围压对注CO_2置换煤层CH_4效果的影响研究_王晋

Abstract： In order to study the surrounding pressure affected to the replacement effect in the process of CO2 injection to replace CH4 in coal seam， based on cylindrical raw coal specimen from Qinshui Coalfield as the study object， a experiment of CO2 injection to replace CH4 was conducted under different surrounding pressure condition．The results showed that in the process of CO 2 injection replacement experiment， the CO2 adsorption capacity of coal was higher than CH4 ．The concentration of adsorbed phase CO2 in the coal would be reduced with the surrounding pressure increased， and increased with the injection pressure decreased and the concentration of adsorbed phase CH 4 would be in a reverse varied tendency．During the experiment， the CH4 desorption rate was higher than that of CO2 with the specific pressure decreasing．Meanwhile with the surrounding pressure increased， the CH4 desorption rate at the specific pressure decrease would be reduced in sequence and would be a better replacement effect in low surrounding pressure period．Under the surrounding pressure condition of 8， 12， 16 and 20 MPa， in CO2 injection replacement experiment， CH4 desorption rate with the specific pressure decreased was improved by 119．6% ， 112．7% ， 107．5% and 106．5% individually relative to the pure CH 4 desorption experiment， thus CO2 injection in the seam could clearly and effectively improve the CH4 recovery rate and the replacement effect under the condition of the low surrounding pressure would be more obvious． Key words： CO2 injection； CH4 of coal seam； surrounding pressure； replacement experiment； desorption rate
收稿日期： 2015－03－28； 责任编辑： 曾康生 作者简介： 王 引用格式： 王
DOI： 10．13199 / j．cnki．cst．2015．08．026
2011ZX05034－005） 基金项目： 国家科技重大专项资助项目（ 2011ZX05042－003－001， E－mail： wangjin870326@ 163．com 晋( 1987—) ， 男， 江苏南通人， 博士研究生。Tel： 15201159214， 晋， 王延斌， 郭 2015， 43（ 8） ： 129－134， 6． J］ ． 煤炭科学技术， 慧， 等． 围压对注 CO 2 置换煤层 CH4 效果的影响研究［
［6－8 ］ ［4－5 ］
拟煤储层条件。笔者以沁水盆地圆柱体原煤试样为 研究对象， 模拟了不同围压条件下煤层注 CO 2 置换 CH 4 试验， 研究了置换过程中气体的吸附特性及围 压等条件对置换效果的影响， 为煤层气增产开发提 供技术支持。
1
1. 1
试验设备及试样
试验样品
