Study on influence of coal seam water content on effect of CO2 isobaric diffusion displacing CH4
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摘要:
为了研究水分对煤层注CO2置换CH4效应的影响，采用自主研发的含瓦斯多元气体置换实验系统进行不同含水率煤对CH4和CO2吸附实验，研究结果表明：煤中水分的存在不影响CH4和CO2等温吸附曲线的规律以及煤吸附CH4和CO2能力大小的排序；相同吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CH4和CO2吸附量逐渐减小，水分对煤吸附CH4的抑制率大于煤吸附CO2的抑制率，这说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行等压扩散条件下不同含水率煤的注CO2置换CH4实验时，发现，相同含水率条件下，随着吸附平衡压力的增加，CH4的置换量和置换率不断增加，而CO2注置比不断减小，CH4的置换效果较好，而CO2的利用率较低。同一吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CO2储存量不断减少，与CH4置换量对比发现，相同条件下，CO2在煤体中的储存量始终高于CH4的置换量；当煤样含水率不变时，吸附平衡压力升高，煤样中CO2储存量和CH4置换量均随之变大，且CO2在煤体中的储存量也始终高于CH4的置换量。同一吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CH4的置换量和置换率及CO2注置比表现出下降的趋势，水分对CO2置换煤中CH4起抑制作用，煤样含水率越大，置换效果越差，抑制程度越高；CO2注置比下降梯度较小，程度不明显，水分对其影响较小。该研究成果进一步完善影响煤对气体吸附解吸因素的理论分析，将为注气抽采煤层气的工程应用提供理论依据。
Abstract:In order to study the influence of moisture on the effect of CH4 replacement by CO2 injection in coal beds, a gas-containing multi-gas replacement experimental system developed independently was used to conduct CH4 and CO2 adsorption experiments on coal with different water content. The results show that: the presence of moisture in coal does not affect the pattern of CH4 and CO2 isothermal adsorption curves and the ranking of the magnitude of the capacity of coal adsorption of CH4 and CO2; under the same adsorption equilibrium pressure, the amount of CH4 and CO2 adsorbed gradually decreases with the increase of the water content of coal samples. Under the same adsorption equilibrium pressure, the adsorption amount of CH4 and CO2 gradually decreased with the increase of the water content of the coal samples, and the inhibition rate of CH4 adsorption by water was larger than that of CO2 adsorption by coal, which indicated that the inhibition degree of water on the adsorption of weakly adsorbable gases by coal is larger. In the experiments of CH4 replacement by CO2 injection in coal with different water contents under isobaric diffusion conditions, it was found that, under the same water content conditions, with the increase of adsorption equilibrium pressure, the replacement amount and replacement rate of CH4 kept increasing, while the CO2 injection ratio kept decreasing, and the replacement effect of CH4 was better, while the utilization rate of CO2 was lower. Under the same adsorption equilibrium pressure, with the increase of the water content of coal samples, the CO2 storage quantity decreased continuously, and the comparison with the CH4 replacement quantity found that, under the same conditions, the storage quantity of CO2 in the coal body was always higher than the replacement quantity of CH4 when the water content of coal samples was unchanged, and the adsorption equilibrium pressure was increased, the CO2 storage quantity and CH4 replacement quantity of coal samples were both enlarged, and the storage quantity of CO2 in the coal body was also always higher than the replacement amount of CH4. Under the same adsorption equilibrium pressure, with the increase of water content of coal samples, the replacement amount and rate of CH4 and CO2 injection ratio showed a decreasing trend, and the moisture inhibited the replacement of CH4 in coal by CO2, and the larger the water content of coal samples was, the worse the replacement effect was, and the higher the degree of inhibition was; the gradient of the decrease of the CO2 injection ratio was small, and the degree of the decrease was not obvious, and the moisture had less influence on it. The research results further improve the theoretical analysis of the factors affecting the adsorption and desorption of coal on gas, which will provide a theoretical basis for the engineering application of gas injection and extraction of coalbed methane.
