煤基质的气体膨胀特性与气体渗透性关系的研究

The permeability of gas in the coal matrix is the basis data of simulating/predicting CBM/CO2-ECBM. The permeability change is generally considered to be caused by the gas sorption/desorption induced coal swelling/shrinking, which can narrow/widen the coalbed fractures. There are lots of studies about the swelling and permeability,respectively. However, the relationship of them is out of attention. Based on the previous research，after exposure to CO2, the adsorbed amount of coal samples increases, which will induce the swelling of coal seam. As a result, the permeability will change. In this application, the adsorbed amount of gas and the corresponding coal swelling ratio in different coal rank will be studied, in order to clarify the relationship between adsorbed amount and swelling ratio. The pore character (or adsorbed amount) and permeability will be measured at no confining stress，in order to find the quantitative mathematic expression. Based on the difference of permeability, adsorbed amount, swelling ratio and pore character before and after exposure to gas, the three parameter mathematic model will be developed. And an attempt will be made to clarify effect of interaction of coal with gas on change of permeability.

气体在煤基质中的渗透性是煤层气开采及CO2驱替煤层气开采过程模拟及预测的基础数据。气体吸脱附引起的煤层膨胀/收缩会降低/增加煤层渗透率。分别对应于煤体积变化或渗透性的研究较多，但直接关联两者的研究鲜有报道。另外，煤接触CO2后，其吸附性会发生变化。吸附性的改变势必会影响煤层的膨胀性，从而改变煤层的渗透性。本申请拟利用前期研发的设备，同时测定煤的吸附和膨胀数据，建立吸附量和膨胀量之间的关系；在无外加应力（避免应力对煤结构的影响）条件下，测定煤样的孔隙特征及气体渗透性，建立煤孔隙特征与渗透性之间的关系；基于煤样膨胀前后气体的吸附量、煤柱的膨胀量及孔隙特征的变化，研究CO2与煤接触对其吸附和膨胀的影响及膨胀引起的煤孔隙特征变化。研究变量包括温度、压力、煤种及气体种类，旨在建立膨胀量、渗透率变化量、孔隙率变化量的三参数数学模型，阐明气体吸附导致的膨胀对煤基质渗透性的影响规律。

将CO2封存于不可开采的煤层，同时增强煤层CH4开采的方案（CO2-ECBM）可在有效控制CO2排放的同时获得清洁能源CH4，有望成为现阶段CO2减排的有效手段。本项目探索了CO2-ECBM过程中CH4和CO2在不同温度和压力下在不同煤阶煤柱上的吸附量和膨胀量之间的关系，并采用表面能理论，热力学第二定律和气体吸附模型（Langmuir 和 BET）构建了二者之间的物理模型，该模型能够很好地拟合膨胀量与压力的关系，有助于认识煤基质在气体压力作用下的膨胀机理。同时探索了CH4和CO2在不同粒径四种不同煤样上的吸附动力学性质，并采用传统的均一孔隙扩散模型（UM）、修正的均一孔隙扩散模型（mUM）、BM、FDR和自己构建的半经验模型（BR）研究其渗透（扩散）特性，发现煤样尺寸越大，吸附平衡时间越长；逐步减小煤样尺寸，会破坏原本存在的一些裂隙而导致基质渗透率减小；当煤样尺寸极小时，不同煤种/煤阶样品间的动力学曲线差异不大，表明随着颗粒尺寸减小，一方面样品逐渐接近煤基质，而另一方面气体扩散的影响逐渐减弱，因此在极细煤粉上采用颗粒法进行气体在煤基质中的扩散行为研究是不切实际的；由于小尺寸样品中CO2气体吸收步骤变得很重要，因此在BM和FDR基础上修正的BR方程能够更加全面而有效地适用于不同煤阶和不同颗粒尺寸样品的气体扩散系数D/r2预测，但是由于可调参数较多及边界条件的不精确，该方程的适用性还需全面考量。对于煤样经气体吸附发生膨胀后，通过He测定其渗透性的变化，发现He在CH4饱和吸附后煤样的渗透率均高于未经饱和样品的渗透率，而在CO2饱和吸附后煤样的渗透率均低于原始煤样的He渗透率。对于煤样与超临界CO2（SCCO2）接触后其吸附性质与表面性质的研究发现CO2与不同阶煤接触后会使煤样吸附量增加，并会使煤样发生塑性形变；从两种煤样（YQ、QS）经SCCO2处理后的红外谱图及萃取产物质谱分析发现，SCCO2仅能萃取出煤中小于C4的组分和部分水分，并且会使煤中脂肪烃在煤表面富集。