原煤孔隙拓扑特征对CO2-ECBM过程的影响机制

刘 锋

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

空间拓扑特征能够准确描述孔裂隙的空间结构及连通关系。煤各级孔隙内的气体迁移过程以吸附/解吸、扩散和渗流为主，在不同煤体之间表现出的差异性取决于煤孔裂隙空间拓扑结构[1，2]。煤体注二氧化碳置驱瓦斯技术(CO2-ECBM)，利用CO2与CH4在煤孔隙系统中的竞争吸附原理，实现CO2的有效地质封存，同时提高煤层瓦斯抽采效率[3，4]，对“双碳”背景下化石能源的绿色清洁开发意义重大。由于这一过程广泛涉及气体的吸附/解吸、扩散和渗流现象，导致煤体空隙空间拓扑特征成为决定CO2-ECBM技术能否高效实施的关键因素[5，6]。

关于煤孔隙空间拓扑结构与CH4产出规律之间的联系，最早采用压汞法和气体吸附法得到了煤岩大孔(>1000 nm)、中孔(100～1000 nm)、介孔(10～100 nm)和微孔(1～10 nm)的孔径分布、比表面积、分形维数等结构参数[7]，并将CH4运移与之对应，对于孔隙形态及连通性仅通过进退汞或吸脱附曲线作定性推理[8，9]。此后，诸多学者通过构建孔隙模型并结合动力学、热力学方程研究不同孔径阶段下Fick定律、Darcy定律的适用性[10，11]，但涉及真实煤体的流体运移规律时仍存在偏差，原因在于经典的孔隙模型通常是真实孔隙网络的简化，二者的空间拓扑特征存在较大差异。近年来，随着光学无损检测技术的发展，射线扫描三维重构手段的广泛应用，使得学者们能够获取更贴近实际的煤孔隙结构模型，并对孔隙参数与气体运移的关系进行了深入探讨[12-14]，但仍未能从根本上解释空间拓扑特征与气体迁移之间的内在联系。

目前，在CO2-ECBM技术领域，煤孔隙空间拓扑特征对瓦斯置驱规律的影响鲜有报道。为了深入探究CO2-ECBM技术应用背后的这一科学问题，本文选取未受扰动的块状褐煤、肥煤及无烟煤样品，通过X-ray CT扫描，精确重构煤孔隙三维空间结构，并量化分析孔隙系统的空间拓扑特征。此外，通过受载原煤原位注CO2置驱CH4分步实验，阐明不同孔隙拓扑系统中的CO2-ECBM过程，进而揭示煤孔隙空间拓扑特征对瓦斯置驱效应的影响。

1 煤样制备和试验

1.1 煤样制备

试验原煤样品分别取自羊场湾矿(褐煤)、胜利矿(肥煤)和阳煤一矿(无烟煤)，并通过钻取和打磨制成∅50 mm×100 mm的标准原煤试件(图1)，经真空脱气干燥后，用于受载原煤注CO2置驱CH4实验。同时，将取自同一地点的原煤样品切割为5 mm×5 mm×10 mm的长方体样品，经过真空脱气干燥后开展CT实验。

图1 置驱实验煤样

1.2 X-ray CT扫描

煤中不同成分对X射线的吸收系数不同，X-ray CT扫描实验利用扫描图像不同灰度值反映孔隙、煤基质和矿物质[15，16]。本次试验采用Nano Voxel-3000高分辨率CT扫描系统，测试电压120 kV，测试电流50 μA，曝光时间1000 ms，扫描模式为局部扫描。因为制取煤样中不可避免破坏了其表面形貌，使孔隙结构改变，为减小边缘误差，对原始CT序列图像进行裁剪[17]，每个煤样均得到1400幅990×990的灰度图，像素边长2 μm。

1.3 受载煤体CO2-ECBM试验

试验采用自行研制的受载原煤注气置驱甲烷THM耦合实验台完成(图2)，试验步骤为：①检查系统气密性，向实验系统通入4 MPa氦气，待各压力传感器显示的压力保持6 h无变化视为气密性良好；②将系统抽真空，把煤样装载到三轴渗流夹持器，温度设定在24～26 ℃范围内，围压升至4 MPa；③将CH4气体吸附压力设为2 MPa，待吸附平衡并稳定12 h，进行常压解吸且记录出口气体流量和压力；④解吸稳定后开始注入1 MPa的CO2气体，同时记录进出口流量、压力和组分，直至出口CH4浓度为0；⑤将CO2注入压力设为2 MPa，并重复步骤④；⑥将围压升至6 MPa，重复步骤②—⑤。