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Keywords:
- coalbed methane /
- isothermal adsorption /
- isobaric diffusion /
- moisture /
- displacement efficiency
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0. 前 言
我国具有丰富的煤层气资源，但由于煤层具有低透气性、低渗特性，使煤层内部的气体（如甲烷）不易透过煤层，渗透能力低，流动速度慢，使得煤层气的抽采效率低，已成为制约煤层气开发的瓶颈[1-2]。水力压裂[3-4]、水力冲孔[5-6]、水力割缝[7-8]等技术的发展，在改善煤层透气性的同时也实现了高效抽采，但是由于采后储压的不断降低，使得煤层气的回收率和产能急剧下降，难以达到预期的开采效果。为解决这一问题，国内外学者不断探索煤层增透的新方法。受“气驱油”理念的启发，美国率先在圣胡安盆地进行的注气驱替实验取得良好效果，提高了煤层气的采收率，使产量显著增加[9]。目前，注气驱替煤层瓦斯技术已成为提高煤层采收率，井下瓦斯强化抽采消突等方面的重要措施之一[10]，已在美国、日本、中国等国家展开相关研究。
国内外大量学者通过对煤进行单一气体吸附−解吸实验，发现煤对N2、CO2、CH4 3种气体的吸附能力大小顺序为CO2、CH4、N2[11-13]，表明CO2具有较强的竞争性吸附作用。杨天鸿等[14]指出注CO2促抽CH4的机制是置换作用到驱替作用转化的过程；王向浩等[15]选择2种不同阶煤对单组分CH4、CO2进行了吸附解吸实验，发现高阶煤比低阶煤具有较好的吸附性能；韩光等[13]进行了CO2注入压力对CH4驱替效率的影响研究，发现提高注入压力可以提高置换效率，增大CO2封存量；李波波等[16]对煤进行了吸附试验，发现干燥煤样CH4的饱和吸附量比平衡水煤样要大，水分使煤吸附CH4能力下降；樊亚庆[17]对水在煤中的置换作用进行了研究，发现煤体的置换速率经历了快速增长、缓慢持续、衰减到0的3个阶段，表明水对煤的吸附解吸具有显著的抑制效应；杨宏民等[18]开展了二元气体竞争吸附和置换解吸实验，发现煤对混合气体的吸附作用不受气体先后进入顺序和过程的影响，置换压力越大，CH4的置换效率越高，混合气体中强吸附性气体占比越多，置换效率越高；周西华等[19-20]通过研究注气压力对CO2置换CH4的影响效应发现，注气压力越大，置换效率越大，驱替效果越好；王晋等[21]利用柱状原煤开展了不同围压条件下注CO2置换煤层CH4的实验，发现注CO2可以有效提高煤层CH4采出率，且低围压时的置换效果更为明显；白刚等[22]研究了CO2注入温度对驱替量的影响，发现随着注气温度的升高，驱替出的CH4量和封存CO2数量增加；石强等[23]对不同气体、不同配比条件下的煤层气驱替规律进行了研究；李元星[24]开展了连续与间歇注空气驱替煤层气机理的试验研究。
目前，国内外学者对煤层注CO2置换CH4的实验，主要是针对干燥煤样进行的，但实际煤层中的煤含有一定量的水分，且煤层中水分含量并不相同，这些水分对煤吸附解吸瓦斯有一定影响，而煤的含水量对置换效应的影响如何，还需进一步研究。因此，笔者采用自主研发的实验装备针对煤层含水率对CO2置换CH4影响效应的差异性进行研究，为现场注气促抽瓦斯技术的应用提供理论基础等。
1. 实验装置与实验方法
1.1 煤样制备
实验煤样选取变质程度高、瓦斯含量大、具有代表性的无烟煤，且无烟煤的解吸量和置换速度最大，微小孔裂隙最多，实验结果更明显。
煤样取自山西阳泉上社二井，煤样基本参数见表1。考虑本实验的目的及过程，根据《MT/T752—1997煤的甲烷吸附量测定方法（高压容量法）》中对煤样粒度的要求和GB474—2008煤样制备方法，采用专业的碎煤设备，将煤样粉碎至0.18～0.25 mm粒径，然后放入105℃的恒温烘干箱中干燥8 h以上，以充分去除煤样中的水分，冷却至室温后在煤样罐中抽真空，作为实验的干燥煤样备用。
表 1 煤样基本参数Table 1. Basic parameters of coal samples指标 水分/% 灰分/% 挥发分/% 真相对密度/（g·cm−3） 视相对密度/（g·cm−3） 孔隙率/% 测值 1.67 17.03 12.12 1.52 1.41 7.24 采用加水搅拌的方法，将称量好的水逐渐倒入煤粉中，确保煤中水分均匀分布，在加水过程中不断搅拌，直到煤样中没有肉眼可见的凝结颗粒，然后继续搅拌30 min，用保鲜膜覆盖煤样，放置在25℃的室温下静置，24 h后将其装入煤样罐进行实验。根据上述方法，得到含水率为0%，0.74%，1.51%，2.23%，3.02%的含水煤样。
含水煤样的水分计算公式如下：
$$ \begin{array}{c}Y=\dfrac{x}{x+180}\times 100\%\end{array} $$ (1) 式中，Y为煤样的含水率，%；x为所需加入的水分，g。
1.2 实验装置
本实验利用自主研发的含瓦斯煤多元气体置换实验系统进行等压扩散条件下的注气置换实验，该系统能够实时监测记录各个煤样罐和分支管路的传感器数据，采用双气室煤样罐，将煤样装载在下游侧，上游侧充入置换气体，并保持与煤样吸附平衡压力相同，通过电磁球阀控制上下游两侧的连通，从而实现等压扩散条件下的置换实验。
