煤層儲(chǔ)存CO2能力的地應(yīng)力響應(yīng)特征

趙中玲

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)陽泉有限公司，山西 陽泉 045000）

由于化石燃料（煤炭、石油、天然氣等）的高消耗，全球溫室氣體濃度在大幅上升，導(dǎo)致全球變暖等環(huán)境問題[1-4]。為了減緩環(huán)境退化的速度，不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)鍵問題是減少溫室氣體，特別是二氧化碳。而碳捕集與封存（CCS）技術(shù)是最有效的方法之一[5-6]，該系統(tǒng)可以捕獲發(fā)電和工業(yè)過程中使用化石燃料產(chǎn)生的90%的二氧化碳排放。近幾十年來，為了提高常規(guī)油氣、煤層氣和頁巖氣的注采采收率，開發(fā)了一系列地質(zhì)封存二氧化碳技術(shù)[7-8]。到目前為止，煤層CO2封存的研究成果主要包括以下5個(gè)方面：①不同儲(chǔ)層條件（溫度、壓力、煤變質(zhì)程度、平衡含水率）下純CO2或CH4在煤中的吸附特性[9-10]；②不同儲(chǔ)層條件下煤中混合CO2/CH4吸附特性[11]；③煤中飽和CH4的CO2驅(qū)油行為[12]；④CO2吸附煤基質(zhì)膨脹效應(yīng)[13]；⑤煤層CO2封存潛力評(píng)價(jià)[14-15]。這些研究將有助于深入了解煤層CO2封存的潛在效益和實(shí)際問題[16-17]，但不同應(yīng)力狀態(tài)下煤對(duì)CO2吸附的影響進(jìn)行的研究較少[18]?；诖耍ㄟ^搭建煤體加載吸附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下煤體對(duì)CO2的吸附能力進(jìn)行測(cè)試研究。

1 煤樣和測(cè)試系統(tǒng)

研究的目的是在機(jī)械應(yīng)力作用下，用體積法測(cè)定二氧化碳在煤上的吸附等溫線。研究采用從5個(gè)硬煤礦采集的煤樣進(jìn)行研究：寧武煤田平朔礦區(qū)（PS），西山煤田古交礦區(qū)（GJ）、沁水煤田晉城礦區(qū)（JC）、霍西煤田霍州礦區(qū)（HZ）和河?xùn)|煤田柳林礦區(qū)（LL）。井下采集的煤樣在實(shí)驗(yàn)室粉碎、篩分出粒度<0.2 mm的顆粒煤。在此，將采用顆粒煤制作成型煤，而后在不同壓力下進(jìn)行煤的CO2吸附分析。

在將粉煤倒入特制的壓模內(nèi)（外徑為40 mm，壁厚為5 mm）內(nèi)，采用液壓萬能壓力機(jī)進(jìn)行加載，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括3部分：①加載控制系統(tǒng)：主要有伺服千斤頂、壓模罐體及加壓活塞。采用伺服千斤頂對(duì)煤樣進(jìn)行雙向加載，為了保證氣密性，在加壓活塞上設(shè)置了密封環(huán)；②變形測(cè)試系統(tǒng)：主要有引伸計(jì)和數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時(shí)采集加載時(shí)的變形；③吸附充氣系統(tǒng)：主要有高壓氣瓶（CO2）、真空泵、參考罐及附屬器件，對(duì)壓制成型煤樣進(jìn)行CO2吸附性能測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Testing system

2 力學(xué)性能測(cè)試

在壓制型煤時(shí)，為了確定側(cè)向推力系數(shù)η和泊松比υ，需進(jìn)行一些變形測(cè)試。為此，將引伸計(jì)對(duì)稱固定在裝置的側(cè)面（圖1），其目的是測(cè)量施加軸向壓應(yīng)力引起的應(yīng)變。應(yīng)力之間的關(guān)系如下：

式中：η為側(cè)向推力系數(shù)，η=υ/（1－υ）；υ為泊松比；σr、σz分別為徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

以沁水煤田晉城礦區(qū)（JC）煤樣為例，煤樣壓制過程徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的關(guān)系如圖2。

