深部煤層封存CO2過(guò)程中的煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)

王浩浩，張登峰，王倩倩，彭健，霍培麗

（昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

二氧化碳捕集與封存（carbon dioxide capture & sequestration，CCS）技術(shù)能夠迅速、有效地實(shí)現(xiàn)主要人為溫室氣體二氧化碳（CO2）的減排，因此成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[1]。CCS 技術(shù)首先實(shí)施CO2捕集技術(shù)，對(duì)電廠、鋼鐵廠和化工廠等排放源所產(chǎn)生的低濃度CO2進(jìn)行有效富集，獲得濃縮的CO2氣源，然后通過(guò)CO2封存技術(shù)，將濃縮的CO2氣源輸送到海洋或特定的地質(zhì)圈閉進(jìn)行有效貯存[2]。用于CO2封存的地質(zhì)圈閉結(jié)構(gòu)主要包括枯竭的油氣藏、油層、深部咸水層和深部不經(jīng)濟(jì)性煤層。其中，煤是一種孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的有機(jī)巖，具有自發(fā)吸附氣體的特性，因此深部煤層可以作為一個(gè)存放CO2的巨大倉(cāng)庫(kù)，并且能夠達(dá)到長(zhǎng)期固定CO2的目的。此外，已有的研究結(jié)果證明煤吸附CO2的能力是吸附CH4的2 倍以上（物質(zhì)的量之比）[3]，在向煤層中注入CO2后可以置換出煤層氣（主要組分CH4），因此該特征可一定程度降低CO2封存的成本。據(jù)報(bào)道：全球范圍內(nèi)，煤層的CO2封存規(guī)模可以達(dá)到3000～9640億噸[4]，同時(shí)可以獲得1.45×1013m3（標(biāo)況下）的CH4資源[3-4]。綜上，強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采的深部煤層封存CO2技術(shù)（CO2sequestration in coal seams with enhanced coal-bed methane recovery，CO2-ECBM）被認(rèn)為是最具吸引力的CO2封存技術(shù)之一。

CO2-ECBM 技術(shù)主要是利用煤體的吸附性能實(shí)現(xiàn)CO2的存儲(chǔ)，因此學(xué)者針對(duì)模擬儲(chǔ)層條件下煤體的單組分CH4或CO2吸附性能[5-8]、煤體的多組分CH4/CO2吸附性能[9-10]以及飽和CH4煤樣的CO2驅(qū)替行為[11-12]進(jìn)行了廣泛且深入的研究工作并在煤體吸附性能方面獲得了豐富的研究成果，然而考慮到煤基質(zhì)獨(dú)特的理化特性以及儲(chǔ)層條件下CO2流體的特征，封存過(guò)程中CO2流體將誘導(dǎo)煤基質(zhì)產(chǎn)生溶脹效應(yīng)。溶脹效應(yīng)會(huì)對(duì)深部煤層封存CO2過(guò)程構(gòu)成潛在影響，為此本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作，首先，分析了CO2等流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程機(jī)理及基本規(guī)律；其次，闡述了CO2封存過(guò)程中誘導(dǎo)的煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)對(duì)其封存的影響并介紹了煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)的分析手段；最后，結(jié)合溶脹效應(yīng)研究存在的爭(zhēng)議問(wèn)題及難點(diǎn)問(wèn)題，提出了封存過(guò)程中煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)的研究趨勢(shì)。

1 煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)

煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)由基質(zhì)（matrix）和割理（cleat）組成。研究證明，CO2、CH4等流體在煤基質(zhì)和割理結(jié)構(gòu)中采取不同的運(yùn)移方式[13]。其中，流體在基質(zhì)中的運(yùn)移方式以擴(kuò)散為主，遵循Fick 定律，推動(dòng)力為濃度梯度；流體在割理中的運(yùn)移方式以層流（laminar flow）為主，遵循Darcy 定律，推動(dòng)力為壓力梯度。一方面，煤基質(zhì)因內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)（主要包含半徑小于1nm 的微孔和半徑大于1nm 的介孔）[14]，因此可以通過(guò)吸附作用實(shí)現(xiàn)CO2的封存[3]；另一方面，煤基質(zhì)大分子有機(jī)結(jié)構(gòu)自身并不穩(wěn)定，CO2等流體分子在基質(zhì)孔隙表面發(fā)生吸附的同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)煤基質(zhì)發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象，從而擠壓割理空間并降低煤層機(jī)械強(qiáng)度和滲透性能，因此不利于流體在煤層內(nèi)部的運(yùn)移，進(jìn)而影響流體在基質(zhì)上的有效吸附[15-16]。煤基質(zhì)溶脹過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 煤基質(zhì)溶脹過(guò)程[17]

目前，針對(duì)煤基質(zhì)溶脹機(jī)理的闡釋存在不同的觀點(diǎn)。一方面，Larsen 等[18]和Karacan 等[19]指出煤基質(zhì)大分子交聯(lián)體系具有玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)特性，整個(gè)體系Gibbs 自由能并沒(méi)有達(dá)到最小，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。當(dāng)向煤層注入CO2時(shí)，由于CO2分子在煤基質(zhì)內(nèi)部的溶解將會(huì)引起煤基質(zhì)分子結(jié)構(gòu)重排，從而發(fā)生溶脹現(xiàn)象。Goodman 等[20]利用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（attenuated total reflectance fourier transform infrared spectroscopy，ATR-FTIR）發(fā)現(xiàn)同一種煤樣重復(fù)吸附CO2行為存在差異，因而推斷CO2吸附的同時(shí)會(huì)作為增塑劑改變煤體的高分子結(jié)構(gòu)。另一方面，從CO2流體和煤體之間的微觀作用力分析，一般CO2流體和煤體之間的吸附作用主要源于Debye誘導(dǎo)力和London 色散力，但是Walker 等[21]又指出，CO2流體與煤體可形成氫鍵或者發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移作用，上述作用會(huì)降低煤大分子結(jié)構(gòu)的交聯(lián)度從而導(dǎo)致煤基質(zhì)發(fā)生溶脹效應(yīng)。

由上可知，雖然一些學(xué)者闡述了CO2流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹機(jī)理，但是仍存在爭(zhēng)議或者很多結(jié)論仍屬于一種推測(cè)。分析認(rèn)為，煤體非晶態(tài)特性及理化結(jié)構(gòu)的高度異質(zhì)性、煤體理化結(jié)構(gòu)的精確解析以及CO2和煤基質(zhì)作用機(jī)制復(fù)雜性是導(dǎo)致溶脹機(jī)理問(wèn)題仍未明確的主要原因。因此，綜合運(yùn)用儀器表征和理論分析工具來(lái)明確不同變質(zhì)程度煤的理化結(jié)構(gòu)以及CO2和煤體作用關(guān)系，有助于進(jìn)一步探究CO2流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹機(jī)理問(wèn)題。首先，聯(lián)用核磁共振（NMR）、激光拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X 射線衍射（XRD）、X 射線光電子能譜（XPS）、高分辨透射電鏡（HR-TEM）等多種儀器表征手段可以獲取不同變質(zhì)程度煤的芳香度、芳?xì)浔群头继急?、官能團(tuán)、芳香微晶參數(shù)、煤體主要元素的賦存形態(tài)等重要信息。其次，采用量子化學(xué)計(jì)算工具對(duì)煤體大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。由于煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有多變性和復(fù)雜性，單純利用實(shí)驗(yàn)研究的手段很難對(duì)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)做全面的描述，因此有必要采用理論工具作為輔助研究的手段。目前，以量子化學(xué)理論為基礎(chǔ)的 VASP、Gaussian、DMol 和PWSCF 等商業(yè)化計(jì)算軟件已為研究人員進(jìn)行相應(yīng)的理論模擬工作提供了便利。根據(jù)儀器表征及理論計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合描述煤的理化結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模型（如Heredy & Wender 模型、Given結(jié)構(gòu)模型、Wiser 結(jié)構(gòu)模型、Jüntgen 模型、本田結(jié)構(gòu)模型、Shinn 結(jié)構(gòu)模型、Hirsch 模型、交聯(lián)模型和兩相模型、Cody 剛性鏈模型、締合模型和Hirsch模型等）[22-23]，將有助于精確解析煤體結(jié)構(gòu)，從而有助于探究CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程。最后，利用先進(jìn)的成像技術(shù)針對(duì)CO2和煤體聚合物大分子間微觀作用力開(kāi)展研究工作，將有助于從微觀層面對(duì)CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹機(jī)理進(jìn)行闡釋。一直以來(lái)，科學(xué)家對(duì)分子間或原子間微觀作用力的研究常借助于拉曼光譜或中子衍射等技術(shù)進(jìn)行間接分析，但仍缺乏直觀的證據(jù)。2013 年，我國(guó)科學(xué)家已率先利用先進(jìn)的原子力顯微鏡技術(shù)（ATF）成功地拍攝到8-羥基喹啉分子之間的氫鍵形態(tài)[24]。如果能用ATF 等成像手段驗(yàn)證CO2流體分子和煤體分子之間是否存在氫鍵等其他微觀作用力，無(wú)疑將有助于溶脹問(wèn)題的研究。

