無(wú)煙煤各向異性吸附膨脹動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

趙楷棣，傅雪海

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467099；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

煤層中注入CO2既可以實(shí)現(xiàn)碳封存又可以提高煤層氣的抽采率，具有環(huán)境和能源方面的雙重優(yōu)勢(shì)[1]，是碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)的重要方向[2]，也是我國(guó)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效途徑之一[3]。近20 年來(lái)，我國(guó)在CO2驅(qū)替煤層氣（CO2-ECBM）方面開展了大量的研究工作，也在沁水盆地和鄂爾多斯地區(qū)進(jìn)行了系列現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)[4]。CO2注入煤層后吸附于煤基質(zhì)孔隙中，可誘發(fā)煤基質(zhì)膨脹變形[5]。煤基質(zhì)膨脹可壓縮煤層中存在的裂隙，造成裂隙變窄、甚至閉合，直接導(dǎo)致煤層滲透率顯著降低[6-7]，這是造成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中CO2可注性衰減的首要原因。對(duì)此，前人開展了大量關(guān)于注CO2煤巖膨脹變形的研究工作，主要關(guān)注煤階、CO2壓力、含水量和地應(yīng)力的影響。Reucroft 和Sethurman 研究了褐煤、亞煙煤和煙煤的CO2吸附膨脹變形，發(fā)現(xiàn)煤巖吸附膨脹應(yīng)變和碳含量成反比[8]；Hol 和Spiers 認(rèn)為在20 MPa之內(nèi)，CO2注入壓力的增大顯著提高煤巖的膨脹應(yīng)變[9]；Kiyama 等對(duì)比干燥和飽水煤巖中注CO2的膨脹應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)水分減少了煤對(duì)CO2的吸附，降低了煤吸附膨脹[10]；Majewska 等發(fā)現(xiàn)受限條件下煤巖吸附膨脹降低，證實(shí)地應(yīng)力對(duì)膨脹變形具有負(fù)效應(yīng)[11]。另外，部分學(xué)者也關(guān)注了煤巖吸附CO2的各向異性變形特征，認(rèn)為垂直層理方向煤巖變形量要大于平行層理方向[12]。盡管前人已開展大量研究，但是對(duì)于煤巖三向各向異性膨脹變形及各向異性變形機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。因此，以采自沁水盆地?zé)o煙煤為研究對(duì)象，采用立方煤樣開展煤巖CO2吸附量及各向異性膨脹應(yīng)變實(shí)驗(yàn)研究，探索注CO2過(guò)程中各向異性膨脹規(guī)律，闡明吸附量和各向異性膨脹變形之間的關(guān)系，目的是揭示煤巖注入CO2各向異性膨脹變形機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

沁水盆地是國(guó)內(nèi)首個(gè)成功商業(yè)化開發(fā)的煤層氣盆地，也是CO2-ECBM 先導(dǎo)性試驗(yàn)基地。研究選取沁水盆地南部3#煤層作為研究對(duì)象。首先識(shí)別出所采集的大塊煤樣的層理、端割理和面割理；然后，沿著層理、端割理和面割理方向?qū)⒚簤K切割，制作成3 cm×3 cm×3 cm 的立方煤樣，樣品表面用砂紙打磨光滑。

實(shí)驗(yàn)采用煤巖吸附量及膨脹變形測(cè)試裝置。裝置主要有氣體注入系統(tǒng)、樣品室、應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和真空泵組成。其中，氣體注入系統(tǒng)包括CO2和He 氣瓶、增壓泵、參考缸、壓力傳感器、電熱偶和調(diào)壓閥等，可以為實(shí)驗(yàn)提供特定溫度和壓力的氣體。樣品室用于儲(chǔ)存煤樣，是開展氣體吸附及變形監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所。應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括DH-3818 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)，用于測(cè)量和記錄煤巖的應(yīng)變量。真空泵用于給整個(gè)裝置抽真空，去除裝置內(nèi)的空氣。煤巖吸附量及膨脹變形測(cè)試裝置如圖1。

圖1 煤巖吸附量及膨脹變形測(cè)試裝置Fig.1 Test device for adsorption capacity and swelling deformation of coal-rock

實(shí)驗(yàn)裝置最大允許壓力為60 MPa，最大允許溫度為90 ℃。壓力和溫度的精度分別為±0.01 MPa和±0.01 ℃。參考缸和樣品室的容積均為2 000 mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及計(jì)算方法

