CO2-ECBM过程中煤基质性质对煤的膨胀性和CO2/CH4在煤中渗透性变化的影响

CO2是引起全球气候变暖的主要温室气体，将CO2注入煤层驱替煤层气CH4技术（CO2-ECBM）是实现CO2减排的有效途径。CO2/CH4在煤中的渗透性直接受煤裂隙分布的影响，而在气体吸附（或与煤反应）脱附过程中煤基质会发生膨胀/收缩，从而引起煤裂隙宽度和分布的变化。煤种不同，则裂隙分布和煤基质性质不同，这些煤的结构和性质综合影响气体在煤中的渗透性，使得渗透性随气体吸附/脱附动态变化。在煤的性质对气体渗透性影响的研究中，文献报道均为煤裂隙分布的影响。本申请课题提出煤基质性质对煤的膨胀性、气体在煤中渗透性变化的影响。研究内容包括：CO2、CH4在不同煤种中引起的煤膨胀量和渗透性随时间的变化;CO2、CH4在不同煤种上的吸附量、吸附速率以及两种气体的竞争吸附行为；关联煤基质性质（孔隙结构、官能团组成和灰分组成）与气体的吸附行为、煤的膨胀行为、气体在煤中渗透性变化。

项目以煤对CO2和CH4的吸附以及气体吸附引起的煤基质膨胀为研究对象，建立了一种吸附量和膨胀量同时测量的方法。考察了煤储层温度、煤储层压力以及煤中含水量对气体吸附和煤基质膨胀行为的影响。重点分析了气体吸附量与煤基质膨胀量的关系，提出了煤储层条件下气体的吸附机理和煤基质的膨胀模型。利用三轴渗透仪，研究了应力、煤样含水量和煤样有无裂隙等因素对于气体在煤柱中的传递性质的影响，以认识气体在有应力作用的含水的无可见裂隙的块煤中的吸附和传递规律。. 项目主要成果在于建立了吸附量和膨胀量同时测量的方法，通过对煤储层温度、压力、煤中含水量等影响因素的分析，对煤基质对气体的吸附、气体吸附引起煤基质膨胀以及两者间的关系有了清晰的认识。利用三轴渗透率仪，对比了不同应力和气体平均压力条件下煤柱对氩气的渗透率，比较了在同等应力作用下，不同气体在含水的煤柱中的传递行为，并分别建立了相应的数学模型来认识气体在有应力作用的煤柱中的传递规律。