超临界CO2对低渗透煤层渗透率影响试验研究

2021-08-14张志忠

江西煤炭科技 2021年3期

张志忠

（山西煤炭运销集团能源投资开发有限公司，山西古交 030200）

煤炭是我们国家的主体能源，我国也是世界上煤炭资源丰富的国家之一，然而我国在低渗透煤储层煤层气高效安全开采方面仍然存在很多问题。如何更加安全高效的开采低渗透煤储层煤层气引起了业界的普遍关注。超临界CO2是指温度大于31.1℃，压力大于7.38 MPa 的一种流体，该流体不仅具有液体的高密度特性还具备液体的低粘度特性，还具有超强的流动、渗透性能及其对煤中小分子化合物的萃取等优点。将超临界CO2注入煤层，开采煤层气时可以起到降低分压，竞争吸附的作用。故将其注入低渗透煤层开采煤层气的呼声越来越高。张超等[1]研究了超临界CO2对岩石物性的影响，研究发现超临界CO2可以溶蚀岩石中的矿物成分，增加了岩石的孔隙率和渗透性。岳立新[2]通过对比分析非超临界和超临界CO2对低渗透煤层内部微观孔裂隙的发育影响情况。杨涛等[3]利用CT 扫描微观和宏观的分析了超临界CO2对煤储层渗透性改善的可行性。基于试验的基础上来研究分析超临界CO2对低渗透煤层的增透效果具有现实意义。

1 试验方法

1.1 试验煤样及设备

本次试验采用的是九里山煤矿的高变质无烟煤，选取一块无明显裂隙的完整大试件利用砂线切割机将其加工成Φ25 mm×50 mm 的圆柱形煤样，见图1。渗流试验检测系统主要由供气系统、轴围压加载控制系统、真空脱气系统、样品夹持系统、温度控制系统、信息处理系统组成，可进行不同温度、不同轴围压条件下的样品渗透率测定试验。测定设备见图2，试验系统原理见图3。

图1 煤样

图2 试验系统照片

图3 试验系统

1.2 试验步骤

本次试验主要分为超临界CO2浸泡试验和渗透率检测试验（气体压力3 MPa，轴围压均为5 MPa），具体试验步骤如下：

（1）为消除煤中水分对试验的影响，先将这5个试件放置在恒温干燥箱（105℃）中干燥24 h。

（2）将干燥好的这5 个试件分别放置在浸泡釜中进行温度50℃、10 MPa 的超临界CO2中进行为期0 d、5 d、10 d、15 d、20 d 的超临界CO2浸泡试验。

（3）检测渗透率检测系统的气密性，并将浸泡完成后的试件取出放置在渗透率检测系统的夹持器上，并对其施加5 MPa 的轴围压

（4）对装好样品的系统进行抽真空处理，来防止超临界CO2浸泡过程中煤样吸收的CO2对本次试验产生影响。

（5）本次渗流试验使用的气体为N2，打开气瓶开关，同时调节减压阀并观察压力表示数，直到示数为0.25 MPa，打开温度控制系统，调节温度为50℃，等待煤样吸附12 h，保证其达到吸附平衡。

（6）吸附达到平衡后，调节气体压力为3 MPa，打开出气口阀门，进行渗流试验，5 min 后进行记录试验检测数据。本次采用的渗透气体为N2且符合达西定律，其渗透率计算公式如下：

式中：K 为渗透率，mD；μ 为氮气的动力粘度系数，MPa·s；Q 为气体流量，m3/s；L 为煤样长度，m；P0为标准大气压，MPa；A 为煤样横截面积，m2；P1、P2为进气口和出气口压力，MPa。

（7）更换试件，完成其他浸泡条件试件的渗透率检测试验。

2 试验结果分析

未经超临界CO2浸泡处理的试件的渗透率和经恒定温度50℃、恒定压力8 MPa 的超临界CO2浸泡处理5 d 、10 d、15 d、20 d 后试件的渗透率检测结果见表1、图3，从表1中可以知道未经处理的煤样试件的渗透率为0.045 11 mD，其渗透率非常的低，在对该煤储层进行煤层气开采时非常困难。在经过超临界CO2浸泡处理5 d 后试件渗透率变为0.114 12 mD，其渗透率大幅升高，在经过超临界CO2浸泡处理10 d、15 d、20 d 后，煤样的渗透率变为0.152 61 mD、0.172 59 mD、0.179 11 mD。将上述超临界CO2浸泡时间和浸泡后试件渗透率的关系绘制成图3。

表1 渗透率检测结果

从图3中可以看出，经超临界CO2浸泡处理后试件的渗透率大幅升高，在超临界CO2浸泡前10d其渗透率增加幅度最大，之后随着超临界CO2浸泡时间的增加，试件渗透率增加幅度逐渐变小，最后趋于稳定。将渗透率和超临界CO2浸泡时间的关系进行量化处理，拟合成方程y=0.191 08-0.146 32×0.876 48x。

这是由于超临界CO2不仅具有气体的低粘度特性，还具有液体的高密度特性，使其具有很强的渗透和扩散的能力。且超临界CO2注入后其吸附能力强于CH4，注入超临界CO2后可以将煤储层中的CH4置换出来。除此之外，超临界CO2还可以将煤中的脂类、醚类和环氧化合物等这些小分子化合物溶解，使低渗透煤层中产生更多的孔隙裂隙结构，渗透性得到大幅度的提高，为煤层气的开采和运移提供了通道。