图2 实验系统

考虑到煤层注气前煤壁会自然释放瓦斯，因此在注CO2前对吸附CH4达平衡状态的煤样进行常压解吸，进而排除CH4解吸对实验数据的影响。

2 原煤孔隙几何拓扑特征量化分析

2.1 孔隙结构三维重建

对X-ray CT扫描的羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的灰度图像，进行对比度调节、降噪、去环形伪影等一系列后处理[18]，以准确识别孔隙。

为了保证煤孔隙空间拓扑结构重建的真实性，本文采用最大类间方差法对16 bit灰度图进行识别，根据文献[19]方法计算得到的羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤孔隙阈值依次为32464，17248，27224。随后利用Avizo软件内置算法对煤孔隙系统进行三维重建。

由于气体主要渗流通道为连通孔隙系统，故剔除孤立孔隙，得到连通孔隙系统，如图3所示。由图3可见，羊场湾褐煤的孔裂隙布满整个空间，胜利肥煤和阳泉无烟煤则存在不同程度孔隙缺陷区域。可见，羊场湾褐煤的孔裂隙分布最广，渗流通道发育最好，更有利于注CO2对CH4的置驱效应。

图3 煤体连通孔隙团(μm)

2.2 孔隙结构参数分析

孔隙系统逾渗概率是空间拓扑结构的重要参数，能够反映孔隙系统的连通性和渗透性[20]。通过计算得到了羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤连通孔隙团的逾渗概率，依次为15.34%，10.94%，9.88%。3个煤样的等效孔径分布频率如图4所示。分析发现，羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的孔隙(孔径1～100 μm)的占比分别是46.43%，97.59%，99.98%，平均等效孔径分别为113.35，52.42，35.83 μm。可见，随着三组样品煤变质程度升高，等效孔径变小，特别是胜利肥煤和阳泉无烟煤中可见裂隙基本消失，而渗流通道的缺失会阻碍注CO2置驱CH4过程的发展。

图4 煤孔隙直径分布

3个煤孔隙空间拓扑参数见表1。对于三种煤样，随变质程度升高，孔隙的表面积和体积均减小，意味着变质程度与单个孔隙的吸附性、渗流特性呈负相关。形状因子可反映孔隙形状的规则程度，标准球体的形状因子为1。煤中孔隙形状随变质程度升高趋于球形，球状孔利于气体的赋存但不利于运移。

表1 孔隙几何拓扑特征部分参数

2.3 孔隙空间拓扑特征

在孔隙结构基础上，基于中轴线算法[21]计算得出孔隙空间拓扑结构，如图5所示，详细参数见表2。分析可知，对于3种煤样，随煤变质程度升高，孔隙和喉道直径均减小，即气体运移的通道变窄，而通道直径与流体运动阻力呈负相关，因此在出入口压差相等的条件下，流体流过阳泉无烟煤最困难。喉道长度越短，意味着孔隙间距离更紧凑，孔隙间气体交换距离更短。配位数则是直接衡量孔隙之间连通性强弱的指标，配位数大说明任意不相邻的两孔隙间流体运移路径更多，即气体在孔裂隙空间运移范围更广更深。

表2 煤孔隙空间拓扑参数

图5 孔隙网络模型(μm)

3 孔隙空间拓扑特征对CO2-ECBM的影响

结合3种煤样孔隙几何拓扑特征，对注CO2置驱CH4的过程进行深入分析。受载原煤CO2-ECBM过程中夹持器出口CH4的产出具备阶段性变化规律，如图6所示。将中期直线下降阶段数据拟合为直线b，同理将早期和后期平缓阶段数据拟合为直线a和c，直线b与a和c的交点分别A和B，A和B点所在的垂线将整个置驱过程曲线大致分为三个时期：

图6 置驱阶段划分

1)置驱早期。CH4体积分数呈对数升高，CO2尚未突破煤体，该阶段高压CO2被注入孔裂隙，后经扩散进入基质孔隙，随后将孔隙表面吸附态CH4置换。

2)置驱中期。CH4体积分数开始剧烈下降，出口处检测到CO2，此阶段注入的CO2一部分经置换吸附态CH4，另一部分稀释、载携游离CH4排出煤体。

3)置驱后期。CH4体积分降低趋势变平缓，此时煤体中CO2基本达到吸附平衡，CH4置驱结束。

3.1 甲烷产出浓度

CH4产出体积分数变化规律如图7所示，对比不同曲线可知，降低围压或提高注气压力均可缩短整个置驱过程，这是由于围压的降低能够削弱煤孔裂隙闭合，改善孔裂隙系统连通性。提高注气压力能够提升CO2孔隙分压，促进其扩散、吸附，从而加速置驱过程。