该装置包括高压供气系统、恒温吸附解吸系统、气体组分分析系统、抽真空系统、数据采集系统5个部分。高压供气系统由高压气瓶、伺服计量泵和活塞容器组成，用于提供实验所需气体；恒温吸附解吸系统由双气室煤样罐、阀门和管路组成，是进行实验的主要设备；抽真空系统由真空泵、缓冲容器、真空表等部件组成，对整个实验系统及各个气体管路进行抽真空；数据采集系统由多个不同精度的压力传感器组成，实时检测系统内的压力变化，以确保数据的全面和精准；气体组分分析系统由气体采集装置和色谱仪等部件组成，采集气室内的游离混合气体并进行色谱分析，在实验过程中，如果直接收集游离气体，则会导致气室内气压发生改变，从而对测试结果造成影响，所以系统设有一个连接于气室的小型采样罐，完成实验后只要将取样罐与气样室之间的阀门关闭，就可以在不损坏气样室气压的情况下，得到实际的游离气体样本，然后进行色谱分析。实验装置示意图如图1所示。
1.3 实验步骤
1）实验装置气密性检测。为保证实验结果的准确性，需对含瓦斯煤多元气体置换实验系统的进行气密性检测。根据实验需要，将3个罐体所在的恒温箱温度设置为25℃，向每1气室和系统管路中注入He，对煤样室中的气压进行测量，持续监测36 h以上，如果煤样罐内的气体压力变化率在0.001～0.003 MPa/h之间，则认为实验装置具有良好的密封性。反之，则说明装置存在漏气现象，可通过涂抹肥皂水确定漏气位置，重新安装检测，直至气密性完好。
2）实验装置及管路体积标定。实验采用PVT法对煤样室、置换气室及管路体积进行准确标定，选择性质稳定、无吸附能力的He作为标定气体，以保证实验结果的准确性。
3）水分对CH4、CO2等温吸附实验方案：
① 将制备好的含水煤样放入煤样罐中，煤样室温度控制在25℃。
② 将气瓶中的气体通过阀门控制充入到煤样室中，分别在设定的压力下进行吸附实验。
③ 当煤样室内压力值在0.03 MPa的误差内上下浮动时，认为吸附达到平衡，记录此时的吸附平衡压力。向煤样室中充入更高压力至煤样罐内吸附平衡压力为下1组设定压力，直至完成所有压力点的测定，即完成1组吸附实验测定。更换实验煤样，进行下1组吸附实验。
4）水分对CO2等压扩散置换CH4实验方案：
① 检查装置的密封性并抽真空之后，将准备好的含水煤样放入煤样室中，温度保持在25℃。
② 通过阀门控制将CH4充入到煤样室内，使其吸附平衡到所需的目标压力。
③ 待煤中CH4吸附平衡之后，向置换气室充入CO2，使其压力与煤样室吸附平衡压力相同，通过计算机中实验系统平台软件上，置气室与煤样室的压力基本相同，且稳定在某一数值附近轻微浮动，则认为上下2部分气体压力相同，此时打开连通置气室与煤样室的阀门使其进行扩散。待置换实验达到平衡（其压力在24 h内变化不超过0.01 MPa）后，采集吸附平衡后的混合气体进行色谱分析。
5）根据实验所得数据进行相关的计算、绘图及分析。
2. 水分对CH4、CO2气体的等温吸附特性
2.1 水分对CH4、CO2气体等温吸附规律的影响
在恒温25℃条件下，通过开展不同含水率煤对CH4和CO2的等温吸附实验，获得不同含水率煤对2种气体的等温吸附实验结果及规律分析。利用Langmuir方程建立不同含水率煤样中纯CH4、CO2的吸附等温线如图2所示。
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图 2 不同含水率煤中CH4/CO2的等温吸附曲线Figure 2. Isothermal adsorption curves of CH4/CO2 in coals with different water contents由图2可知，含水煤样的CH4和CO2等温吸附曲线与干燥煤样相似，Langmuir方程对其拟合效果良好。水分对煤吸附CH4、CO2具有抑制作用，但水分对CO2的抑制效果比CH4更强，这种抑制幅度随着煤样含水率的增大而减少。
在同一实验条件下，煤对CO2的吸附量明显高于CH4，说明煤样在水分状态下与干燥状态下对CH4、CO2的吸附能力基本一样。水分不影响煤对单一气体吸附能力的排序，始终是煤对CO2的吸附能力大于对CH4的吸附能力。
2.2 水分对CH4，CO2气体吸附抑制率的影响
通过对比CH4和CO2在不同含水煤中同一吸附平衡压力下的吸附量，可得水分含量的增加对气体吸附量的抑制率，计算公式如下：
$$ \begin{array}{c}{\eta }_{y}=\dfrac{{Q}_{x0}-{Q}_{xn}}{{Q}_{x0}}\times 100\%\end{array} $$ (2) 式中，$ {\eta }_{y} $为水分对气体吸附量的影响率，%；$ {Q}_{x0} $为含水率为0时煤中气体的吸附量，cm3/g；$ {Q}_{xn} $为第n个含水率时煤中气体的吸附量，cm3/g。
计算不同吸附平衡压力下水分对气体吸附量的抑制率，其结果如图3所示，在相同吸附平衡压力下，水分对CH4吸附量的抑制率始终大于水分对CO2吸附量的抑制率，这说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。
