水-热耦合作用下含瓦斯柱状原煤渗吸效应的实验研究

2022-02-10段正鹏李志强陈向军张书金李国红

煤矿安全 2022年12期

段正鹏，李志强，陈向军，张书金，李国红

（1.贵州省矿山安全科学研究院有限公司，贵州贵阳 550025；2.贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550025；3.河南理工大学煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南焦作 454000）

贵州黔西北矿区有丰富的地热资源[1]，有矿井在开拓过程中揭露有井下温泉，一些实现了直接引入温泉水作为矿井洗浴用水，将温泉热水注入出现低压瓦斯驱动力不足的煤层，通过热能传导和水的渗吸置换效应进一步促进吸附瓦斯的脱附，是降低煤层瓦斯含量，提高煤层气（瓦斯）采出率，缩短瓦斯治理周期，快速实现瓦斯抽采达标的可行性方法。

高瓦斯含量无烟煤煤层实现瓦斯抽采达标难度大，黔西北矿区部分地区煤层瓦斯含量高达30 m3/t，由于无烟煤比表面积大[2]，瓦斯残存量高[3]，抽采至后期虽然残余瓦斯压力已低于0.74 MPa 的突出临界指标，但残余瓦斯含量仍高于8 m3/t 已是常态，此时易出现瓦斯驱动力不足，瓦斯抽采困难。

为了提高煤层瓦斯采出率，唐明云等[4]提出了通过注热（水）促抽煤层瓦斯的方法，唐明云等[5]、王俏等[6]研究发现甲烷在煤中的吸附量与温度呈负相关关系，高温条件下吸附量低于低温下的吸附量，升温后微观上甲烷分子较常温下动能更高，煤基质受热孔隙出现扩张易于甲烷分子扩散[7]，扩散系数随温度的升高而增大[8]，宏观上表现为温度越高同压解吸量越大，煤岩对甲烷的吸附量越低，同时升温使得分子的滑脱效应更显著，热应力增大促使热膨胀可进一步提高煤体渗透率[9]，总体表现为升温热激励促进瓦斯脱附解吸。

在注热蒸汽或热水过程中，微观上由于煤基质对水分子的吸附能力大于对甲烷分子的吸附能力，水分会在毛管压力作用下渗吸进入煤基质内部置换吸附态瓦斯为游离态[10]，有利于低压瓦斯形成高压，增大瓦斯驱动能力。樊亚庆等[11]研究发现随着吸附瓦斯不断被水分子置换为游离瓦斯，系统内压力出现了增大现象；吴家浩等[12]开展的含水煤极限解吸实验发现含水煤瓦斯残存量低于干燥煤，极限解吸率随含水率的增大而升高[13]；李永等[14]研究指出注热疏孔可提高孔裂隙连通性及渗透性，有利于瓦斯在煤体内的解吸与渗流；李惟慷等[15]通过实验研究指出50 ℃以上半径范围内可认为是注热有效半径，且应限制注热时长。

以往研究多采用粒煤或粉碎后重新压制的型煤进行常温渗吸实验[11,16]，由于粉碎过程将破坏掉原始煤体内部的孔隙及裂隙，水分进入煤体内部的速率非常快，常温下48 h 以内即可达到极限渗吸状态，而原煤孔隙率远低于型煤[17]，水分沿型煤和原煤裂隙、孔隙渗吸置换吸附瓦斯的特性具有较大差异。为此采用含有原始裂隙的柱状原煤开展了0.5、1.0、2.0、3.0 MPa 初始平衡压力在20、40、60、80 ℃下240 h 水-热耦合作用渗吸实验，分析不同温压下的渗吸特性，以丰富注热（水）增产煤层气（瓦斯）的研究成果。

1 渗吸置换实验装置及实验方法

1.1 实验煤样

采集贵州省毕节市某矿井M6 煤层新鲜暴露高品质无烟煤作为实验煤样，煤样基础特征参数见表1。为了客观反映水分子在毛管压力作用下在原始煤体内部裂隙及孔隙中的渗吸置换规律，用砂线切割机将采集的煤样在实验室制备为50 mm×100 mm柱状原煤，烘干后作为渗吸置换甲烷实验用煤样。

表1 煤样特征参数Table 1 Characteristic parameters of coal samples

1.2 实验装置及实验过程

渗吸置换实验装置由高压充气单元、抽真空单元、恒温吸附-置换单元、压力数据记录单元构成，实验装置原理图如图1。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

实验过程如下：

1）将50 mm×100 mm 柱状原煤放入煤样罐中，检查气密性无问题后启动真空泵和复合真空计，进行真空脱气，当真空计示数低于20 Pa 时完成真空脱气工作，关闭真空泵及真空计结束脱气程序。

