NO杂质对超临界CO2改造无烟煤孔隙结构的影响规律及抑制机制

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单位重庆大学资源与安全学院;重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室;沈阳焦煤股份有限公司西马煤矿;
来源煤炭学报
摘要
利用高浓度碳源烟气强化煤层气开发是解决当前CO2-ECBM注入成本过高的有效措施。但烟气中伴生气体随CO2一起注入深部储层后对资源开发及长期封存安全性的问题亟待解决,核心在于明确CO2封存条件下其他组分对储层孔裂隙网络的作用机制。其中,NO作为烟气中典型NOx污染物,对环境与气候危害极大,化学活性显著。因此,本研究探究含有不同浓度NO的超临界CO2对无烟煤储层孔隙结构及封存能力的影响规律。以贵州地区高阶无烟煤为研究对象,在储层温度40 ℃、注入压力10 MPa下,结合低温氮气吸附、核磁共振、X射线衍射及扫描电镜等技术,系统表征无烟煤微观孔隙结构、表面形貌及矿物学演化规律。结果表明:微量NO的存在会抑制CO2对无烟煤孔隙结构的改造效果,当烟气中NO浓度为500 ppm时,孔隙度增幅衰减达50%,超过4000 ppm浓度后抑制率稳定于63%水平。NO通过与CO2竞争表面活性位点,形成稳定的化学吸附态,造成孔隙喉道的直接物理堵塞。而渗流孔隙度整体表现出扩孔趋势,孔隙网络的连通性和渗流能力未发生系统性劣化影响。由于NO分子直径小于CO2,微孔上的吸附位会优先吸附NO,形成“分子筛效应”,阻碍了CO2进入;而介孔内,NO倾向于与煤基质表面的含氧官能团发生相互作用,干扰CO2在极性位点的吸附稳定性,从而间接导致其吸附态数量减少。使得介孔对NO抑制作用响应更为敏感,约为微孔的2.2倍。但烟气中NO浓度较低,抑制效果有限,NO-CO2处理后无烟煤总孔隙度仍较处理前有一定增长趋势。基于NO对CO2改造无烟煤孔隙结构能力的抑制作用,提出烟气强化煤层气开发与封存技术的分段调控策略。初期选用NO≥500 ppm富碳烟气抑制煤体膨胀,减缓井周渗透率下降;中后期则降至500 ppm以下以获得储层改造和CO2封存效果。研究成果可为CO2-ECBM工程注入工艺优化提供理论支撑。

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