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图 3 不同吸附平衡压力下水分对气体吸附量的抑制率Figure 3. Inhibition rate of gas adsorption by moisture at different adsorption equilibrium pressures分析原因认为，煤与各种气体分子的结合是通过范德华力实现的，而煤与水的结合是通过范德华力与氢键共同作用的结果，氢键比范德华力更强，因此，水和气体分子竞争煤中的吸附位时处于优势地位，吸附能力相较于气体分子更强。随着煤样含水率的不断增大，煤中的水分子随即增多，水分子极易与煤体的亲水官能团结合，首先占据吸附位，随着煤的含水量增加，水分子占据的吸附位越来越多，导致煤对CH4和CO2的吸附量逐渐减少。气体吸附性越强，在煤体表面的吸附距离越小，越难被水分子抢夺吸附位，反之亦然，所以水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大一些。
2.3 水分对CH4、CO2气体吸附常数a、b值的影响
通过将CH4和CO2的等温吸附常数与含水率的关系进行拟合，得到水分对CH4和CO2吸附常数的影响规律，其变化曲线如图4、图5所示。
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图 4 吸附常数a值随水分变化曲线Figure 4. Variation curve of adsorption constant a value with moisture![]()
图 5 吸附常数b值随水分变化Figure 5. Variation curve of adsorption constant a value with moisture吸附常数a反映煤的极限吸附能力，由图4可知，CO2的a值比CH4的高，表明煤对CO2的极限吸附能力大于CH4；CH4和CO2的a值随着煤含水率的增大逐渐减小，水分明显抑制煤对CH4和CO2的吸附，水分对CO2吸附常数a的影响要更大。
吸附常数b是反映煤吸附气体快慢的一个指标，由图5可知，含水率小于3%的情况下，CO2的b值高于CH4的，表明煤吸附CO2的速度高于CH4；煤吸附CH4和CO2的速率，随着煤含水量的增大逐渐减小，煤含水量较少时，煤对CO2的吸附速度远远高于CH4，当煤含水量逐渐增大时，煤对CO2和CH4的吸附速率均变缓且逐渐接近，但水分对CO2吸附常数b的影响要更大。
分析认为：煤分子中包含许多极性官能团，其中主要包括含氧官能团。CO2主要吸附在这些极性官能团附近，他们对于CO2的亲和力大于CH4。水分的介入导致水分子优先吸附在这些极性官能团附近，从而降低了煤对CO2的吸附量。此外，煤中具有发达的孔裂隙结构，煤中的空隙可以分为微孔、中孔和大孔3类，CO2的分子直径小于CH4，煤对CO2的吸附性更强，CO2可以扩散至煤基质的超微孔结构中进行吸附，因此，水分对CO2吸附常数a的影响更大。实验过程中煤含水率较低，最大值为3%，当水分进入煤体后，大部分水分子以吸附态存在，但可能会存在少量的水分子聚集形成团簇，阻碍了CO2气体的运移通道，降低了CO2在煤体中的扩散效率，因此水分对CO2吸附常数b的影响更大。
3. 水分对CO2置换煤中CH4效应的影响特性
3.1 水分对CH4置换量的影响
CH4置换量为置换实验过程中煤吸附CH4量前后变化的差值。计算公式如下：
$$ \begin{array}{c}\Delta Q={Q}_{x0}-{Q}_{x1}\end{array} $$ (3) 式中，$ \Delta Q $为置换吸附平衡后CH4解吸量，cm3/g；$ {Q}_{x0} $为置换前甲烷的吸附量，cm3/g；$ {Q}_{x1} $为置换后甲烷的吸附量，cm3/g。
计算分析不同实验条件下CH4置换量随着吸附平衡压力的变化规律，如图6所示。
由图6可知，煤样含水率在0%～3%的情况下，随着吸附平衡压力的增大，CH4的置换量也逐渐增加，压力对注CO2置换CH4的过程起促进作用。
分析原因，煤样含水率一定时，随着吸附平衡压力的增大，水分会持续渗入煤体内部及煤的裂隙和孔隙中，煤样中水分子会抢走一部分属于CH4占据的有效吸附空位，且由于水分子的存在，煤体中的部分孔隙被堵塞，CH4很难渗透到微孔中，降低了煤对CH4的吸附量，随着含水率的提高，水分子占据越来越多的吸附位，置换量也随之减少。
在不同吸附平衡压力下，对含水率的变化与CH4置换量进行拟合，所得结果如图7所示。
图7中，在不同吸附平衡压力下，CH4置换量的变化趋势相同，即随着煤样含水率的增加，CH4置换量逐渐减小，水分在CO2对CH4的置换实验中起抑制作用；以2.4 MPa吸附平衡压力为例，煤样含水率为3.02%时，CH4置换量下降了52.9%。随着水分的增加，置换量的最大值和最小值之间的差值越小，变化幅度越小，效果越差，水分对置换效果起抑制作用；水分从0%增加到3.02%，在5个吸附平衡压力下，置换量的差值分别为3.201、2.85、1.92、1.67、1.208 cm3/g，差值在不断减小。
CO2对CH4的置换量与含水量之间的关系满足方程y=A−Bcx，拟合相关系数R2大于0.95。其中，y为置换量，cm3/g；x为含水率，%；A为理想条件下CO2对CH4的最大置换量，cm3/g；B为幅度，函数在指数部分的振幅大小；c为置换量随含水率变化的衰减速率。