2 流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹規(guī)律

2.1 溶脹的影響因素

在煤層封存CO2過(guò)程中會(huì)發(fā)生煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)，其影響溶脹的因素主要包括流體種類、壓力、溫度以及煤的變質(zhì)程度。

不同流體誘導(dǎo)基質(zhì)溶脹程度不同。相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)相同溫度和壓力下，不同流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹程度大小順序依次為：CO2＞CH4＞N2[25-27]。Pan等[28]認(rèn)為煤體的溶脹主要取決于煤體對(duì)流體的吸附量，因而可知上述流體誘導(dǎo)基質(zhì)溶脹程度的大小關(guān)系與各流體在同種煤樣上的吸附性能大小順序一致。如圖2 所示，在相同溫度和流體平衡壓力條件下，CO2、CH4和N2導(dǎo)致煤基質(zhì)溶脹程度依次降低。氦氣（He）在煤上幾乎沒(méi)有吸附作用[31]，因而He誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)可以忽略。Reucroft 等[32]依據(jù)交聯(lián)大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶脹熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)：當(dāng)流體分子的溶解度系數(shù)（δgas）與煤體大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶解度系數(shù)（δcoal）相等或者近似時(shí)，流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)的溶脹程度最大[33]。溶解度系數(shù)（δ）定義如公式（1）所示。相比CH4和N2，由于CO2的溶解度系數(shù)更接近煤的溶解度系數(shù)，因此CO2誘導(dǎo)溶脹率最大[16，34-35]。

式中，Hv為摩爾蒸發(fā)焓，cal/mol（1cal=4.18J）；V 為摩爾體積，cm3/mol。

儲(chǔ)層條件下，目標(biāo)煤體承受的壓力主要包括煤層孔隙中處于游離狀態(tài)的CO2等流體對(duì)煤層孔壁的壓力（亦可稱為氣相主體壓力）及圍壓。目前，多數(shù)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)煤基質(zhì)溶脹率隨著氣相主體壓力的增加而遞增[36-38]。如圖2 所示，壓力愈大（除He以外），溶脹程度愈明顯，其溶脹效應(yīng)等溫線符合Langmuir 型方程[39-40]。當(dāng)CO2注入壓力低于10～20MPa 時(shí)，煤基質(zhì)處于膨脹控制階段；當(dāng)CO2注入壓力高于此壓力范圍，煤基質(zhì)處于壓縮控制階 段[41]。Sakurovs 等[42]用28 種煤樣（包括煙煤和無(wú)煙煤）在低壓和高壓條件下探究CO2吸附量與煤體溶脹的關(guān)系，認(rèn)為低壓條件下并沒(méi)有發(fā)生高壓時(shí)煤體的顯著溶脹現(xiàn)象。