圖2 煤樣壓制過程徑向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Relationship between radial stress and axial stress

根據(jù)軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力關(guān)系，得到的煤樣參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。對(duì)于JC煤樣，加載/卸載過程應(yīng)變變化如圖3。

表1 煤樣參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of coal parameters

圖3 加載/卸載過程應(yīng)變變化Fig.3 Strain change during loading/unloading

從圖3可以看出，最大加載力4 kN時(shí)應(yīng)變隨加載力的變化，管壁最大應(yīng)變?yōu)?.012 1%。隨后，在卸載時(shí)煤樣中存在一定的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)變的大小約為0.000 3%。隨后進(jìn)行在最大加載力10 kN時(shí)進(jìn)行加載，管壁最大應(yīng)變?yōu)?.029 6%；然后卸載，殘余應(yīng)變?yōu)?.000 6%。

由此，在已知應(yīng)變值、鋼的楊氏模量和圓柱體的幾何尺寸的情況下，計(jì)算煤中的徑向應(yīng)力σr：

式中：E為鋼的彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變；D1、D2分別為圓柱體的內(nèi)徑和外徑，m。

對(duì)于JC煤樣，加載/卸載過程徑向應(yīng)力變化如圖4。從圖4可以看出，在最大加載力4、10 kN時(shí)加載煤樣的殘余徑向應(yīng)力（即卸載力直至為0時(shí)對(duì)應(yīng)的徑向應(yīng)力）分別為2.51、4.44 MPa。

圖4 加載/卸載過程徑向應(yīng)力變化Fig.4 Change of radial stress during loading/unloading

根據(jù)已知的煤表觀密度ρb和煤基體密度ρs，型煤的孔隙率φ計(jì)算如下：

利用Micrometrics公司提供的GeoPyc儀器，采用準(zhǔn)液體法測(cè)定煤樣的表觀孔隙率。被壓制煤樣的孔隙率取決于施加的壓應(yīng)力σz，被壓制煤樣孔隙率與軸向應(yīng)力關(guān)系如圖5。

從圖5可以看出，隨著軸向應(yīng)力增大，被壓制煤樣的孔隙率呈冪指數(shù)減小，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95以上。

圖5 被壓制煤樣孔隙率與軸向應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationship between porosity and axial stress

PS煤樣：φ＝0.337 1×0.977 5σz（R2=0.987 4）

GL煤樣：φ＝0.322 2×0.971 1σz（R2=0.972 3）

JC煤樣：φ＝0.355 6×0.981 2σz（R2=0.991 5）

HZ煤樣：φ＝0.301 9×0.969 3σz（R2=0.976 6）

LL煤樣：φ＝0.260 3×0.968 6σz（R2=0.953 1）

3 CO2 附結(jié)果與分析

用容量法對(duì)每種煤樣在室溫內(nèi)（25℃）下進(jìn)行CO2吸附測(cè)試測(cè)試過程以下：①在壓制模中裝入松散煤樣，抽真空后進(jìn)行CO2吸附測(cè)試；②排出CO2氣體后，在4 kN壓力下壓制煤樣后，根據(jù)給定的壓力載荷σz，計(jì)算孔隙率和徑向應(yīng)力σr；③進(jìn)行CO2吸附測(cè)量，以確定已知應(yīng)力σr平均值的吸附等溫線；④分別在10、20、40 kN壓力下，重復(fù)步驟②和步驟③；⑤換另一種煤樣，重復(fù)步驟①～步驟④。

在吸附測(cè)量之前，采用真空泵對(duì)煤樣抽真空（真空度為5×10-2Pa）。而后通過頻率為0.5 Hz的壓力傳感器測(cè)量吸附過程中的壓力變化。對(duì)于每個(gè)型煤的CO2吸附，至少測(cè)試5個(gè)平衡壓力點(diǎn)，在高達(dá)10 MPa的范圍內(nèi)測(cè)定吸附等溫線。以霍西煤田霍州礦區(qū)HZ煤樣的CO2吸附測(cè)試結(jié)果為例，HZ煤樣在25℃時(shí)的CO2吸附等溫線如圖6。