為研究CO2注入過(guò)程中煤巖的吸附及變形特征，吸附量測(cè)試采用體積法，實(shí)驗(yàn)前分別采用He 標(biāo)定自由空間體積，再通過(guò)計(jì)算得到樣品的吸附量。依據(jù)氣體質(zhì)量守恒可得和理想氣體狀態(tài)方程可得：

式中：△nr、ne、nf分別為參考缸減少的氣體量、過(guò)剩吸附量和自由空間內(nèi)氣體量，mmol/g；△pr為參考缸壓力變化值，MPa；Vr為參考缸體積，mL；ZCO2為CO2的氣體壓縮因子，無(wú)量綱；R 為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）；T 為溫度，K。

式中：ρg、ρa(bǔ)分別為氣體自由相和吸附相密度，cm3/g。

實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，CO2注入壓力分別為1、3、5、7、9、11 MPa。通過(guò)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)注CO2煤巖動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，將應(yīng)變片沿著平行面割理方向和平行端割理方向和垂直層理方向進(jìn)行粘貼。同樣，注CO2煤巖的變形包括吸附變形和應(yīng)力改變引起的變形，實(shí)驗(yàn)前，在同樣條件下注He 監(jiān)測(cè)煤巖變形，通過(guò)對(duì)比注CO2和注He 煤巖的應(yīng)變，獲得CO2吸附膨脹應(yīng)變。

煤巖體積應(yīng)變可由不同方向上的應(yīng)變計(jì)算得到。假定lx、ly和lz分別代表端割理、面割理和層理的寬度，則△lx、△ly和△lz分別代表平行面割理方向、平行端割理方向和垂直層理方向煤巖的變形量，則煤巖的體積應(yīng)變?chǔ)臯為：

式中：εx、εy、εz分別為平行面割理方向、平行端割理方向、垂直層理方向煤巖應(yīng)變量，無(wú)量綱。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究煤樣的鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max為2.63%，屬于無(wú)煙煤。其中鏡質(zhì)組含量為78.65%，惰質(zhì)組含量為17.52%，殼質(zhì)組含量為0.25%，另外還含有3.58%的礦物質(zhì)。工業(yè)分析結(jié)果顯示，煤樣中水分含量為0.48%，灰分產(chǎn)率為5.95%，揮發(fā)份產(chǎn)率為25.63%，固定碳含量為67.94%。

煤巖吸附量隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖2。隨著注入時(shí)間的延長(zhǎng)，煤巖的吸附量呈現(xiàn)“快速增長(zhǎng)-緩慢增長(zhǎng)-吸附平衡”的演化趨勢(shì)。CO2注入時(shí)間在10 h之前，吸附量快速增大，可達(dá)最大吸附量的75%以上；當(dāng)CO2注入時(shí)間從10 h 到20 h 過(guò)程中，CO2吸附量緩慢增長(zhǎng)；在CO2注入時(shí)間大于20 h 之后，吸附量幾乎不變，達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。另外，CO2累積吸附量隨著CO2注入壓力的增大而增大，從1、3、5、7、9 MPa 到11 MPa，最大吸附量從16.39、23.63、32.32、35.24、38.08 cm3/g 增加到39.97 cm3/g，證實(shí)提高CO2注入壓力可顯著增加煤巖對(duì)CO2的吸附量。

圖2 煤巖吸附量隨時(shí)間的變化過(guò)程Fig.2 Variation process of adsorption capacity of coal-rock with CO2 injection time

煤巖應(yīng)變隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖3。注CO2煤巖體積應(yīng)變呈現(xiàn)階段性變化特征，在注入10 h 后，煤巖體積變形趨于穩(wěn)定。注入CO2后煤巖首先受到體積壓縮，此后，CO2氣體進(jìn)入煤巖內(nèi)部，煤巖所受的有效應(yīng)力降低，體積壓縮恢復(fù)、并出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，當(dāng)CO2分子通過(guò)滲流、擴(kuò)散吸附于煤巖孔隙中后，引起基質(zhì)膨脹，體積應(yīng)變急劇增大，當(dāng)達(dá)到吸附平衡后，煤巖體積變形區(qū)趨于定。

圖3 煤巖應(yīng)變隨時(shí)間的變化過(guò)程Fig.3 Variation process of strain of coal-rock with CO2 injection time