圖2 45℃條件下，CO2、CH4、N2 和He 對(duì)產(chǎn)自Sulcis Coal Province 的干燥基煤樣的誘導(dǎo)溶脹率[25，29-30]

如圖3 所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)煤樣和壓力相同時(shí)，隨著溫度升高，體積溶脹率下降。Ottiger 等[29]在45℃和60℃條件下，對(duì)煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。按照前述Pan 等[28]的研究結(jié)論，煤體的溶脹主要取決于煤體對(duì)流體的吸附量?；谶@一結(jié)論，溫度升高將導(dǎo)致CO2等流體的吸附量降低，因此會(huì)削弱溶脹程度。

對(duì)于煤階和溶脹率的關(guān)系，雖然Briggs 等[43]和Cui 等[39]在其研究中發(fā)現(xiàn)基質(zhì)溶脹率隨著煤階升高而增加，但多數(shù)研究表明煤階越低，煤基質(zhì)溶脹現(xiàn)象越明顯[44-47]。表1 歸納了CO2對(duì)不同煤級(jí)煤的誘導(dǎo)溶脹率。如表1 所示，低變質(zhì)程度褐煤的溶脹率明顯高于高變質(zhì)程度煙煤。分析認(rèn)為：相比高階煤，低階煤表面酸堿官能團(tuán)較多、活性高，與CO2流體之間的作用強(qiáng)度更顯著，因此溶脹效應(yīng)更明顯。

圖3 溫度對(duì)CO2 誘導(dǎo)Bowen 盆地煤樣體積溶脹率的 影響[36]

2.2 溶脹的可逆性與異質(zhì)性

對(duì)于CO2等流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹是否可逆，即煤基質(zhì)溶脹發(fā)生后，將CO2全部釋放，煤基質(zhì)能否恢復(fù)到初始狀態(tài)存在很大的爭(zhēng)議。Goodman 等[20]根據(jù)ATR-FTIR 的結(jié)果，認(rèn)為溶脹過(guò)程不可逆。此外，多數(shù)學(xué)者也堅(jiān)持不可逆的觀點(diǎn)[46，49，53-54]。相反，Day 等[36]采用光學(xué)法測(cè)量煤基質(zhì)溶脹，結(jié)果表明CO2作用前后煤基質(zhì)的孔隙未發(fā)生明顯變化，因此認(rèn)為該過(guò)程可逆。Ceglarska-Stefańska 等[55]認(rèn)為溶脹過(guò)程中進(jìn)入煤體內(nèi)的CO2分子充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用，減壓可以使CO2分子完全解吸，因此煤基質(zhì)可以恢復(fù)到初始狀態(tài)。上述學(xué)者關(guān)于溶脹可逆性能的分歧可能與實(shí)驗(yàn)煤樣、實(shí)驗(yàn)操作條件（如溫度和壓力）和溶脹測(cè)量方法的差異有關(guān)，建議聯(lián)用多種表征手段，在特定操作條件下對(duì)不同煤階煤進(jìn)行溶脹可逆性能的研究，以最終明確溶脹過(guò)程是否可逆的問(wèn)題。

CO2等流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹的異質(zhì)性主要包括煤體維度的異質(zhì)性以及煤體顯微組分異質(zhì)性兩方面。煤體維度的異質(zhì)性是指垂直于煤層的溶脹程度大于平行于煤層的溶脹程度。Day 等[36]針對(duì)3 種澳大利亞煤，在壓力為15MPa 的條件下對(duì)CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，對(duì)于Hunter 峽谷和Bowen 盆地的低變質(zhì)程度煤，其垂直于煤層的溶脹程度比平行于煤層的溶脹程度高約70%；對(duì)于Illawarra 的高變質(zhì)程度煤，其垂直于煤層的溶脹程度比平行于煤層的溶脹程度高約30%。此外，很多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律[40，49，51，56]。由于CO2等流體進(jìn)入垂直于煤層方向的能壘比平行于煤層方向的能壘要低[51]，因而垂直于煤層方向上的溶脹更為顯著。煤體顯微組分的異質(zhì)性是指煤體中不同顯微組分表現(xiàn)出不同的溶脹效應(yīng)，即煤中鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組發(fā)生溶脹現(xiàn)象，而惰質(zhì)組、黏土組分發(fā)生收縮現(xiàn) 象[19，57]。由于鏡質(zhì)組分布較多微孔，惰質(zhì)組含有較多介孔和大孔，因此CO2等流體在惰質(zhì)組結(jié)構(gòu)中停留時(shí)間相對(duì)較短，溶脹不明顯。Karacan 等[19]采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線斷層掃描（CT）技術(shù)驗(yàn)證了這一結(jié)論。

