注能（以CO₂为例）改性驱替开采CH₄理论与实验研究

梁卫国^1,2，张倍宁^1,2，黎力^1,2，贺伟^1,2

1. 太原理工大学矿业工程学院2. 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室

摘 要：在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO₂驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO₂在煤体表面的吸附势大于CH₄,CO₂吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH₄,注能（CO₂）有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO₂吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO₂驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO₂有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO₂/CH₄置换率;提高注入CO₂温度,有助于部分吸附CH₄解吸,但同时煤体对CO₂吸附能力也减弱,导致CO₂/CH₄置换率有所降低。

关键词：煤层气开采;注能改性;CO2驱替;渗透率;置换率;