强化煤层气(CH₄)开采的深部煤层封存CO₂(CO₂-ECBM)技术能够有效减排CO₂。因此,开展CO₂-ECBM技术的研究工作,既有利于缓解CO₂导致的气候变暖问题,又有利于提升我国减排CO₂的履约能力。深部煤层封存CO₂技术是涉及CO₂和CH₄吸附、解吸、扩散和流动的动态复杂耦合过程。实际煤层中通常含有水分(H₂O),研究含水煤层中CO₂的吸附以及H₂O对注入CO₂同步驱替CH₄过程的影响,对于进一步完善CO₂-ECBM理论体系和较好地实施该技术具有重要意义。为此,本研究以不同变质程度的干燥和平衡水煤样为研究对象,重点探究了四种不同变质程度煤样中H₂O的分布特征及其对CO₂吸附性能的影响。此外,还开展了不同注入压力下的CO₂驱替CH₄实验,重点探究了H₂O对驱替过程的影响和实际驱替过程中CO₂的最佳注入压力。具体研究内容包括:(1)不同煤阶煤中H₂O的分布特征及规律;(2)H₂O对煤体吸附CO₂的作用规律;(3)H₂O对CO₂驱替CH₄过程的影响;(4)驱替过程CO₂的最佳注入压力。主要结论如下:(1)四种煤样的水蒸汽等温吸附过程可划分为以下四个阶段:(1)单个H₂O分子吸附于煤表面含氧官能团;(2)先前已发生吸附的H₂O分子作为新的吸附位点,吸附其他H₂O分子;(3)H₂O分子聚集并形成水分子簇;(4)H₂O分子在介孔内发生毛细管凝聚。此外,H₂O在煤中的吸附量主要受控于煤的介孔结构。具体地,酸刺沟(SCG)和寺河(SH)煤样具有较发达的介孔,而东曲(DQ)和新阳(XY)煤样的介孔不发达,因此酸刺沟和寺河煤样的H₂O吸附量明显大于东曲和煤样。(2)优化的Brunauer-Emmett-Teller(BET)模型能够很好地描述煤对水蒸汽的吸附行为。模型拟合结果表明,H₂O分子在一级吸附位点的吸附势能(E₁)和二级吸附位点的吸附势能(E₂)均高于40 k J/mol,其远大于CH₄和CO₂在煤表面的吸附势能。因此相较于CH₄和CO₂,煤表面对H₂O更具亲和性。CO₂驱替CH₄过程中,煤体内部的H₂O会与CO₂和CH₄形成竞争吸附,进而削弱煤对CO₂和CH₄的吸附性能。(3)干燥和平衡水煤样单组分CO₂吸附研究发现:(1)Ono-Kondo格子模型能够较好地描述四种煤样对高压CO₂的吸附静力学行为。简化的双孔隙扩散模型能够较好地描述四种煤样对CO₂的高压吸附动力学行为;(2)H₂O削弱了煤对单组分CO₂的吸附能力并阻碍了CO₂在煤的大孔隙和细微孔隙内的吸附和扩散,其主要归因于:H₂O会占据煤表面CO₂的主要吸附位点和空间,同时占据孔隙通道并堵塞孔喉,导致部分流体难于进入孔隙内部,进而减小CO₂吸附量和CO₂吸附扩散速率;(3)H₂O对煤中CO₂吸附性能的削弱作用随煤阶和吸附平衡压力的增大逐渐减弱。(4)干燥和平衡水煤样的CO₂驱替CH₄实验结果表明:(1)向饱和吸附CH₄煤样中注入CO₂能够驱替出煤样中的CH₄,表明CO₂-ECBM技术具有实际可实施性;(2)随着CO₂注入压力的增大,煤样的混合流体吸附量以及CO₂吸附量逐渐增大,而CH₄吸附量逐渐减小。上述结果表明CO₂注入压力的增大有助于CO₂吸附和CH₄解吸;(3)对于本实验中设置的三种CO₂注入压力,当CO₂注入压力为8.5MPa时可获得CO₂最大吸附量和CH₄最大解吸量。因此,该压力为本研究中的CO₂最佳注入压力;(4)H₂O降低了煤样的混合流体吸附量、CO₂吸附量和CH₄吸附量,表明H₂O不利于煤中流体的赋存;(5)尽管H₂O增大了CH₄解吸率,H₂O降低了煤体CH₄的初始吸附量,导致实际平衡水煤样的CH₄解吸量小于干燥煤样。因此,H₂O的存在不利于CH₄的同步解吸。