表1 CO2 對(duì)不同煤級(jí)煤的誘導(dǎo)溶脹率

3 溶脹效應(yīng)對(duì)煤體滲透率的影響

煤層滲透性是指在一定壓差下，允許流體通過(guò)其連通孔隙的性質(zhì)，其反映煤層傳導(dǎo)流體的能力，通常用滲透率表征煤層滲透性大?。ǔＳ脝挝唬汉吝_(dá)西，md，1md=0.987×10-3μm2）。因此，煤層滲透率的高低將會(huì)影響待封存CO2流體的可注入性及其在煤儲(chǔ)層內(nèi)的有效運(yùn)移。

截至目前的研究結(jié)果，表明CO2對(duì)煤基質(zhì)誘導(dǎo)溶脹效應(yīng)將壓縮割理結(jié)構(gòu)，從而降低煤層的滲透性能。Wong 等[58]依據(jù)我國(guó)山西沁水煤田封存CO2先導(dǎo)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)（13～16t/d）發(fā)現(xiàn)CO2注入井附近滲透率降低，因此削弱CO2可注入性。Siriwardane 等[59]利用瞬態(tài)壓力脈沖法測(cè)定與CO2發(fā)生作用的煤體的滲透率。結(jié)果表明，對(duì)于所有煤芯狀樣品：①煤體滲透率均隨著CO2作用時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷降低（降低幅度為30%～70%）；②在相同孔壓條件下（CO2流體壓力），煤體滲透率隨著圍壓升高而降低。Pini 等[27]以煤芯狀樣品為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，圍壓（Pc）一定，隨著CO2流體平衡壓力（Peq）的升高，煤體滲透率（k）和孔隙度（ε）均降低，這一變化關(guān)系可用公式（2）進(jìn)行定量描述。

式中，ε 為煤體孔隙度，量綱為1；ε0為煤體初始孔隙度，量綱為1；k 為煤體滲透率，量綱為1；k0為煤體初始滲透率，量綱為1；Pc為圍壓，bar（1bar=105Pa）；Peq為流體平衡壓力，bar；Ce為有效壓力系數(shù)，量綱為1；Cs，i為不同流體導(dǎo)致的煤體溶脹系數(shù)，量綱為1；EY為楊氏模量，Pa；K 為體積模量，Pa；s 為溶脹度，量綱為1。

CO2封存的同時(shí)會(huì)降低目標(biāo)煤層的滲透率，然而Fang 等[60]研究發(fā)現(xiàn)由CO2誘導(dǎo)溶脹效應(yīng)所導(dǎo)致煤體滲透率降低程度高于CH4和N2。因此，實(shí)施CO2-ECBM 技術(shù)，可以將CO2摻雜一定比例的N2或者其他煙氣組分，從而一定程度上降低煤層的溶脹率，提高煤層的可注入性。