2）将恒温吸附单元温度调至20 ℃，打开高压充气单元，将纯度为99.99%的高压甲烷气体依次充入各煤样罐中，设置吸附平衡压力为0.5 MPa。

3）待吸附平衡后，旋转击针打破装满水玻璃瓶，使水淹没煤样罐中的柱状原煤，开始恒温渗吸实验。

4）数据记录器采集煤样罐中压力变化数据，连续记录240 h。

5）分别设置实验温度为20、40、60、80 ℃，依次进行0.5、1.0、2.0、3.0 MPa 吸附平衡压力条件下水分渗吸置换甲烷实验。

2 不同温度下水分渗吸置换甲烷实验结果

2.1 热液侵入过程中气体压力随时间变化

水分在毛管压力作用下进入原煤煤体内部置换出来的游离甲烷首先在局部积聚，局部煤层瓦斯压力短暂增大，当瓦斯压力增大至一定程度时，游离甲烷将沿煤层裂隙进入预抽钻孔及抽采管路，达到促抽、增产煤层气（瓦斯）目的。针对渗吸效应会引起局部煤层瓦斯压力短暂增大这一现象，开展水-热耦合作用下的渗吸实验，定量分析原煤在不同温压环境下的渗吸特性，研究温度对渗吸效应的影响。

渗吸实验过程中观察到了密闭渗吸系统内瓦斯压力随着时间延长而增大的现象，但压力增长速度要小于文献［16］观察到的情况，原因是本次实验采用的原煤孔隙率要远低于压制的型煤，水分渗吸置换吸附甲烷的速度要缓慢。0.5～3.0 MPa 初始平衡压力条件下分别在20～80 ℃温度实验环境下，渗吸实验系统内压力随时间变化规律如图2。

图2 不同初始平衡压力下渗吸实验系统内压力随时间变化图Fig.2 Diagrams of pressure variation with time in imbibition experimental system under different initial equilibrium pressures

由图2 可知：同初始吸附平衡压力条件下，随着水分在毛管压力作用下不断进入柱状原煤试样内部，吸附态甲烷分子被水分子不断置换为游离态甲烷，随着实验的进行，渗吸实验系统煤样罐内压力逐渐增大，0.5 MPa 初始平衡条件下，20、40、60、80℃温度实验环境下，240 h 渗吸实验后，渗吸实验系统内压力分别达到了0.80、0.89、0.94、1.02 MPa，最大增大了104%；3.0 MPa 初始平衡条件下，20、40、60、80 ℃温度实验环境下，240 h 渗吸实验后，渗吸实验系统内压力分别达到了3.35、3.49、3.64、3.72 MPa，最大增大了24%；而1.0、2.0 MPa 初始平衡条件下，渗吸实验系统内压力最大分别增大了62%、33%，增幅随初始平衡压力增大呈递减趋势。

不同温度条件下，压力值的增大趋势不同，温度越高压力增长速度越快，20 ℃实验下压力增长曲线最平缓，且在240 h 实验时间内未达到极限渗吸状态，80 ℃实验下压力增长速度最快，240 h 内可达到极限渗吸状态。

2.2 热液侵入对甲烷置换量的影响

为了考察热液侵入过程中被置换出甲烷量的变化规律，根据气体状态方程式（1）计算出煤样罐内自由空间为Vi在实验温度下，压力由pj增大至pi时，水分在毛管压力作用下进入原煤试样内部所置换出的游离甲烷标况体积Qi。

式中：Qi为置换量，cm3；Vi为罐内部自由空间，cm3；T 为实验温度，℃；pi为i 时刻压力值，MPa；pj为j 时刻压力值，MPa；Zi为T 温度下压力pi所对应压缩因子；Zj为实验温度下压力pj所对应压缩因子。

将各实验条件下，渗吸实验系统压力随时间变化数据代入式（1）获得不同时间点甲烷置换量数据，不同初始平衡压力下渗吸实验累计甲烷置换量（标况）随时间变化图如图3。

图3 不同初始平衡压力下渗吸实验累计甲烷置换量（标况）随时间变化图Fig.3 Methane displacement（standard condition）variation with time in imbibition experiments under different initial pressures

