无烟煤各向异性吸附膨胀动态响应实验研究

赵楷棣，傅雪海

（1.平顶山天安煤业股份有限公司 六矿，河南 平顶山 467099；2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）

煤层中注入CO2既可以实现碳封存又可以提高煤层气的抽采率，具有环境和能源方面的双重优势[1]，是碳捕获、利用与封存（CCUS）技术的重要方向[2]，也是我国碳达峰碳中和目标实现的有效途径之一[3]。近20 年来，我国在CO2驱替煤层气（CO2-ECBM）方面开展了大量的研究工作，也在沁水盆地和鄂尔多斯地区进行了系列现场先导性试验[4]。CO2注入煤层后吸附于煤基质孔隙中，可诱发煤基质膨胀变形[5]。煤基质膨胀可压缩煤层中存在的裂隙，造成裂隙变窄、甚至闭合，直接导致煤层渗透率显著降低[6-7]，这是造成现场试验中CO2可注性衰减的首要原因。对此，前人开展了大量关于注CO2煤岩膨胀变形的研究工作，主要关注煤阶、CO2压力、含水量和地应力的影响。Reucroft 和Sethurman 研究了褐煤、亚烟煤和烟煤的CO2吸附膨胀变形，发现煤岩吸附膨胀应变和碳含量成反比[8]；Hol 和Spiers 认为在20 MPa之内，CO2注入压力的增大显著提高煤岩的膨胀应变[9]；Kiyama 等对比干燥和饱水煤岩中注CO2的膨胀应变，发现水分减少了煤对CO2的吸附，降低了煤吸附膨胀[10]；Majewska 等发现受限条件下煤岩吸附膨胀降低，证实地应力对膨胀变形具有负效应[11]。另外，部分学者也关注了煤岩吸附CO2的各向异性变形特征，认为垂直层理方向煤岩变形量要大于平行层理方向[12]。尽管前人已开展大量研究，但是对于煤岩三向各向异性膨胀变形及各向异性变形机理认识不足。因此，以采自沁水盆地无烟煤为研究对象，采用立方煤样开展煤岩CO2吸附量及各向异性膨胀应变实验研究，探索注CO2过程中各向异性膨胀规律，阐明吸附量和各向异性膨胀变形之间的关系，目的是揭示煤岩注入CO2各向异性膨胀变形机理。

1 材料与方法

1.1 实验材料和装置

沁水盆地是国内首个成功商业化开发的煤层气盆地，也是CO2-ECBM 先导性试验基地。研究选取沁水盆地南部3#煤层作为研究对象。首先识别出所采集的大块煤样的层理、端割理和面割理；然后，沿着层理、端割理和面割理方向将煤块切割，制作成3 cm×3 cm×3 cm 的立方煤样，样品表面用砂纸打磨光滑。

实验采用煤岩吸附量及膨胀变形测试装置。装置主要有气体注入系统、样品室、应变监测系统和真空泵组成。其中，气体注入系统包括CO2和He 气瓶、增压泵、参考缸、压力传感器、电热偶和调压阀等，可以为实验提供特定温度和压力的气体。样品室用于储存煤样，是开展气体吸附及变形监测的场所。应变监测系统包括DH-3818 静态应变测试仪和计算机，用于测量和记录煤岩的应变量。真空泵用于给整个装置抽真空，去除装置内的空气。煤岩吸附量及膨胀变形测试装置如图1。

图1 煤岩吸附量及膨胀变形测试装置Fig.1 Test device for adsorption capacity and swelling deformation of coal-rock

实验装置最大允许压力为60 MPa，最大允许温度为90 ℃。压力和温度的精度分别为±0.01 MPa和±0.01 ℃。参考缸和样品室的容积均为2 000 mL。

1.2 实验过程及计算方法

为研究CO2注入过程中煤岩的吸附及变形特征，吸附量测试采用体积法，实验前分别采用He 标定自由空间体积，再通过计算得到样品的吸附量。依据气体质量守恒可得和理想气体状态方程可得：

式中：△nr、ne、nf分别为参考缸减少的气体量、过剩吸附量和自由空间内气体量，mmol/g；△pr为参考缸压力变化值，MPa；Vr为参考缸体积，mL；ZCO2为CO2的气体压缩因子，无量纲；R 为理想气体常数，取8.314 J/（mol·K）；T 为温度，K。

式中：ρg、ρa分别为气体自由相和吸附相密度，cm3/g。

实验温度为40 ℃，CO2注入压力分别为1、3、5、7、9、11 MPa。通过应变片监测注CO2煤岩动态变形过程，将应变片沿着平行面割理方向和平行端割理方向和垂直层理方向进行粘贴。同样，注CO2煤岩的变形包括吸附变形和应力改变引起的变形，实验前，在同样条件下注He 监测煤岩变形，通过对比注CO2和注He 煤岩的应变，获得CO2吸附膨胀应变。