煤对水的吸附性要强于对其他气体的吸附性，煤样含水率的增加会降低煤基质的表面自由能，从而降低其对气体的吸附能力，随着煤样含水率的增大，CH4的置换量减小。水是极性分子，煤对水分子的吸附能力大于CH4，一旦水分子与煤接触，就会快速吸附于煤表面，形成水分子圈，从而堵塞孔隙，使气体分子很难通过孔隙进入煤体，导致CO2对CH4的置换量降低，煤体中水分含量越高，这一作用更加显著。因此，在吸附平衡压力不变的情况下，CO2对CH4的置换量会随着煤体水分含量的增加而减少。
3.2 水分对CO2储存量的影响
为了分析水分对CO2置换CH4过程中CO2储存量的影响过程，图8给出不同吸附平衡压力下CO2储存量随含水率的变化曲线。
从图8可以看出，在同一吸附平衡压力下，含水率较低的煤样CO2储存量高于含水率较高的煤样，水分抑制了煤对CO2的储存量。以1.6 MPa吸附平衡压力为例，最大含水率煤样储存CO2的量下降了44.3%。
为了更加形象地描绘CO2置换CH4过程中CH4置换量和CO2储存量的变化过程，以1.2 MPa和2.0 MPa吸附平衡压力为例，绘制CO2储存量和CH4置换量随含水率变化的曲线如图9所示。
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图 9 不同吸附平衡压力下CO2储存量和CH4置换量随含水率变化Figure 9. Variation of CO2 storage and CH4 displacement with water content at different adsorption equilibrium pressures从图9可以看出，同一吸附平衡压力下，含水率较低煤样的储存量和置换量要高于含水率较高的煤样，以1.2 MPa吸附平衡压力为例，CO2储存量和CH4置换量同比下降了52.3%和49.4%。同时，从图9可以看出，CO2在煤体中的储存量始终高于CH4的置换量。其他组煤样均有相似规律。当煤样含水率不变时，吸附平衡压力升高，煤样中CO2的储存量和CH4置换量均随之变大，且CO2在煤体中的储存量也始终高于CH4的置换量。
分析原因，水分对CO2的吸附有明显抑制作用，水分子可进入孔隙，并将其分成许多无效的孔隙，水分子的分布覆盖了大部分可接近的孔隙，这些孔隙体积随着煤样含水率的增大而减少，因此含水率较高煤样的CO2储存量较少。
CO2的吸附势能大于CH4，在相同的吸附位占有绝对的优势，除煤基质对CO2的强吸附性外，还有CO2的分子直径要小于CH4，使其解吸一个CH4气体分子就会储存多个CO2气体分子。
3.3 水分对CH4置换率和CO2注置比的影响
为进一步研究水分在置换过程中产生影响的程度及原因，计算分析CH4置换率和CO2注置比的变化来反映水分对置换过程难易程度的影响。CH4置换率X是实验中CH4的置换量与未发生置换反应前的CH4吸附量的比例。计算公式如下所示：
$$ \begin{array}{c} X =\dfrac{\mathrm{\Delta }Q}{{Q}_{x0}}=\dfrac{{Q}_{x0}-{Q}_{x1}}{{Q}_{x0}}\end{array} $$ (4) 注置比是实验中CH4置换量与注入置换源气体量的比例，用来表征不同气体对煤中CH4的置换效率，反映气体置换CH4的难易程度。计算公式如下所示：
$$ \begin{array}{c}R=\dfrac{\mathrm{\Delta }Q}{{Q}_{z}}\end{array} $$ (5) 式中，$ R $为注置比，无量纲；$ {Q}_{z} $为等压扩散前CO2的注入量，cm3/g。
计算分析不同实验条件下CH4置换率、CO2注置比随着吸附平衡压力的变化规律，如图10、图11所示。
由图10、图11可知，在等压扩散条件下，煤样含水率相同时，随着吸附平衡压力从0.8 MPa升高到2.4 MPa，CH4的置换率增大，CO2的注置比降低。以1.51%含水率煤样为例，CH4的置换率提高了45.5个百分点，CO2注置比降低了34.3个百分点。
分析认为，在相同含水率条件下，随着吸附平衡压力的增大，意味着要注入更多的CO2量来提供并补充压力的增加，这使CO2具有更明显的竞争吸附作用，从而使CH4更容易被置换出来，而CO2的利用率大大降低。
在不同吸附平衡压力下，对含水率的变化与CH4置换率和CO2注置比进行拟合，所得结果如图12、图13所示。
由图12、图13可知，相同吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CH4置换率和CO2注置比有逐渐下降的趋势，水分对CO2置换煤中CH4起抑制作用，煤样水分越多，抑制程度越高。
吸附平衡压力为2.4 MPa，煤样水分为0%时，CH4的置换率最大，置换效果最好，对于有水分的煤样，含水率为0.75%，吸附平衡压力为2.4 MPa时，CH4的置换率最大，置换效果最好。吸附平衡压力从0.8 MPa升高到2.4 MPa时，CO2注置比的下降梯度分别为0.263、0.214、0.201、0.200、0.192，随着煤样含水率的增加，注置比的下降梯度不断降低，但程度不明显，因此水分对注置比的影响较小。
如图12所示，CH4置换率随着含水率变化的拟合曲线符合方程：φ=a+Dekx，其拟合相关系数R2大于0.91，表明煤中水分对气体解吸具有抑制作用。其中，φ为置换率，%；a为极限条件下CH4置换率，%；D为幅度，函数在指数部分的振幅大小；x为含水率，%；k为CH4置换率随煤样含水率升高而降低的衰减系数；e为自然常数。
