，关闭CO2进气阀门。⑤ 注气结束，关闭CO2进气阀门后对系统进行抽真空处理，重复以上步骤，完成设计方案中的试验。
2 试验分析
驱替环境为5 ℃时，各注气压力下，吸附罐内CH4、CO2气体体积分数变化如图4所示。
图4 不同压力下CH4和CO2气体体积分数变化曲线
Fig.4 Change curves of CH4 and CO2 gas volume
fraction at different pressures
由图4可知，各注气压力下的CH4、CO2气体体积分数变化趋势基本相同，从整个过程看，可分为3个阶段(以注气压力为1.0 MPa为例)。第Ⅰ阶段(原始平衡阶段)：CO2气体体积分数为0，CH4气体体积分数为100%，向饱和吸附CH4的煤体中注入CO2，CO2在压力梯度作用下经“渗流-扩散-吸附”的运移演化进程比较缓慢，打破原始平衡状态需要一定的时间，此时CO2临近突破。第Ⅱ阶段(动态平衡阶段)：持续注气，CO2气体从煤体裂隙一直渗流、扩散到煤基质孔隙中，CO2突破，CO2浓度开始增加，CH4浓度开始减小，出现“此消彼长”的动态变化关系。这是因为煤体内CO2气体凭借其较强的吸附性占据CH4的吸附位，置换出吸附在煤体孔隙内表面的CH4，使其转变为游离态的CH4[18]。在浓度梯度作用下，CH4从煤体孔隙、煤体裂隙渗流、扩散至煤体的表面，最终从煤体表面流出。第Ⅲ阶段(新平衡阶段)：持续注气，CO2气体体积分数增加至100%，CH4气体体积分数减小至0，新的平衡状态出现，CH4不再发生解吸。
不同压力下CH4和CO2气体体积分数对比如图5所示。结合图4与图5(b)可知，注气压力由0.6 MPa升至1.4 MPa时，CO2的突破时间逐渐缩短，即打破原始平衡阶段的时间缩短，分别为38，29，20，9，5 min，因此可得出：注气压力越高，CO2的突破时间越短，煤体内CO2、CH4气体能更快地从原始平衡阶段进入动态平衡阶段。
(a) CH4气体体积分数变化曲线
(b) CO2气体体积分数变化曲线
图5 不同压力下CH4和CO2气体体积分数对比
Fig.5 Comparison of CH4 and CO2 gas volume
fraction at different pressures
在各个CO2压注的参考压力下，煤体渗透率[19]可用Darcy定律计算：
(1)
式中：k为煤体渗透率，cm2；Q为压注流体的流量，cm3/s；p2为试验系统出气口的压力，MPa；μ为压注流体的黏度，Pa·s； L为试样的平均长度，cm；A为试样的横截面积，cm2；p1为试验系统注气口的压力，MPa。
由式(1)可得，试验过程中，提高注气压力的同时，注气、抽采两端的压力差升高，导致煤体的渗透率增大，进而加快了CO2、CH4从煤体裂隙中渗流、扩散的速度，因此，注气压力升高，CO2的突破时间变短。
各注气压力条件下的累计CH4驱替量变化如图6所示。试验过程中，累计CH4驱替量VCH4的计算公式如下[20]：
(2)
式中：VCH4为任意时间内累计CH4驱替量，mL；q为出气口出气流量，mL/min；φt为t时刻出气口的CH4体积分数，%；t为时间，min。
图6 不同压力下累计CH4驱替量
Fig.6 Accumulated CH4 replacement volume at
different pressures
由图6可知：
(1) 随着注气时间增加，累计CH4驱替量增加，且增加速度随时间增加而减小。这里主要是因为向饱和吸附CH4的煤体注入CO2气体，CO2会扩散渗流到煤体孔隙内表面，将煤体孔隙内表面的吸附态CH4解吸置换出来，因此，在注气初期，随着注气时间的增加，累计CH4驱替量增加速率较快。持续注气，CO2先驱赶煤颗粒空隙、煤体裂隙中的游离态CH4，再渗流、扩散到煤基质孔隙内表面，与其中吸附态CH4竞争吸附位，最终CO2置换出吸附态CH4。相比于驱替煤体空隙、裂隙网络游离态CH4，置换煤体吸附态CH4的过程较缓慢，需更多的时间，所以，随着注气时间的推移，CH4产气速率逐渐减小，累计CH4驱替量增加的速度也逐渐降低。
(2) 累计CH4驱替量随CO2注气压力的增大而增大。主要是因为CO2注气压力越大，压力梯度越大，CO2越容易从煤体空隙、裂隙一直渗流、扩散到煤基质孔隙中，置换出煤体孔隙内表面的吸附态CH4。提高注入气体的压力，注气口、出气口的压力差也随之增大，吸附态CH4的有效分压降低，开始解吸逐步转化为游离态。提高注气压力，会促进更多的CH4解吸转化为游离态，累计CH4驱替量因此而增加。
为表明试验过程中CO2与CH4之间的关系，引入驱替置换比表示驱替置换过程中CO2吸附量与CH4排出量的比值。驱替置换比的计算公式为
(3)
式中：K为驱替置换比；Q1为煤体中CO2吸附量，mL；Q2为煤体中CH4排出量，mL。
依据式(3)，分别计算环境温度为5 ℃时各注气压力下的驱替置换比，结果见表2。本次试验前已对煤样对CO2的等温吸附解析进行试验, CO2吸附量Q1的计算公式为Q1=abP/(1+bP)×m，经数据拟合得到煤样吸附CO2常数a=62.2 m3/t, b=1.94 MPa-1，煤样质量m为775.5 g。
表2 驱替置换比
Table 2 Replacement ratio
P/MPaa/(m3·t-1)b/MPa-1Q1/mLQ2/mLK0.662.21.942.595×1045.2×103 4.990.862.21.942.928×1046.8×103 4.311.062.21.943.178×1047.5×103 4.241.262.21.943.369×1048.0×103 4.211.462.21.943.526×1048.6×103 4.10
由表2可知，环境温度一定时，注气压力由0.6 MPa升至1.4 MPa，累计CH4驱替量(Q2)增加，驱替置换比由4.99降至4.10，即驱替置换单位量CH4所需吸附的CO2量减少，单位量CO2驱替置换的CH4量增加，驱替置换效率提升。由此可见，在同等条件下，提高注入气体CO2的压力，累计CH4驱替量增加，驱替效果显著；驱替置换比降低，驱替置换效率提升。
3 结论
(1) CO2、CH4浓度变化可分为原始平衡阶段、动态平衡阶段和新平衡阶段3个阶段。不同注气压力下原始平衡、动态平衡和新平衡3个阶段变化趋势大致相同。随着注气压力依次增大，CO2、CH4气体打破原始平衡阶段的时间逐渐缩短，动态平衡阶段时间增加，而新平衡阶段的时间大致相同。
(2) 不同注气压力下，累计CH4驱替量随着注气时间的增加而增加，增加速率先快后慢，最终趋于定值。注气压力由0.6 MPa升至1.4 MPa时，累计CH4驱替量增加，驱替置换比由4.99降至4.10，驱替置换效率提升。
(3) 根据不同注气压力下煤体CO2、CH4渗流扩散规律和时效特性，再综合不同注气压力下累计CH4驱替量，得出在5 ℃条件下，注气压力为1.4 MPa时驱替置换比最小，驱替效率最好。在开展CO2-ECBM相关工作时，在相关技术设施允许条件下，注气压力参数宜选取最大值。
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