煤岩体积应变可由不同方向上的应变计算得到。假定lx、ly和lz分别代表端割理、面割理和层理的宽度，则△lx、△ly和△lz分别代表平行面割理方向、平行端割理方向和垂直层理方向煤岩的变形量，则煤岩的体积应变εV为：

式中：εx、εy、εz分别为平行面割理方向、平行端割理方向、垂直层理方向煤岩应变量，无量纲。

2 实验结果

研究煤样的镜质组最大反射率Ro,max为2.63%，属于无烟煤。其中镜质组含量为78.65%，惰质组含量为17.52%，壳质组含量为0.25%，另外还含有3.58%的矿物质。工业分析结果显示，煤样中水分含量为0.48%，灰分产率为5.95%，挥发份产率为25.63%，固定碳含量为67.94%。

煤岩吸附量随时间的变化过程如图2。随着注入时间的延长，煤岩的吸附量呈现“快速增长-缓慢增长-吸附平衡”的演化趋势。CO2注入时间在10 h之前，吸附量快速增大，可达最大吸附量的75%以上；当CO2注入时间从10 h 到20 h 过程中，CO2吸附量缓慢增长；在CO2注入时间大于20 h 之后，吸附量几乎不变，达到吸附平衡状态。另外，CO2累积吸附量随着CO2注入压力的增大而增大，从1、3、5、7、9 MPa 到11 MPa，最大吸附量从16.39、23.63、32.32、35.24、38.08 cm3/g 增加到39.97 cm3/g，证实提高CO2注入压力可显著增加煤岩对CO2的吸附量。

图2 煤岩吸附量随时间的变化过程Fig.2 Variation process of adsorption capacity of coal-rock with CO2 injection time

煤岩应变随时间的变化过程如图3。注CO2煤岩体积应变呈现阶段性变化特征，在注入10 h 后，煤岩体积变形趋于稳定。注入CO2后煤岩首先受到体积压缩，此后，CO2气体进入煤岩内部，煤岩所受的有效应力降低，体积压缩恢复、并出现膨胀现象，当CO2分子通过渗流、扩散吸附于煤岩孔隙中后，引起基质膨胀，体积应变急剧增大，当达到吸附平衡后，煤岩体积变形区趋于定。

图3 煤岩应变随时间的变化过程Fig.3 Variation process of strain of coal-rock with CO2 injection time

3 分析与讨论

3.1 煤岩CO2 吸附能力

实验实测的CO2吸附量是过剩吸附量，在CO2高压阶段，CO2过剩吸附量出现降低的趋势，与前人研究相一致[13-14]。然而，过剩吸附量并不能反映煤岩的真实吸附能力。由式（3）可知，造成过剩吸附量和绝对吸附量差异的关键是ρg/ρa值的大小。随着CO2注入压力的增大，CO2的密度也急剧升高。当CO2压力低于5 MPa 时，自由相密度和吸附相密度差异较大，ρg/ρa趋于0，故过剩吸附量和绝对吸附量接近；当CO2压力高于5 MPa 时，自由相密度和吸附相密度差异不大，ρg/ρa的作用显现，造成过剩吸附量明显低于绝对吸附量，表现在过剩吸附量曲线急剧下降[15]。

CO2绝对吸附量和CO2注入压力之间的变化关系可用Langmuir 方程来描述，不同CO2注入压力下煤岩的吸附量如图4，V 为吸附量，p 为CO2注入压力，两者具有较高的可比性，相关性系数R2为0.986。所得Langmuir 体积为48.14 cm3/g，Langmuir 压力为2.48 MPa。

图4 不同CO2 注入压力下煤岩的吸附量Fig.4 Adsorption capacity of coal under different CO2 injection pressures

3.2 注CO2 煤岩各向异性吸附膨胀特征

煤岩吸附气体之后可发生膨胀变形，且众多学者均发现煤岩吸附膨胀呈现出各向异性的特征[16-19]。前人主要考虑垂直层理和平行层理方向应变，一般认为垂直层理方向煤岩吸附膨胀应变是平行层理方向的1～2 倍[20]。

煤岩各向异性吸附膨胀应变值见表1。研究发现注CO2后煤岩垂直层理方向应变最大（2 532.25×10-6～16 583.20×10-6），其次是平行面割理方向（1 825.36×10-6～7 253.32×10-6），而平行端割理方向应变最小（1 217.65×10-6～5 251.71×10-6）。垂直层理方向应变是平行面割理方向的2.08～3.16 倍，是平行端割理方向的1.39～2.29 倍；而平行面割理方向应变是平行端割理方向的1.23～1.50 倍。

表1 煤岩各向异性吸附膨胀应变值Table 1 Anisotropic adsorption swelling strain values of coal-rock