分析认为，随着煤样含水率的增加，煤体内部的水分子随之增加，导致煤体表面变得湿润和膨胀，使局部固−气界面逐渐转变为固−液界面，堵塞了气体在煤体中吸附/解吸的通道，因此，水分抑制了煤中CH4吸附解吸的过程。在相同的吸附平衡压力下，注入的CO2量大致相同，因此CO2注置比主要受CH4置换量的影响，由于煤样中水分含量的不断上升，CH4的总置换量下降，因此CO2的注置比也下降；置换过程中，CO2注入煤体时，煤样中的水分含量越高，对煤体中裂隙和孔隙空间的占据越多，对CO2进入煤体的阻碍力越大，CO2在煤中的扩散难度逐渐增加。
4. 结 论
1）煤中水分的存在不影响CH4和CO2等温吸附曲线的规律以及煤吸附CH4和CO2能力大小的排序；同一吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CH4和CO2吸附量逐渐减少。
2）同一吸附平衡压力下，水分对煤吸附CH4的抑制率大于煤吸附CO2的抑制率，这说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。
3）随着煤样含水率的增加，CH4和CO2吸附常数a，b值逐渐减小，拟合曲线呈下降趋势，分析发现，水分对CO2吸附常数a，b值的影响更大，即水分对CO2吸附的影响更大，水分对煤吸附CO2能力的抑制作用强于煤吸附CH4的能力，煤样含水率越大，抑制程度越大。
4）相同条件下，随着吸附平衡压力的增加，CH4的置换量和置换率不断增加，而CO2注置比不断减小，CH4的置换效果较好，而CO2的利用率较低。
5）同一吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CO2储存量不断减少；与CH4置换量对比发现，相同条件下，CO2在煤体中的储存量始终高于CH4的置换量。当煤样含水率不变时，吸附平衡压力升高，煤样中CO2储存量和CH4置换量均随之变大，且CO2在煤体中的储存量也始终高于CH4的置换量。
6）同一吸附平衡压力下，随着煤样含水率的增加，CH4的置换量和置换率及CO2注置比表现出下降的趋势，与含水率的变化基本符合函数关系。水分对CO2置换煤中CH4起抑制作用，煤样含水率越大，置换效果越差，抑制程度越高；CO2注置比下降梯度较小，程度不明显，水分对其影响较小。
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图 2 不同含水率煤中CH4/CO2的等温吸附曲线
Figure 2. Isothermal adsorption curves of CH4/CO2 in coals with different water contents
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图 3 不同吸附平衡压力下水分对气体吸附量的抑制率
Figure 3. Inhibition rate of gas adsorption by moisture at different adsorption equilibrium pressures
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图 4 吸附常数a值随水分变化曲线
Figure 4. Variation curve of adsorption constant a value with moisture
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图 5 吸附常数b值随水分变化
Figure 5. Variation curve of adsorption constant a value with moisture
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图 9 不同吸附平衡压力下CO2储存量和CH4置换量随含水率变化
Figure 9. Variation of CO2 storage and CH4 displacement with water content at different adsorption equilibrium pressures
表 1 煤样基本参数
Table 1 Basic parameters of coal samples
指标 水分/% 灰分/% 挥发分/% 真相对密度/（g·cm−3） 视相对密度/（g·cm−3） 孔隙率/% 测值 1.67 17.03 12.12 1.52 1.41 7.24 
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[1] 刘见中,孙海涛,雷毅,等. 煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势[J]. 煤炭学报,2020,45(1):258−267. LIU Jianzhong,SUN Haitao,LEI Yi,et al. Current situation and development trend of coalbed methane development and utilization technology in coal mine area[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):258−267.
