煤田地质与勘探

作者：李泽锋, 黄梦茹, 张宏忠, 兰建平, 宋金锁, 樊世星,

关键词：N₂/CO₂, 注气驱替, CH₄, 非线性渗流, 煤体吸附, 启动压力梯度,

背景我国煤层普遍具有低孔(<5%)、低渗(0.001×10−3 μm2)特性，瓦斯抽采率低。注气驱替强化瓦斯抽采技术在地面煤层气排采、井下瓦斯预抽以及深部CO2地质封存等方面均发挥重要作用。方法选取常见主要驱替及被驱气体N2、CO2、CH4、He为研究对象，结合各气体的物理性质，通过准静态法、气体流量法、雷诺数等计算，分别讨论了各种气体在100、200、300 mm不同煤样特征长度煤心中的渗流行为及特征，分析了启动压力梯度、黏滞阻力以及吸附力对He、N2、CO2、CH4气体渗流特性的影响。结果和结论4种气体在煤心中运移所受阻力规律为FHe>F_\mathrmCO_2 >F_\mathrmCH_4 >F_\mathrmN_2 ；阻力大小与气体分子平均有效直径、动力黏度以及相态变化有关；超临界态气体的密度和黏滞阻力增加，导致其运移阻力显著提高。4种气体的启动压力梯度(λHe>\lambda _\mathrmCO_2 >\lambda _\mathrmCH_4 ≈\lambda _\mathrmN_2 )与煤心长度呈反比关系；启动压力梯度受气体的动力黏度、煤心孔隙特征及吸附性等因素影响。黏滞阻力由气体与孔隙壁面、吸附层之间的相互作用产生；雷诺数(Re _\mathrmCO_2 >Re _\mathrmN_2 >Re _\mathrmCH_2 >ReHe)随注入压力和孔径的增加而增大。煤基质对气体的吸附性显著影响渗透率和渗流速度；N2因其吸附性较弱，孔隙变化小，故渗透率处于较高水平(kHe>k _\mathrmN_2 >k _\mathrmCO_2 >k _\mathrmCH_4 )；而CO2由于吸附性较强，会造成煤基质膨胀，导致煤心渗透率偏低；气体在煤心中的运移过程存在临界压力。当注入压力低于临界压力时，气体渗流受吸附作用和滑脱效应影响，表现出非线性特征；当注入压力超过临界压力后，渗流特性趋于稳定，逐渐接近线性流动。该研究结果为驱替工艺参数优化、驱替效率提升及工程现场应用提供理论依据。

来源：2026年第1期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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