煤岩吸附CO2宏观变形是由大量基质块吸附膨胀的整体展示，因此煤岩各向异性膨胀变形和煤岩组分及不连续结构形式密切相关。

煤岩具有复杂的组分，致使基质吸附膨胀具有明显的非均质性，镜煤含量丰富的区域常具有较大的变形量[21]。此外，煤岩内大量发育层面裂隙和割理，面割理和端割理相互垂直，且均正交于层面裂隙。煤岩割理及层面裂隙展布示意图如图5[22]。

图5 煤岩割理及层面裂隙展布示意图Fig.5 Schematic of cleats and bedding plane fissures distribution in coal-rock

平行层理方向的渗透率要大于垂直方向[23]，故，注入CO2后，沿平行层理方向渗流并吸附于基质内的CO2分子更多，因此，表现在其垂向的膨胀变形更大。对于平行面割理和端割理方向，基质吸附膨胀首先压缩割理的空间[18]，由于端割理数量少、尺寸小，端割理空间在基质膨胀后先被填满，表现在平行面割理方向的膨胀应变大于平行端割理方向。

不同CO2注入压力下煤岩吸附膨胀应变如图6。随着CO2注入压力的增大，平行面割理方向应变、平行端割理方向应变、垂直层理应变和体积应变均呈现非线性变化。

图6 不同CO2 注入压力下煤岩吸附膨胀应变Fig.6 Adsorption swelling strain of coal-rock under different CO2 injection pressures

采用类Langmuir 模型拟合注入压力和膨胀应变之间的关系：

式中：ε 为应变量，无量纲；p 为CO2注入压力，MPa；a、b 为拟合参数。

煤岩各向异性吸附膨胀拟合结果见表2。相关系数R2在0.873～0.913 之间，可利用类Langmuir 模型预测不同注入压力下煤岩的各向异性应变。

表2 煤岩各向异性吸附膨胀拟合结果Table 2 Fitting results of anisotropic adsorption swelling of coal-rock

3.3 煤岩CO2 吸附量和各向异性膨胀应变的关系

CO2吸附是导致煤岩膨胀变形的直接原因。煤岩绝对吸附量和吸附膨胀应变的关系如图7。煤岩吸附膨胀随着CO2绝对吸附量的增大而增大，呈现出非线性正相关的关系。

图7 煤岩绝对吸附量和吸附膨胀应变的关系Fig.7 Relationship between absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain of coal-rock

采用Slogistic 函数拟合所得结果，发现绝对吸附量和煤岩膨胀应变符合“S”型曲线变化关系，拟合公式如下：

式中：ε 为应变，无量纲；V 为绝对吸附量，cm3/g；c、d、k 为拟合参数。

绝对吸附量和吸附膨胀应变拟合结果见表3。

表3 绝对吸附量和吸附膨胀应变拟合结果Table 3 Fitting results of absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain

无论是平行面割理方向应变、平行端割理方向应变、垂直层理方向应变还是体积应变，拟合相关系数均大于0.9，因此Slogistic 函数可以很好地用来表征吸附量和膨胀变形之间的关系。

煤岩应变的“S”型曲线变化趋势和其内部各向异性三维结构息息相关[22，24]。CO2主要吸附于煤基质块的孔隙之中，由于基质块之间存在大量的裂隙或割理，基质块膨胀之后首先挤压原生裂隙或割理，即发生内部膨胀，而应变片监测的是外部膨胀，因此，在CO2吸附量较小时，吸附量对膨胀应变影响不大。当基质膨胀挤压裂隙或割理空间到一定程度后，基质膨胀主要表现在外部膨胀，故膨胀应变随吸附量急剧增大。随着吸附量继续增大，内部膨胀应力促使裂隙或割理重新张开，外部膨胀变化较缓，当煤岩内部应力处于平衡状态时，膨胀变形趋于稳定。

4 结 论

1）煤岩注入CO2后体积发生变形，体积应变随时间呈现阶段性变化关系，可分为增压收缩阶段、应力膨胀阶段、吸附膨胀阶段和变形稳定阶段。CO2绝对吸附量和煤岩吸附膨胀应变与CO2注入压力之间均可用Langmuir 型模型来表征。

2）煤岩吸附膨胀变形呈现明显的各向异性特征，注CO2后煤岩垂直层理方向应变最大，其次是平行面割理方向，而平行端割理方向应变最小，这与煤岩割理和层理三维展布有关。

3）煤岩绝对吸附量和煤岩膨胀应变符合“S”型曲线变化关系，可用Slogistic 函数拟合。煤岩吸附CO2基质膨胀首先以内部膨胀为主，割理或裂隙遭受压缩之后开始向外部膨胀，最终当煤岩内部应力状态达到平衡后，煤岩膨胀变形趋于稳定。