[2] 朱苏阳,杜志敏,李传亮,等. 煤层气吸附-解吸规律研究进展[J]. 西南石油大学学报(自然科学版),2017,39(4):104−112. ZHU Suyang,DU Zhimin,LI Chuanliang,et al. The adsorption and desorption of coal bed methane:A review[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition),2017,39(4):104−112.
[3] 陈冬冬. 采动影响下邻空定向钻孔整体水力压裂瓦斯抽采技术[J]. 煤矿安全,2023,54(7):123−129. CHEN Dongdong. Integral hydraulic fracturing gas drainage technology for directional drilling in gob-side entry under influence of mining[J]. Safety in Coal Mines,2023,54(7):123−129.
[4] 马彦阳,吴教锟,冯仁俊,等. 坚硬顶板定向长钻孔水力压裂卸压瓦斯抽采研究[J]. 矿业安全与环保,2022,49(6):52−56. MA Yanyang,WU Jiaokun,FENG Renjun,et al. Pressure relief gas drainage by directional drilling hydraulic fracturing in hard roof[J]. Mining Safety & Environmental Protection,2022,49(6):52−56.
[5] 牟全斌. “三软” 煤层穿层水力冲孔增透技术研究[J]. 矿业研究与开发,2022,42(9):29−33. MOU Quanbin. Study on hydraulic punching and permeability improvement technology with cross-seam drilling in “three soft” coal seam[J]. Mining Research and Development,2022,42(9):29−33.
[6] 张福旺,秦汝祥,杨应迪. 密集水力冲孔增透抽采瓦斯试验研究[J]. 煤炭科学技术,2022,50(4):142−148. ZHANG Fuwang,QIN Ruxiang,YANG Yingdi. Experimental study on gas extraction with intensive hydraulic punching and penetration enhancement[J]. Coal Science and Technology,2022,50(4):142−148.
[7] 唐永志,李平,朱贵旺,等. 超高压水力割缝技术在中等硬度低透气性煤层的应用[J]. 煤炭科学技术,2022,50(12):43−49. TANG Yongzhi,LI Ping,ZHU Guiwang,et al. Application of ultra-high pressure hydraulic slotting technology in medium hardness and low permeability coal seam[J]. Coal Science and Technology,2022,50(12):43−49.
[8] 丁洋,卫昱,王竹春,等. 煤层穿层钻孔水力割缝卸压增透数值模拟及应用[J]. 矿业研究与开发,2022,42(8):182−188. DING Yang,WEI Yu,WANG Zhuchun,et al. Simulation and application of pressure relived and permeability enhanced law of perforated hydraulic slotting borehole in coal seam[J]. Mining Research and Development,2022,42(8):182−188.
[9] 杨宏民,冯朝阳,陈立伟. 煤层注氮模拟实验中的置换-驱替效应及其转化机制分析[J]. 煤炭学报,2016,41(9):2246−2250. YANG Hongmin,FENG Zhaoyang,CHEN Liwei. Analysis of replacement-displacement effect and its change mechanism in simulation experiment of nitrogen injection into coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(9):2246−2250.
[10] CLARKSON C R,BUSTIN R M. Binary gas adsorption/desorption isotherms:Effect of moisture and coal composition upon carbon dioxide selectivity over methane[J]. International Journal of Coal Geology,2000,42(4):241−271. doi: 10.1016/S0166-5162(99)00032-4
[11] 罗明坤,李胜,荣海,等. CH4与N2,CO2间竞争吸附关系的核磁共振实验研究[J]. 煤炭学报,2018,43(2):490−497. LUO Mingkun,LI Sheng,RONG Hai,et al. Experimental study on competitive adsorption relationship between CH4 and N2,CO2 by NMR[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(2):490−497.
