煤层储存CO2能力的地应力响应特征

赵中玲

（晋能控股煤业集团阳泉有限公司，山西 阳泉 045000）

由于化石燃料（煤炭、石油、天然气等）的高消耗，全球温室气体浓度在大幅上升，导致全球变暖等环境问题[1-4]。为了减缓环境退化的速度，不影响经济发展，关键问题是减少温室气体，特别是二氧化碳。而碳捕集与封存（CCS）技术是最有效的方法之一[5-6]，该系统可以捕获发电和工业过程中使用化石燃料产生的90%的二氧化碳排放。近几十年来，为了提高常规油气、煤层气和页岩气的注采采收率，开发了一系列地质封存二氧化碳技术[7-8]。到目前为止，煤层CO2封存的研究成果主要包括以下5个方面：①不同储层条件（温度、压力、煤变质程度、平衡含水率）下纯CO2或CH4在煤中的吸附特性[9-10]；②不同储层条件下煤中混合CO2/CH4吸附特性[11]；③煤中饱和CH4的CO2驱油行为[12]；④CO2吸附煤基质膨胀效应[13]；⑤煤层CO2封存潜力评价[14-15]。这些研究将有助于深入了解煤层CO2封存的潜在效益和实际问题[16-17]，但不同应力状态下煤对CO2吸附的影响进行的研究较少[18]。基于此，通过搭建煤体加载吸附实验系统，对不同应力状态下煤体对CO2的吸附能力进行测试研究。

1 煤样和测试系统

研究的目的是在机械应力作用下，用体积法测定二氧化碳在煤上的吸附等温线。研究采用从5个硬煤矿采集的煤样进行研究：宁武煤田平朔矿区（PS），西山煤田古交矿区（GJ）、沁水煤田晋城矿区（JC）、霍西煤田霍州矿区（HZ）和河东煤田柳林矿区（LL）。井下采集的煤样在实验室粉碎、筛分出粒度<0.2 mm的颗粒煤。在此，将采用颗粒煤制作成型煤，而后在不同压力下进行煤的CO2吸附分析。

在将粉煤倒入特制的压模内（外径为40 mm，壁厚为5 mm）内，采用液压万能压力机进行加载，实验系统如图1。试验系统主要包括3部分：①加载控制系统：主要有伺服千斤顶、压模罐体及加压活塞。采用伺服千斤顶对煤样进行双向加载，为了保证气密性，在加压活塞上设置了密封环；②变形测试系统：主要有引伸计和数据采集装置，实时采集加载时的变形；③吸附充气系统：主要有高压气瓶（CO2）、真空泵、参考罐及附属器件，对压制成型煤样进行CO2吸附性能测试。

图1 实验系统Fig.1 Testing system

2 力学性能测试

在压制型煤时，为了确定侧向推力系数η和泊松比υ，需进行一些变形测试。为此，将引伸计对称固定在装置的侧面（图1），其目的是测量施加轴向压应力引起的应变。应力之间的关系如下：

式中：η为侧向推力系数，η=υ/（1－υ）；υ为泊松比；σr、σz分别为径向应力和轴向应力。

以沁水煤田晋城矿区（JC）煤样为例，煤样压制过程径向应力和轴向应力的关系如图2。

图2 煤样压制过程径向应力与轴向应力的关系Fig.2 Relationship between radial stress and axial stress

根据轴向应力和径向应力关系，得到的煤样参数计算结果见表1。对于JC煤样，加载/卸载过程应变变化如图3。

表1 煤样参数计算结果Table 1 Calculation results of coal parameters

图3 加载/卸载过程应变变化Fig.3 Strain change during loading/unloading

从图3可以看出，最大加载力4 kN时应变随加载力的变化，管壁最大应变为0.012 1%。随后，在卸载时煤样中存在一定的残余应力，残余应变的大小约为0.000 3%。随后进行在最大加载力10 kN时进行加载，管壁最大应变为0.029 6%；然后卸载，残余应变为0.000 6%。

由此，在已知应变值、钢的杨氏模量和圆柱体的几何尺寸的情况下，计算煤中的径向应力σr：

式中：E为钢的弹性模量，MPa；ε为应变；D1、D2分别为圆柱体的内径和外径，m。

对于JC煤样，加载/卸载过程径向应力变化如图4。从图4可以看出，在最大加载力4、10 kN时加载煤样的残余径向应力（即卸载力直至为0时对应的径向应力）分别为2.51、4.44 MPa。

图4 加载/卸载过程径向应力变化Fig.4 Change of radial stress during loading/unloading

根据已知的煤表观密度ρb和煤基体密度ρs，型煤的孔隙率φ计算如下：

利用Micrometrics公司提供的GeoPyc仪器，采用准液体法测定煤样的表观孔隙率。被压制煤样的孔隙率取决于施加的压应力σz，被压制煤样孔隙率与轴向应力关系如图5。

