不同溫度和壓力下二氧化碳驅替瓦斯增產煤層氣試驗研究

劉健 范家文

【摘 要】 針對我國能源供需不平衡以及礦井瓦斯無法高效利用的現狀，本文主要進行不同溫度和壓力下二氧化碳驅替瓦斯的試驗，得到了驅替效率與溫度和時間的定量關系，研究結果表明：二氧化碳驅替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現為正相關關系，超臨界二氧化碳的驅替效率至少可達65%。

【關鍵詞】 溫壓;瓦斯;二氧化碳;煤層氣

【中圖分類號】 TD712 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0044-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

煤層氣的高效開采對緩解我國能源現狀具有重要意義。近些年來，諸多專家學者傾向于向煤體中注入強吸附性氣體來置換驅替瓦斯氣體，從而使得煤體中處于吸附態(tài)的瓦斯轉變?yōu)橛坞x態(tài)。由于煤體對二氧化碳的吸附性更強，且制取容易，故目前吸附性氣體多選擇為二氧化碳，基于此，本文進行了不同溫度和壓力下二氧化碳驅替瓦斯的試驗研究，以期為工業(yè)實踐提供一定指導意義。

1試驗方案及裝置

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

本次試驗所用裝置包括耐高壓反應釜、高精度驅替泵、恒溫水浴槽、溫控系統(tǒng)、氣瓶和流量監(jiān)測裝置等。在進行本次試驗前，需要先進行瓦斯的吸附解吸試驗，然后將瓦斯氣瓶更換為二氧化碳氣瓶，進行驅替試驗。試驗過程中，先控制二氧化碳壓力為2MPa，將釜體和流量監(jiān)測裝置接入裝有NaOH的容器，以吸收置換驅替得到的二氧化碳氣體，控制水浴槽溫度為20℃。在驅替過程中，每過一段時間通過排水集氣法記錄了驅替出的甲烷氣體體積，再根據公式1計算驅替效率η。

壓力為2MPa、溫度20℃下的驅替試驗完成后，進行50℃和80℃下瓦斯的驅替試驗。然后調整壓力，進行第二組和第三組試驗。

2二氧化碳驅替瓦斯氣體體積與時間的關系

本次以驅替壓力為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，驅替得到的瓦斯氣體隨時間的變化趨勢基本一致，大體可分為三個階段：第一階段，瓦斯氣體體積增大速率快，在該階段驅替速率最快，在短時間內二氧化碳可驅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，驅替難度相對較低;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替的速率較慢，主要是因為驅替瓦斯氣體主要是處于吸附態(tài)的瓦斯，置換驅替難度較高;第三階段，平穩(wěn)階段，在該階段瓦斯氣體體積不再增加，驅替完成。當溫度為20℃時，驅替得到的瓦斯氣體體積為1182ml，實驗前煤體中瓦斯體積為2008ml，故驅替效率為58.86%;當溫度為50℃時，驅替得到的瓦斯氣體體積為700ml，實驗前煤體中瓦斯體積為1007ml，故驅替效率為69.51%;當溫度為80℃時，驅替得到的瓦斯氣體體積為360ml，實驗前煤體中瓦斯體積為442ml，故驅替效率為81.44%。由此可見，在同一壓力下，二氧化碳的驅替效率隨著溫度的升高而增加，一方面在于溫度會提高甲烷分子的活性，減弱煤體對其的吸附性，使得驅替更加容易。另一方面溫度作用下會使得煤體部分發(fā)生膨脹，硬度和強度減小。

3溫壓作用下驅替效率結果研究

9組溫度和壓力共同作用下的二氧化碳驅替瓦斯效率統(tǒng)計結果如表2所示。

從表2中可以發(fā)現，在同一溫度下，二氧化碳驅替瓦斯的效率同樣隨著壓力的增加而增大，如圖2所示。對于50℃和80℃兩個溫度點，當二氧化碳轉變?yōu)槌R近二氧化碳時，驅替效率的增加速率要更快一些。

綜上所述，二氧化碳驅替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現為正相關關系，而當二氧化碳轉變?yōu)槌R界二氧化碳時，驅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，在驅替瓦斯過程中能萃取煤體中部分的有機質，從而增加了流體運移和擴散的通道，增加了煤體的滲透性，這對于改善低滲透煤儲層也有積極的促進作用。為了直觀地分析溫度和壓力作用下二氧化碳對甲烷驅替效率的分布情況，通過origin軟件進行繪制得到驅替效率分布的云圖，如圖3所示。

在圖3中，不同的驅替效率分布范圍對應圖中相應的顏色分布區(qū)，從中可以發(fā)現，在驅替效率逐步增大的過程中，驅替效率分布范圍先增大后減小，幾乎表現為正態(tài)分布趨勢。溫度和孔隙壓越低，則驅替效率越小，對應于圖中的左下角部分;溫度和孔隙壓越高，則驅替效率越大，對應于圖中的右上角部分。當溫度超過31.1度，壓力高于7.38MPa時，二氧化碳轉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替效率分布區(qū)域，總體上，超臨界二氧化碳的驅替效率至少可達65%。

4結論

本文進行了不同溫度和壓力下二氧化碳驅替瓦斯的試驗研究，得到主要結論為：

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

（2）二氧化碳驅替瓦斯的效率與溫度和壓力均表現為正相關關系，而當二氧化碳轉變?yōu)槌R界二氧化碳時，驅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替效率至少可達65%。

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