[12] TALAPATRA A. A study on the carbon dioxide injection into coal seam aiming at enhancing coal bed methane (ECBM) recovery[J]. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology,2020,10(5):1965−1981. doi: 10.1007/s13202-020-00847-y
[13] 韩光,付志豪,白刚,等. CO2注气压力对CH4驱替特性影响实验研究[J]. 中国安全生产科学技术,2022,18(8):85−90. HAN Guang,FU Zhihao,BAI Gang,et al. Experimental study on influence of CO2 injection pressure on CH4 displacement characteristics[J]. Journal of Safety Science and Technology,2022,18(8):85−90.
[14] 杨天鸿,陈立伟,杨宏民,等. 注二氧化碳促排煤层瓦斯机制转化过程实验研究[J]. 东北大学学报(自然科学版),2020,41(5):623−628. YANG Tianhong,CHEN Liwei,YANG Hongmin,et al. Experimental study on the conversion process of promoting gas drainage mechanism by CO2 injection[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science),2020,41(5):623−628.
[15] 王向浩,王延忠,张磊,等. 高、低煤阶CO2与CH4竞争吸附解吸置换效果分析[J]. 非常规油气,2018,5(3):46−51. WANG Xianghao,WANG Yanzhong,ZHANG Lei,et al. Reasearch on CO2,CH4 competitive adsorption,desorption and replacement effect of high and low rank coal[J]. Unconventional Oil & Gas,2018,5(3):46−51.
[16] 李波波,李建华,杨康,等. 考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理[J]. 安全与环境学报,2021,21(2):590−598. LI Bobo,LI Jianhua,YANG Kang,et al. On the mechanism of coal-bed methane adsorption and the moisture effects on account of its permeability[J]. Journal of Safety and Environment,2021,21(2):590−598.
[17] 樊亚庆,王兆丰,陈金生,等. 水分对煤中瓦斯的置换作用实验研究[J]. 煤矿安全,2017,48(12):25−27,32. FAN Yaqing,WANG Zhaofeng,CHEN Jinsheng,et al. Experimental study on replacement effect of water to gas in coal[J]. Safety in Coal Mines,2017,48(12):25−27,32.
[18] 杨宏民,王兆丰,任子阳. 煤中二元气体竞争吸附与置换解吸的差异性及其置换规律[J]. 煤炭学报,2015,40(7):1550−1554. YANG Hongmin,WANG Zhaofeng,REN Ziyang. Differences between competitive adsorption and replacement desorption of binary gases in coal and its replacement laws[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(7):1550−1554.
[19] 周西华,韩明旭,白刚,等. CO2注气压力对瓦斯扩散系数影响规律实验研究[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(1):81−86,99. ZHOU Xihua,HAN Mingxu,BAI Gang,et al. Experimental study on the influence of CO2 injection pressure on gas diffusion coefficient[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(1):81−86,99.
[20] 郑学召,黄渊,文虎,等. 不同注气压力下CO2驱替置换CH4试验研究[J]. 工矿自动化,2021,47(4):73−78. ZHENG Xuezhao,HUANG Yuan,WEN Hu,et al. Experimental study of CO2 replacement for CH4 at different gas injection pressures[J]. Industry and Mine Automation,2021,47(4):73−78.
[21] 王晋,王延斌,郭慧,等. 围压对注CO2置换煤层CH4效果的影响研究[J]. 煤炭科学技术,2015,43(8):129−134,6. WANG Jin,WANG Yanbin,GUO Hui,et al. Study on surrounding pressure affected to effect of CO2 injection to replace CH4 of coal seam[J]. Coal Science and Technology,2015,43(8):129−134,6.
[22] 白刚,姜延航,周西华,等. 不同CO2注入温度置换驱替CH4特性试验研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(5):167−174. BAI Gang,JIANG Yanhang,ZHOU Xihua,et al. Experimental study on characteristics of replacement and displacement of CH4 at different CO2 injection temperatures[J]. Coal Science and Technology,2021,49(5):167−174.
[23] 石强,陈军斌,黄海,等. 注气驱替提高煤层气采收率实验研究[J]. 煤矿安全,2018,49(5):10−13. SHI Qiang,CHEN Junbin,HUANG Hai,et al. Experimental study on improving coalbed methane recovery by gas injection[J]. Safety in Coal Mines,2018,49(5):10−13.
[24] 李元星. 连续与间歇注空气驱替煤层气机理及实验研究[D]. 太原:太原理工大学,2017. LI Yuanxing. Mechanism and experimental study on continuous and intermittent air injection to displace coalbed methane[D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2017.
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