4 溶脹效應(yīng)對(duì)煤體CO2 封存容量的 影響

CO2等流體在煤基質(zhì)表面的吸附會(huì)誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹，煤基質(zhì)發(fā)生溶脹又會(huì)改變煤基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，從而又會(huì)對(duì)煤基質(zhì)的吸附性能產(chǎn)生影響，因此，CO2等流體在煤基質(zhì)表面的吸附作用與溶脹作用是一種耦合關(guān)系。對(duì)于CO2等流體在煤體上吸附與解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，多數(shù)研究工作并未考慮溶脹效應(yīng)，相關(guān)模型擬合得到的最大吸附容量等參數(shù)存在一定偏差，從而會(huì)影響實(shí)際煤層CO2封存量及CH4采收量的客觀評(píng)價(jià)[61-63]，因此需要針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展研究工作。目前，研究人員主要通過(guò)建立關(guān)聯(lián)溶脹作用與吸附作用的耦合模型，從而更為客觀地解析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。上述耦合模型建立的基本思路是將單純描述溶脹效應(yīng)的模型嵌套于等溫吸附模型中，從而獲得考慮溶脹效應(yīng)的吸附模型。描述溶脹效應(yīng)的模型主要包括Langmuir 模型[40]、ARI（advanced resources international）模型[64]以及P&M 模型[65]和PC 模 型[66]。上述模型的具體數(shù)學(xué)形式見(jiàn)表2。

其中，ARI 模型對(duì)于未飽和煤儲(chǔ)層的溶脹效應(yīng)具有較高的模擬精度。P&M 模型適用于描述基質(zhì)應(yīng)變與流體濃度的關(guān)系不顯著時(shí)的溶脹效應(yīng)。Pan 和Connell 假設(shè)因吸附效應(yīng)導(dǎo)致的表面能變與煤體的彈性能變相等，建立了PC 模型。由于PC 模型能夠很好地描述因吸附導(dǎo)致煤基質(zhì)溶脹率與流體種類及壓力的關(guān)系，普適性較高，為此，后續(xù)研究人員首選 PC 模型用于與吸附模型的耦合。Chareonsuppanimit 等[17]將PC 模型與較高描述精度的局域密度模型（simplified local density，SLD）進(jìn)行耦合，建立了SLD-PC 模型。通過(guò)對(duì)大量吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，SLD-PC 模型由于考慮了溶脹對(duì)于煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響，因此能夠針對(duì)高壓條件下的CO2等流體在煤體上的吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確描述（圖4）。

表2 描述溶脹效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型

圖4 SLD-PC 模型對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果[27，34]

需要指出，耦合溶脹效應(yīng)的吸附模型的研究工作雖然有助于提高CO2等流體在煤體上的吸附或解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解析精度，但畢竟屬于理論推導(dǎo)范疇，且通過(guò)非線性擬合的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模型參數(shù)的求解，參數(shù)擬合結(jié)果具有一定主觀性。因此，后續(xù)研究工作除了進(jìn)一步強(qiáng)化溶脹-吸附耦合模型中涉及參數(shù)的物理意義與理論基礎(chǔ)外，更應(yīng)該從實(shí)驗(yàn)科學(xué)的角度，利用先進(jìn)的儀器表征手段明確溶脹效應(yīng)對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用規(guī)律，從而進(jìn)一步將孔結(jié)構(gòu)與煤體吸附性能進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，只有這樣才能精確解析涵蓋吸附-溶脹作用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而客觀地評(píng)估目標(biāo)煤層的CO2封存量或者可采收CH4的資 源量。

5 溶脹效應(yīng)測(cè)量方法

溶脹的精確測(cè)量對(duì)于研究CO2等流體誘導(dǎo)煤基質(zhì)的溶脹效應(yīng)具有重要的意義。截至目前，直接測(cè)量煤基質(zhì)溶脹率的方法主要包括光學(xué)法、膨脹法、應(yīng)變法、聲發(fā)射法以及線性可變差動(dòng)傳感器法（表3）。光學(xué)法（optical），即利用拍照的方法（如采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)）觀察溶脹過(guò)程中煤樣長(zhǎng)度的變化，從而確定溶脹率。膨脹法（dilatometric），即將探針?lè)湃朊簶又衼?lái)測(cè)量煤樣長(zhǎng)度的變化。應(yīng)變法（strain measurement），即通過(guò)應(yīng)力計(jì)來(lái)測(cè)量煤樣長(zhǎng)度的變化。聲發(fā)射法（acoustic emission），即通過(guò)監(jiān)測(cè)由于煤樣受到外界作用而內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力波來(lái)測(cè)量煤樣長(zhǎng)度的變化。線性可變差動(dòng)傳感器法（linear variable differential transducer，LVDT），即采用高靈敏度的線性可變差動(dòng)傳感器測(cè)量煤樣的 變化。