3 分析與討論

3.1 煤巖CO2 吸附能力

實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的CO2吸附量是過(guò)剩吸附量，在CO2高壓階段，CO2過(guò)剩吸附量出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，與前人研究相一致[13-14]。然而，過(guò)剩吸附量并不能反映煤巖的真實(shí)吸附能力。由式（3）可知，造成過(guò)剩吸附量和絕對(duì)吸附量差異的關(guān)鍵是ρg/ρa(bǔ)值的大小。隨著CO2注入壓力的增大，CO2的密度也急劇升高。當(dāng)CO2壓力低于5 MPa 時(shí)，自由相密度和吸附相密度差異較大，ρg/ρa(bǔ)趨于0，故過(guò)剩吸附量和絕對(duì)吸附量接近；當(dāng)CO2壓力高于5 MPa 時(shí)，自由相密度和吸附相密度差異不大，ρg/ρa(bǔ)的作用顯現(xiàn)，造成過(guò)剩吸附量明顯低于絕對(duì)吸附量，表現(xiàn)在過(guò)剩吸附量曲線急劇下降[15]。

CO2絕對(duì)吸附量和CO2注入壓力之間的變化關(guān)系可用Langmuir 方程來(lái)描述，不同CO2注入壓力下煤巖的吸附量如圖4，V 為吸附量，p 為CO2注入壓力，兩者具有較高的可比性，相關(guān)性系數(shù)R2為0.986。所得Langmuir 體積為48.14 cm3/g，Langmuir 壓力為2.48 MPa。

圖4 不同CO2 注入壓力下煤巖的吸附量Fig.4 Adsorption capacity of coal under different CO2 injection pressures

3.2 注CO2 煤巖各向異性吸附膨脹特征

煤巖吸附氣體之后可發(fā)生膨脹變形，且眾多學(xué)者均發(fā)現(xiàn)煤巖吸附膨脹呈現(xiàn)出各向異性的特征[16-19]。前人主要考慮垂直層理和平行層理方向應(yīng)變，一般認(rèn)為垂直層理方向煤巖吸附膨脹應(yīng)變是平行層理方向的1～2 倍[20]。

煤巖各向異性吸附膨脹應(yīng)變值見表1。研究發(fā)現(xiàn)注CO2后煤巖垂直層理方向應(yīng)變最大（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），而平行端割理方向應(yīng)變最?。? 217.65×10-6～5 251.71×10-6）。垂直層理方向應(yīng)變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；而平行面割理方向應(yīng)變是平行端割理方向的1.23～1.50 倍。

表1 煤巖各向異性吸附膨脹應(yīng)變值Table 1 Anisotropic adsorption swelling strain values of coal-rock

煤巖吸附CO2宏觀變形是由大量基質(zhì)塊吸附膨脹的整體展示，因此煤巖各向異性膨脹變形和煤巖組分及不連續(xù)結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。

煤巖具有復(fù)雜的組分，致使基質(zhì)吸附膨脹具有明顯的非均質(zhì)性，鏡煤含量豐富的區(qū)域常具有較大的變形量[21]。此外，煤巖內(nèi)大量發(fā)育層面裂隙和割理，面割理和端割理相互垂直，且均正交于層面裂隙。煤巖割理及層面裂隙展布示意圖如圖5[22]。

圖5 煤巖割理及層面裂隙展布示意圖Fig.5 Schematic of cleats and bedding plane fissures distribution in coal-rock

平行層理方向的滲透率要大于垂直方向[23]，故，注入CO2后，沿平行層理方向滲流并吸附于基質(zhì)內(nèi)的CO2分子更多，因此，表現(xiàn)在其垂向的膨脹變形更大。對(duì)于平行面割理和端割理方向，基質(zhì)吸附膨脹首先壓縮割理的空間[18]，由于端割理數(shù)量少、尺寸小，端割理空間在基質(zhì)膨脹后先被填滿，表現(xiàn)在平行面割理方向的膨脹應(yīng)變大于平行端割理方向。

不同CO2注入壓力下煤巖吸附膨脹應(yīng)變?nèi)鐖D6。隨著CO2注入壓力的增大，平行面割理方向應(yīng)變、平行端割理方向應(yīng)變、垂直層理應(yīng)變和體積應(yīng)變均呈現(xiàn)非線性變化。

圖6 不同CO2 注入壓力下煤巖吸附膨脹應(yīng)變Fig.6 Adsorption swelling strain of coal-rock under different CO2 injection pressures