由图3 可知，不同渗吸实验条件下的单位质量甲烷置换量均随着时间的延长而不断增大，同初始吸附平衡压力条件下，相同实验时间内，高温下的单位甲烷置换量显著高于常温下的单位甲烷置换量。当实验温度由20 ℃增大至80 ℃时，0.5 MPa 初始平衡条件下的单位甲烷置换量（240 h）由2.95 cm3/g 增大至4.45 cm3/g，增大了50.9%；3.0 MPa 初始平衡条件下的单位甲烷置换量（240 h）由3.80 cm3/g增大至6.50 cm3/g，增大了70.9%；而1.0、2.0 MPa初始平衡条件下的单位甲烷置换量分别增大了62.2%、70.1%。表明高温条件下水分子动能更高，煤体内部孔隙受热膨胀进一步打开，高温可以快速、有效提高水分子在毛管压力作用下置换甲烷的速率。

2.3 热液侵入对甲烷置换率的影响

由以上分析可知，高温高压下甲烷置换量高于高温低压，但能否表明高温高压下水分对整体吸附甲烷的置换能力高于高温低压需进一步分析，可从置换率角度分析不同温压条件下水分置换吸附甲烷的能力。

将渗吸实验t 时刻单位质量煤甲烷置换量换算为物理标况（0 ℃，101 325 Pa）下置换量Qt，再将标况下Qt与Q（初始吸附平衡状态下总甲烷吸附量）相比，获得置换率η（Qt/Q）。某吸附平衡压力条件下总甲烷吸附量可根据式（2）计算。

式中：Q 为初始吸附平衡状态下总甲烷吸附量，cm3/g；a 为煤样吸附常数，cm3/g；b 为煤样吸附常数，MPa-1；p 为实验吸附平衡压力，MPa；Aad为灰分，%；Mad为水分，%；ρ 为煤样密度，g/cm3；ϕ 为孔隙率，%；T 为实验温度，℃。

不同温压下渗吸240 h 甲烷置换率随温度变化如图4。

由图4 可知：同初始吸附平衡压力下的置换率（240 h）随着渗吸实验环境温度的升高而增大，当实验温度由20 ℃增大至80℃时，0.5 MPa 的甲烷置换率（240 h）由21.96%增大至57.2%，提高了160.5%；3.0 MPa 的甲烷置换率（240 h）由12.5%增大至31.4%，提高了152.1%；80 ℃条件下1.0 MPa 及2.0 MPa 甲烷置换率（240 h）分别为43.7%和34.0%，介于0.5 MPa（低压）和3.0 MPa（高压）之间；同温度条件下，置换率（240 h）随着初始压力的增大而减小；同初始压力条件下，置换率（240 h）随着温度的升高而增大。其中，0.5 MPa 初始低压240 h 甲烷置换率均高于3.0 MPa 初始高压，表明在低孔隙压力环境中，注热（水）渗吸置换吸附甲烷的效果优于直接在高压储层中注热（水），不宜直接在高压储层中开展注热（水）工作，可等储层抽采至后期出现低压瓦斯驱动力不足时，再开展注热增产工作，进一步提高瓦斯抽采量，降低煤层瓦斯含量。

图4 不同温压下渗吸240 h 甲烷置换率随温度变化Fig.4 Methane replace rate variation with temperature after imbibition for 240 h

3 不同温压环境下渗吸常数λ 分析

柱状原煤含有煤体原始的裂隙和孔隙，多孔基质在水驱环境下的毛细管力对裂隙中水渗吸过程中形成气水两相流，自吸输运过程中常应用Aronofsky提出的双重孔隙介质指数驱替模型[18]来分析油气产能，如式（3）：

式中：α 为渗吸至某时刻的置换率，g；Qt为采气量，cm3/g；Qc为初始含气量，cm3/g；λ 为渗吸常数；t为渗吸时间，h。

采用双重孔隙介质指数模型对渗吸实验置换率数据进行拟合计算，考察渗吸常数λ 的变化规律，各实验条件下的渗吸常数λ 值见表2。

由表2 可知：同初始压力条件下，渗吸常数随温度的升高而增大；同温度条件下，渗吸常数随初始压力的增大而减小；当实验温度由20 ℃增大至80 ℃时，0.5 MPa（低压）、3.0 MPa（高压）初始压力下的渗吸常数λ 分别由1.071 5×10-2、0.987 4×10-2增大至7.482 9×10-2、5.961 2×10-2，分别增大了5.98、5.04倍，温度的升高可以显著提高水分渗吸置换吸附态甲烷的能力；但同温度下，0.5 MPa 初始压力下的渗吸常数为4 个实验压力条件下的最大值，3.0 MPa的渗吸常数λ 为最小值；表明在低孔隙压力条件下，高温可以更显著提高煤体渗透率，高压在一定程度上抑制了水分渗吸置换甲烷的效率。