从图5可以看出，随着轴向应力增大，被压制煤样的孔隙率呈幂指数减小，相关系数达到0.95以上。

图5 被压制煤样孔隙率与轴向应力关系Fig.5 Relationship between porosity and axial stress

PS煤样：φ＝0.337 1×0.977 5σz（R2=0.987 4）

GL煤样：φ＝0.322 2×0.971 1σz（R2=0.972 3）

JC煤样：φ＝0.355 6×0.981 2σz（R2=0.991 5）

HZ煤样：φ＝0.301 9×0.969 3σz（R2=0.976 6）

LL煤样：φ＝0.260 3×0.968 6σz（R2=0.953 1）

3 CO2 附结果与分析

用容量法对每种煤样在室温内（25℃）下进行CO2吸附测试测试过程以下：①在压制模中装入松散煤样，抽真空后进行CO2吸附测试；②排出CO2气体后，在4 kN压力下压制煤样后，根据给定的压力载荷σz，计算孔隙率和径向应力σr；③进行CO2吸附测量，以确定已知应力σr平均值的吸附等温线；④分别在10、20、40 kN压力下，重复步骤②和步骤③；⑤换另一种煤样，重复步骤①～步骤④。

在吸附测量之前，采用真空泵对煤样抽真空（真空度为5×10-2Pa）。而后通过频率为0.5 Hz的压力传感器测量吸附过程中的压力变化。对于每个型煤的CO2吸附，至少测试5个平衡压力点，在高达10 MPa的范围内测定吸附等温线。以霍西煤田霍州矿区HZ煤样的CO2吸附测试结果为例，HZ煤样在25℃时的CO2吸附等温线如图6。

图6 HZ煤样在25℃时的CO2吸附等温线Fig.6 CO2 adsorption isotherm of HZ coal at 25℃

由图6可知，随着轴向应力的增加，煤中CO2的吸附量降低。以Langmuir方程对CO2吸附等温线进行拟合，其相关系数达0.99以上，计算如下：

式中：q为平衡压力p下二氧化碳的吸附量，mL/g；a为Langmuir吸附容量，mL/g；b为煤-气系统的常数，MPa-1；p为气体压力，MPa。

对不同加载后的煤样进行CO2等温吸附后，采用Langmuir拟合得到的参数a、b值及对应的轴向应力，不同煤样轴向应力对应的吸附拟合参数见表2。

表2 不同煤样轴向应力对应的吸附拟合参数Table 2 Adsorption fitting parameters for axial stress

从表2可以看出，宁武煤田平朔矿区PS煤样，其最大吸附容量为24.41 mL/g。西山煤田古交矿区GJ煤样对CO2的吸附能力最小。不同煤样最大吸附量与轴向应力的关系如图7。

图7 煤样最大吸附量与轴向应力的关系Fig.7 Relationship between maximum adsorption capacity of coal samples and axial stress

煤样的最大吸附量随轴向应力的变化规律可采用线性方程a=am-kσz来描述，其中am是σz=0时的Langmuir吸附量，k为系数。朗缪尔系数在特定煤样中的可变性见表3。由表3可知，给出了煤样最大吸附量与轴向应力关系试验拟合参数am0和k，相关系数R2均达到0.92以上。其中，k为随轴向应力增大吸附量的递减率。也就是说，若将轴向应力看作地应力，煤层的埋深对煤体吸附CO2影响明显。埋深对煤层CO2最大吸附量影响规律如图8。

表3 朗缪尔系数在特定煤样中的可变性Table 3 Changeability of Langmuir’s coefficients

图8 埋深对煤层CO2最大吸附量影响规律Fig.8 Influence of buried depth on maximum CO2 adsorption capacity in coal seam

如西山煤田古交矿区GL煤样，最大吸附量am随轴向应力增大的变化量k值最小（地应力每增大1 MPa，最大吸附量减小0.059 3 mL/g）；霍西煤田霍州矿区HZ煤样最大吸附量am随轴向应力增大变化量k值最大（地应力每增大1 MPa，最大吸附量减小0.114 4 mL/g）。随着地应力增大，不同煤田煤样最大吸附量变化从0.059 3 mL/g到0.114 4 mL/g不等，平均变化约为0.089 4 mL/g。如果假设覆盖岩石的平均密度为ρ=2 500 kg/m3，则1 000 m深度处的地应力大约为25 MPa。在此地应力下，煤对CO2的吸附量大约减少10.75%（从PS煤样的7.5%到LL煤样的13.25%）。

4 结 语

通过加载吸附试验装置，对5种煤样在不同加载条件下进行CO2吸附测试。研究结果表明：随着轴向应力增大，被压制煤样的孔隙率呈幂指数减小；随着轴向应力的增加，煤中CO2的吸附量呈线性降低。型煤中增大1 MPa的应力将Langmuir的最大吸附量减少约0.43%（平均值），即在零应力下获得的煤的最大吸附量。地应力对煤体吸附能力的影响非常大，因此在CO2地下储存方面应予以考虑。