表3 直接測(cè)量溶脹的方法

上述幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)變測(cè)量法所用煤樣對(duì)儲(chǔ)層的代表性較好，但其測(cè)量的平衡時(shí)間較長(zhǎng)。膨脹測(cè)定法適用于壓力較低的情況，但其頂端探針的負(fù)荷會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[21]。光學(xué)法測(cè)壓范圍廣，平衡時(shí)間短，精確度高[70]。聲發(fā)射法對(duì)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化敏感，測(cè)量準(zhǔn)確，但易受到外界噪聲干擾。線性可變差動(dòng)傳感器法適用范圍寬泛，測(cè)量精度高，同時(shí)可以將氣體吸附量與煤樣溶脹變化率直接 關(guān)聯(lián)。

此外，通過(guò)測(cè)定氣體的吸附量或者吸附溶脹模型可以間接計(jì)算溶脹率[71]，但由于存在較多假設(shè)條件，因此溶脹率測(cè)算精度較低。綜上，煤體溶脹率精確測(cè)量應(yīng)首選光學(xué)法或線性可變差動(dòng)傳感器法。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

利用深部煤層實(shí)現(xiàn)CO2的封存具有減少主要人為溫室氣體排放規(guī)模的潛力，但由于待封存的CO2流體特性以及煤層特征，封存過(guò)程中CO2將會(huì)誘導(dǎo)煤基質(zhì)發(fā)生溶脹效應(yīng)，從而對(duì)煤層封存CO2構(gòu)成潛在的影響。國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層封存CO2過(guò)程中的基質(zhì)溶脹效應(yīng)研究已開(kāi)展深入的研究工作，并取得了共識(shí)性結(jié)論，主要包括：①煤基質(zhì)溶脹程度與流體種類、壓力、溫度以及煤的變質(zhì)程度有關(guān)；②CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹會(huì)降低煤層的滲透性能，進(jìn)而對(duì)CO2在煤層內(nèi)部的有效運(yùn)移產(chǎn)生不利的影響；③溶脹效應(yīng)會(huì)改變煤基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響煤層的CO2封存性能。然而，基于儲(chǔ)層條件下CO2的流體特性以及煤理化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)仍需要在以下兩方面開(kāi)展深入的研究工作。①CO2誘導(dǎo)基質(zhì)溶脹的可逆性及其溶脹機(jī)理。目前針對(duì)CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹的可逆性存在爭(zhēng)議，同時(shí)對(duì)于煤基質(zhì)溶脹機(jī)理的描述仍只是推測(cè)。為此，研究人員需要從煤理化結(jié)構(gòu)的解析以及綜合運(yùn)用多種溶脹觀測(cè)手段來(lái)明確可逆性及溶脹機(jī)理。②客觀評(píng)價(jià)溶脹效應(yīng)對(duì)煤體封存CO2容量的影響。由于CO2在煤基質(zhì)表面上的吸附行為和煤基質(zhì)的溶脹效應(yīng)是相互耦合的關(guān)系，目前針對(duì)煤體的CO2封存量的評(píng)價(jià)大多只考慮吸附作用并未考慮溶脹效應(yīng)，不利于客觀地評(píng)價(jià)目標(biāo)煤層的CO2封存性能。因此，建議利用N2（或CO2）吸附/脫附、小角X 射線散射（SAXS）或小角中子散射（SANS）等孔結(jié)構(gòu)表征手段精確測(cè)量溶脹過(guò)程中煤基質(zhì)的孔隙變化，從而明確溶脹對(duì)于基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律，有助于從實(shí)驗(yàn)角度建立耦合溶脹效應(yīng)的吸附模型，最終有助于客觀評(píng)價(jià)目標(biāo)煤層的CO2封存容量。

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