在低碳环保的国际背景下，强化煤层气开采（ECBM）和二氧化碳地质封存（CCS）等课题的热度不断增加，气体在煤中的渗流过程值得深入研究。不同气体在煤中的运移行为和吸附能力上的差异对煤的渗透率演化起着至关重要的作用。目前，关于煤的驱替实验已有了许多研究，但大多数只关注于岩体结构在应力下的改变，而忽略了不同气体微观性质（分子直径、摩尔质量、分子自由程和分子碰撞频率等）的差异。
为了探究气体性质与渗流通量之间的关系，我校水资源与环境学院博士研究生高阳，在导师于青春教授的指导下，开展了甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、氩气（Ar）和氦气（He）的煤岩心驱替实验（图1和图2），运用统计物理学理论，以微观视角阐释了气体在煤中的渗流机理。该研究对注气开采煤层气和二氧化碳地质封存等工业课题具有指导性意义，取得以下创新性认识：
（1）分子碰撞频率和动力粘度共同作用于气体分子，从而影响气体在煤中的渗流速度。不同气体的渗流速度关系为：ν (CH4) > ν (He) > ν (N2) > ν (CO2) > ν (Ar)。当使用不同气体测量同一岩心渗透率时，表观气体渗透率公式需要用分子碰撞频率校正。岩心越致密，动力粘度影响越大，分子碰撞频率影响越小，反之亦然（图3和图4）。
（2）煤岩心上游和下游之间的气体压差越大，割理中的气体驱替速率越快，而对煤基质中的气体扩散行为无明显影响。
（3）气体吸附能力通过导致煤基质的膨胀改变气体渗流路径的宽度，从而影响气体的渗流通量（图5和图6）。使用非吸附性气体（氦气）驱替煤中的吸附气体无法完全消除吸附导致的煤膨胀效应。不同气体吸附导致煤基质膨胀应变的关系为：ε (CO2) > ε (CH4) > ε (N2) > ε (Ar) > ε (He) ；煤吸附气体到达平衡后，渗流通量的关系为：Q (He) > Q (CH4) > Q (N2) > Q (Ar) > Q (CO2) 。
（4）与超临界二氧化碳相同，常温常压的二氧化碳也能溶解煤中的有机质。在沿着气体流动方向的割理中，靠近孔壁的有机质分子优先被二氧化碳分子溶解，并随着气流排出，从而导致割理宽度增加，气体渗流通量增加（图6）。
图1 Ar、N2、CH4和CO2驱替He实验中流量与轴压的变化
图2 ECBM实验中流量与轴压的变化 （a）N2-ECBM；（b）CO2-ECBM
图3 压力梯度与气体分子运动方向概率的关系
图4 气体分子在割理中流动示意图（红色表示粘度影响区）
图5 N2-ECBM实验过程示意图（a）He的稳态流动；（b）CH4驱替He；（c）N2驱替CH4
图6 CO2-ECBM实验过程示意图 （a）CO2驱替CH4；（b）CO2溶蚀煤基质中的有机质；（c）He驱替CO2；（d）岩体骨架破坏引起孔隙坍塌
上述研究成果发表于国际石油工程领域权威期刊《SPE Journal》上。中国地质大学（北京）高阳博士生为论文第一作者，于青春教授为论文通讯作者。该研究受到国家自然科学基金（41877196，U1612441和41272387）的资助。
论文信息与链接：Yang Gao, and Qingchun Yu*. Experimental Study of the Effect of Molecular Collision Frequency and Adsorption Capacity on Gas Seepage Flux in Coal. SPE Journal, 2024. 1-21, SPE-219733-PA. [IF2022=3.6]
全文链接： https://doi.org/10.2118/219733-PA