采用類Langmuir 模型擬合注入壓力和膨脹應(yīng)變之間的關(guān)系：

式中：ε 為應(yīng)變量，無(wú)量綱；p 為CO2注入壓力，MPa；a、b 為擬合參數(shù)。

煤巖各向異性吸附膨脹擬合結(jié)果見表2。相關(guān)系數(shù)R2在0.873～0.913 之間，可利用類Langmuir 模型預(yù)測(cè)不同注入壓力下煤巖的各向異性應(yīng)變。

表2 煤巖各向異性吸附膨脹擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of anisotropic adsorption swelling of coal-rock

3.3 煤巖CO2 吸附量和各向異性膨脹應(yīng)變的關(guān)系

CO2吸附是導(dǎo)致煤巖膨脹變形的直接原因。煤巖絕對(duì)吸附量和吸附膨脹應(yīng)變的關(guān)系如圖7。煤巖吸附膨脹隨著CO2絕對(duì)吸附量的增大而增大，呈現(xiàn)出非線性正相關(guān)的關(guān)系。

圖7 煤巖絕對(duì)吸附量和吸附膨脹應(yīng)變的關(guān)系Fig.7 Relationship between absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain of coal-rock

采用Slogistic 函數(shù)擬合所得結(jié)果，發(fā)現(xiàn)絕對(duì)吸附量和煤巖膨脹應(yīng)變符合“S”型曲線變化關(guān)系，擬合公式如下：

式中：ε 為應(yīng)變，無(wú)量綱；V 為絕對(duì)吸附量，cm3/g；c、d、k 為擬合參數(shù)。

絕對(duì)吸附量和吸附膨脹應(yīng)變擬合結(jié)果見表3。

表3 絕對(duì)吸附量和吸附膨脹應(yīng)變擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of absolute adsorption capacity and adsorption swelling strain

無(wú)論是平行面割理方向應(yīng)變、平行端割理方向應(yīng)變、垂直層理方向應(yīng)變還是體積應(yīng)變，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.9，因此Slogistic 函數(shù)可以很好地用來(lái)表征吸附量和膨脹變形之間的關(guān)系。

煤巖應(yīng)變的“S”型曲線變化趨勢(shì)和其內(nèi)部各向異性三維結(jié)構(gòu)息息相關(guān)[22，24]。CO2主要吸附于煤基質(zhì)塊的孔隙之中，由于基質(zhì)塊之間存在大量的裂隙或割理，基質(zhì)塊膨脹之后首先擠壓原生裂隙或割理，即發(fā)生內(nèi)部膨脹，而應(yīng)變片監(jiān)測(cè)的是外部膨脹，因此，在CO2吸附量較小時(shí)，吸附量對(duì)膨脹應(yīng)變影響不大。當(dāng)基質(zhì)膨脹擠壓裂隙或割理空間到一定程度后，基質(zhì)膨脹主要表現(xiàn)在外部膨脹，故膨脹應(yīng)變隨吸附量急劇增大。隨著吸附量繼續(xù)增大，內(nèi)部膨脹應(yīng)力促使裂隙或割理重新張開，外部膨脹變化較緩，當(dāng)煤巖內(nèi)部應(yīng)力處于平衡狀態(tài)時(shí)，膨脹變形趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1）煤巖注入CO2后體積發(fā)生變形，體積應(yīng)變隨時(shí)間呈現(xiàn)階段性變化關(guān)系，可分為增壓收縮階段、應(yīng)力膨脹階段、吸附膨脹階段和變形穩(wěn)定階段。CO2絕對(duì)吸附量和煤巖吸附膨脹應(yīng)變與CO2注入壓力之間均可用Langmuir 型模型來(lái)表征。

2）煤巖吸附膨脹變形呈現(xiàn)明顯的各向異性特征，注CO2后煤巖垂直層理方向應(yīng)變最大，其次是平行面割理方向，而平行端割理方向應(yīng)變最小，這與煤巖割理和層理三維展布有關(guān)。

3）煤巖絕對(duì)吸附量和煤巖膨脹應(yīng)變符合“S”型曲線變化關(guān)系，可用Slogistic 函數(shù)擬合。煤巖吸附CO2基質(zhì)膨脹首先以內(nèi)部膨脹為主，割理或裂隙遭受壓縮之后開始向外部膨脹，最終當(dāng)煤巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到平衡后，煤巖膨脹變形趨于穩(wěn)定。