圖6 HZ煤樣在25℃時(shí)的CO2吸附等溫線Fig.6 CO2 adsorption isotherm of HZ coal at 25℃

由圖6可知，隨著軸向應(yīng)力的增加，煤中CO2的吸附量降低。以Langmuir方程對(duì)CO2吸附等溫線進(jìn)行擬合，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99以上，計(jì)算如下：

式中：q為平衡壓力p下二氧化碳的吸附量，mL/g；a為L(zhǎng)angmuir吸附容量，mL/g；b為煤-氣系統(tǒng)的常數(shù)，MPa-1；p為氣體壓力，MPa。

對(duì)不同加載后的煤樣進(jìn)行CO2等溫吸附后，采用Langmuir擬合得到的參數(shù)a、b值及對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力，不同煤樣軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的吸附擬合參數(shù)見表2。

表2 不同煤樣軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的吸附擬合參數(shù)Table 2 Adsorption fitting parameters for axial stress

從表2可以看出，寧武煤田平朔礦區(qū)PS煤樣，其最大吸附容量為24.41 mL/g。西山煤田古交礦區(qū)GJ煤樣對(duì)CO2的吸附能力最小。不同煤樣最大吸附量與軸向應(yīng)力的關(guān)系如圖7。

圖7 煤樣最大吸附量與軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.7 Relationship between maximum adsorption capacity of coal samples and axial stress

煤樣的最大吸附量隨軸向應(yīng)力的變化規(guī)律可采用線性方程a=am-kσz來描述，其中am是σz=0時(shí)的Langmuir吸附量，k為系數(shù)。朗繆爾系數(shù)在特定煤樣中的可變性見表3。由表3可知，給出了煤樣最大吸附量與軸向應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)擬合參數(shù)am0和k，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.92以上。其中，k為隨軸向應(yīng)力增大吸附量的遞減率。也就是說，若將軸向應(yīng)力看作地應(yīng)力，煤層的埋深對(duì)煤體吸附CO2影響明顯。埋深對(duì)煤層CO2最大吸附量影響規(guī)律如圖8。

表3 朗繆爾系數(shù)在特定煤樣中的可變性Table 3 Changeability of Langmuir’s coefficients

圖8 埋深對(duì)煤層CO2最大吸附量影響規(guī)律Fig.8 Influence of buried depth on maximum CO2 adsorption capacity in coal seam

如西山煤田古交礦區(qū)GL煤樣，最大吸附量am隨軸向應(yīng)力增大的變化量k值最?。ǖ貞?yīng)力每增大1 MPa，最大吸附量減小0.059 3 mL/g）；霍西煤田霍州礦區(qū)HZ煤樣最大吸附量am隨軸向應(yīng)力增大變化量k值最大（地應(yīng)力每增大1 MPa，最大吸附量減小0.114 4 mL/g）。隨著地應(yīng)力增大，不同煤田煤樣最大吸附量變化從0.059 3 mL/g到0.114 4 mL/g不等，平均變化約為0.089 4 mL/g。如果假設(shè)覆蓋巖石的平均密度為ρ=2 500 kg/m3，則1 000 m深度處的地應(yīng)力大約為25 MPa。在此地應(yīng)力下，煤對(duì)CO2的吸附量大約減少10.75%（從PS煤樣的7.5%到LL煤樣的13.25%）。

4 結(jié) 語

通過加載吸附試驗(yàn)裝置，對(duì)5種煤樣在不同加載條件下進(jìn)行CO2吸附測(cè)試。研究結(jié)果表明：隨著軸向應(yīng)力增大，被壓制煤樣的孔隙率呈冪指數(shù)減??；隨著軸向應(yīng)力的增加，煤中CO2的吸附量呈線性降低。型煤中增大1 MPa的應(yīng)力將Langmuir的最大吸附量減少約0.43%（平均值），即在零應(yīng)力下獲得的煤的最大吸附量。地應(yīng)力對(duì)煤體吸附能力的影響非常大，因此在CO2地下儲(chǔ)存方面應(yīng)予以考慮。