大尺寸完整煤芯CO2驱替煤层气(CO2-ECBM)的实验研究：突破尺度效应揭示储层真实动态

针对传统小尺寸煤样实验无法真实反映储层非均质性的问题，中国科学院武汉岩土力学研究所团队创新性地采用直径104 mm×长度301.5 mm的大尺寸完整煤芯，在模拟储层条件下系统研究了CO2驱替煤层气(CO2-ECBM)的动态过程。研究发现CO2注入可使CH4采收率提升212%，但伴随87.5%的渗透率下降，该研究为现场CO2-ECBM工程优化提供了关键实验依据。

　　

在全球能源需求增长与碳中和目标的双重驱动下，CO₂驱替煤层气技术（CO₂-ECBM）因其能同时提高甲烷采收率和实现碳封存的双重效益备受关注。然而，传统实验多采用破碎或小尺寸煤样，无法真实反映储层中复杂的裂隙网络和尺度效应，导致实验室数据与现场应用存在巨大鸿沟。更棘手的是，小样品会夸大CO₂突破速度，低估煤基质膨胀对渗透率的损害程度，使得关键的工程参数如最佳注入压力和采收率预测严重失真。

针对这一技术瓶颈，中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室的Zhiming Fang、Chenlong Yang等研究人员创新性地采用直径达104 mm、长度301.5 mm的完整无烟煤煤芯，在自主研发的高压实验系统中模拟了储层条件下的CO₂-ECBM全过程。这项发表在《Journal of CO₂ Utilization》的研究，首次在大尺度样品中捕捉到CO₂突破动态与渗透率演化的真实关联，为现场工程提供了关键设计参数。

研究团队通过三项核心技术突破实验难题：首先构建了可承受50 MPa围压的大型压力舱，集成在线气体分析仪实时监测产出气组分；其次采用铅箔-热缩管多层封装技术解决大煤芯的气体泄漏问题；最后设计多阶段压力衰竭（3 MPa→1.9/1.5/1.0 MPa）与CO₂注入（2.0/1.6/1.1 MPa）交替的实验流程，模拟现场生产全周期。

CO₂注入动力学揭示：初始2.0 MPa注入阶段CO₂突破仅需2.12小时，但突破后形成优势通道导致CH₄产量锐减73%。CH₄采收率提升方面，CO₂驱替使采收率从自然衰竭的6.92%跃升至32.61%，其中首轮注入贡献最大（提升212%），但后续效果递减，显示"早期强化注入"策略的重要性。置换比分析发现高压(2.0 MPa)下CO₂:CH₄摩尔置换比为2.08:1，而1.6 MPa时升至4.66:1，表明低压更利于碳封存但牺牲采收效率。

渗透率演化数据触目惊心：CH₄饱和状态渗透率已比氦气测定值降低50.9%（114→56 μD），而CO₂注入后进一步暴跌87.5%至7 μD，这与美国Pump Canyon现场试验的93%降幅高度吻合，证实了大尺度实验的预测可靠性。气体组分动态显示产出气中CO₂浓度在突破8小时后即达50%，但CH₄仍能维持20%以上的混合产出长达60小时，表明"拖尾效应"在真实储层中更为显著。

这项研究的重要价值在于颠覆了传统小样品的认知：大煤芯实验测得的最大CH₄采收率（32.61%）远低于小样品的近100%，但更贴近现场实际；而2.12小时的突破时间比小样品结果延长数十倍，为优化注入方案赢得窗口期。研究团队特别指出，CO₂诱导的渗透率损伤是制约技术应用的关键瓶颈，建议未来探索CO₂/N₂混合注入或周期性注采策略以缓解此效应。这些发现不仅为CO₂-ECBM工程设计提供了实验基准，更建立了连接实验室与现场尺度的研究范式，对推进碳中和背景下的化石能源清洁开采具有双重意义。