图7 CH4产出体积分数变化规律

对于具有不同孔隙空间拓扑特征的煤体而言，当围压为4 MPa、注气压力为2 MPa时：①置驱早期，羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤分别用时56，37，16 min，CO2突破时间依次降低，这是由于羊场湾褐煤孔隙分布广泛，孔径发育均衡，基质孔隙和裂隙间沟通充分，更有利于气体渗流，气体扩散范围更大，使置驱作用能在煤中更大范围内进行。而胜利肥煤、阳泉无烟煤孔隙拓扑系统存在空间缺陷，严重制约渗流环节，CO2气体扩散范围小，因此置驱早期时间短。②置驱中后期，羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤分别用时28，35，36 min，这是由于羊场湾褐煤孔隙具有连通性较好的空间拓扑系统，畅通的渗流孔道有助于基质孔隙浓度差的形成，加快CH4的置换、渗流进程。

3.2 置驱体积比

置驱体积比ω和置驱效率η是定量评价CO2-ECBM效果的重要指标，计算方法见式(1)和式(2)。

CH4产出流量随置驱体积比的变化规律如图8所示。由图8可知，在同一围压环境中，随着注气压力增大，CO2突破煤体的置驱体积比降低，其中羊场湾褐煤降低程度最大，这是由于煤孔隙拓扑系统连通性越强，气体渗流、扩散对注气压力变化越敏感，随着注气压力的提升，置驱速率越快，置驱范围也越广，CO2对吸附态CH4的置驱越高效，体现为CH4产出流量变大、置驱体积比减小。但胜利肥煤和阳泉无烟煤孔隙拓扑系统存在局部缺陷，因气体渗流、扩散通道的缺失，导致裂隙中CO2压力提高后只在很小范围内提升了扩散速度，对置驱过程影响较小。不同的是，阳泉无烟煤的CH4置驱流量更大，几乎是胜利肥煤的3倍。可见，阳泉无烟煤丰富的基质微孔为气体提供了足够的吸附空间，能够弥补孔隙拓扑系统缺陷产生的不足。

图8 CH4产出流量变化规律

3.3 置驱效率

置驱效率随置驱体积比的变化规律如图9所示。由图9可知，提高注气压力或降低围压能提高置驱效率，但对于三种煤样，这种效果随煤变质程度增加而减小。这是由于降低围压会使孔裂隙发生一定程度扩张，孔裂隙间连通性增强，改善了CO2/CH4的运移环境，因此置驱效率提高。其中羊场湾褐煤置驱效率提升最大，究其原因，其孔隙拓扑系统更加完善，故置驱效率提升更明显；胜利肥煤、阳泉无烟煤本身渗流通道匮乏，降低围压和提高注气压力对渗流、扩散性能改善不大，因此置驱效率提升小。值得注意的是，在同一条件下，阳泉无烟煤的置驱效率甚至高于胜利肥煤，这是由于随变质程度升高，煤基质对CO2的吸附力变强，弥补了缺失渗流通道导致的扩散、吸附解吸驱动力不足，提升了CO2运移能力。

图9 置驱效率变化规律

4 结 论

1)羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的变质程度依次升高，等效孔径、孔喉直径、逾渗概率等孔隙空间拓扑参数逐渐降低，孔裂隙发育程度、空间分布及连通性逐渐变差。

2)CO2-ECBM过程分早期、中期、晚期3个不同阶段。羊场湾褐煤因其孔隙系统的广泛发育，早期阶段缓慢，中后期阶段较快。而阳泉无烟煤缺少渗流、扩散通道，连通性差，不利于气体运移过程，因此早期阶段较快，而中后期阶段缓慢。

3)提高注气压力或降低围压是显著提升CO2-ECBM置驱效率的有效途径，对于阳泉无烟煤效果最为显著，其发育的大量吸附孔，能够弥补孔隙拓扑系统缺陷导致的围压、注气压力对置驱效率调控的不足。

4)本文探讨了不同应力条件下，羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤三种不同的孔隙拓扑系统对CO2-ECBM过程的影响规律，后续研究应进一步阐明其蕴含的复杂过程，并揭示现象本质。