煤 试验煤样取自沁水煤田屯留矿的 3 号煤层， 质 属 于 变 质 程 度 较 高 的 瘦 煤， 镜质体反射率为 1. 96% ， 水分为5. 02% ， 灰 分 为 14. 85% 。 根 据 试 验 方案， 沿煤样平行层理面钻取 50 mm × 100 mm 的圆 柱体试件， 质量为 261 g， 置换试验中流体渗流沿试 件高度方向（ 即煤层层理方向） 自上而下进行。 1. 2 试验设备 试验所使用的设备是煤层气国家工程中心的混 合气体驱替煤层气试验机， 该装置可模拟不同压力 条件下， 气体驱替煤层气时的渗透、 吸附特性。试件 环压通过油压施加， 轴压由活塞施加， 气体驱替压力 由计量泵控制气源 （ 气瓶 ） 来实现。 计量泵可控制 流体的流速或压力， 测量泵腔内流体的体积。 试验 系统如图 1 所示。
以 沁 水 煤 田 圆 柱 体 原煤 试 样 为 要： 为研究注 CO 2 置换煤层 CH 4 过程中围压 对 置 换 效 果的 影响， 研究对象， 进行了不同围压条件下 的 注 CO 2 置 换 煤层 CH 4 效 果 试 验。 结果表明: CO 2 置 换 试 验 过 程 摘 中， 煤层吸附 CO 2 能力强于 CH 4 ; 煤层 中 吸 附 相 CO 2 浓 度 随围压增加 而 降低， 随 注 入 压力 降低 而 增 加， 而 CH 4 浓 度 呈 现 相 反 的 变 化 趋势; 试 验 中 CH 4 单 位 压 降 解 吸 率 均 高于 CO 2 ; 同 时随围压 的 增加， CH 4 单位压降解吸率依次降低， 12、 16、 20 MPa 条件下， 注 CO 2 显示出低围压时置换效果更好; 围压 8、 112. 7% 、 107. 5% 、 置换试验中 CH 4 单 位 压 降 解 吸 率 相 对于 纯 CH 4 解 吸 试 验 分 别 提高了 119. 6% 、 106. 5% ， 且低围压条件下置换效果更为显著。 可见煤层注 CO 2 能有效提高煤层 CH 4 的采出率， 关键词： 注 CO 2 ; 煤层 CH 4 ; 围压; 置换试验; 解吸率 文献标志码： A 文章编号： 0253 － 2336（ 2015） 08 － 0129 － 06 中图分类号： TE357. 7
99. 99% 。首先 使 用 三 轴 流 变 试 验 机 进 行 纯 CH 4 、 CO 2 单组分气体的等温吸附 / 解吸试验， 为测定纯气 130
王
晋等： 围压对注 CO2 置换煤层 CH4 效果的影响研究
2015 年第 8 期
并对系统包括试件进行抽 压力室内， 连接通气管线， 真空处理。 2） 先略加轴压， 将试件压住， 然后逐级由低至 高施加轴压与环压， 直到围压达到 8 MPa。 3） 将计量泵 A、 C 置为恒定压力控制模式， 上游 A C ， 计量泵 的压力高于下游计量泵 通过计量泵 A 设定注气压力为 1 MPa 向试样注入 CH 4 ， 让 CH 4 在 试样中充分吸附； 当计量泵 A 的推进速度与计量泵 C 回退速度相等， 进气量与出气量的相同， 说明试样 达到吸附平衡状态。 4） 待 CH 4 吸附平衡后， 以 1. 5 MPa 的注入压力 向试样持续注入 CO 2 ， 让 CO 2 在试样中与甲烷气体 充分竞争吸附、 置换。 5） 待 CO 2 置换吸附平衡后； 再以注气压力为 2 MPa 向试样中持续注入 CH 4 ， 待吸附平衡后以 2. 5 MPa 压力注 CO 2 ； 以此类推， 逐步提高注入压力为 3、 4、 5、 6 MPa， 完成 8 MPa 围压下各孔隙压力下注 CO 2 置换 CH 4 试验。 6） 重复步骤 2 ） —5） ， 16、 20 MPa 围压 完成 12、 下所有注气压力点的测试。
第 43 卷第 8 cience and Technology
Vol．43
No．8
Aug． 2015
围压对注 CO2 置换煤层 CH4 效果的影响研究
范晶晶 王 晋， 王延斌， 郭 慧， 薛 培，
（ 中国矿业大学（ 北京） 地球科学与测绘工程学院， 北京 100083）
［9 ］ 煤层气解吸率； 于洪观等 通过自制的模拟装置， 对注 CO 2 增加煤层气采收率的生产过程进行研究，
发现利用 CO 2 注入煤层技术可增加煤层气的采收 在自制试验装置上对大尺寸试件 率； 梁卫国等 进行了注 CO 2 驱替煤层 CH 4 研究， 发现 CH 4 解吸量 随着注入压力增大而提高； 高莎莎等 进行了不同 CH 4 混合气体的吸附解吸 温度、 注入压力下的 CO 2 、 试验， 得出温度与压力变化对煤层 CH 4 解吸率的影 14 － 19］ 响规律； 文献［ 也进行了注入 CO 2 试验， 证明 了注 CO 2 能够提高 CH 4 产气率。 以上研究中， 试验过程设定的围压及注入压力 较低， 且大多以粉煤、 型煤为研究对象， 未能充分模
0
引
言
驱替煤层气（ CO 2 － ECBM ） ， 不仅可以在煤层中存储 CO 2 ， 具有重要的现实价 还可以提高煤层气采收率， 值与意义。 近年来， 国 内 外 学 者 在 煤 层 注 CO 2 置 换 CH 4
我国煤炭与煤层气资源丰富， 但埋藏深或条件 差的不可开采煤层占相当比例。 向煤层中注 CO 2