王磊, 杨栋, 邢俊旺
太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024
收稿日期：2022-03-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52104144, 51974191); 国家重点研发计划项目(2019YFA0705501); 山西省基础研究项目(20210302124136)。
作者简介：王磊(1992-)，男，山西灵石人，太原理工大学副研究员;
杨栋(1970-)，男，山西繁峙人，太原理工大学教授，博士生导师。

摘要：对煤体恒温吸附氦气/超临界CO₂及变形进行测试试验，对煤体产生的轴向变形和径向变形实时监测，揭示有效应力作用和吸附应力作用分别引起的煤体膨胀变形量以及煤体对超临界CO₂的吸附应力.研究结果表明：煤体吸附不同气体表现出的轴向应变值要高于径向应变，氦气和超临界CO₂引起的煤体应变随注气压力的变化规律具有相似性.在温度升高过程中，煤体吸附氦气体积应变表现为先增后减的特征，而煤体吸附超临界CO₂体积应变逐步减小.随着温度的升高，煤体吸附超临界CO₂过程中煤体变形从吸附应力引起的变形占主导逐渐转变为有效应力引起的变形占主导，吸附应力体积应变与有效应力体积应变之比在逐步减小.煤体对超临界CO₂的吸附应力随着温度的升高而减小，温度从60 ℃增加到80 ℃，吸附应力仅降低了29%，同时超临界CO₂与瓦斯吸附应力的比值在60 ℃达到最大，该温度下超临界CO₂驱替瓦斯效果最优.
关键词：吸附变形吸附应力有效应力超临界CO₂热力耦合
Study on Coal Deformation and Adsorption Stress Caused by Supercritical CO₂ Adsorption
WANG Lei, YANG Dong, XING Jun-wang
Key Laboratory of In-situ Property Improving Mining of Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Corresponding author: WANG Lei, E-mail: leiwang0327@163.com.

Abstract: The constant temperature adsorption of helium/supercritical CO₂(SC-CO₂) and deformation of coal are tested, the axial deformation and radial deformation of coal are real-time monitored, and the coal expansion deformation caused by effective stress and adsorption stress and the adsorption stress of coal to SC-CO₂ are revealed. The results show that the axial strain by coal adsorption of different gases is higher than the radial strain, and the variation law of coal strain caused by helium and SC-CO₂ with gas injection pressure is similar. In the process of increasing the temperature, the volume strain of coal adsorbed helium increased first and then decreased, while the volume strain of coal adsorbed SC-CO₂ gradually decreased. With the increase of temperature, the deformation of coal during the adsorption of SC-CO₂ gradually changed from the deformation caused by adsorption stress to the deformation caused by effective stress. The ratio of the volume strain of adsorption stress to the volume strain of effective stress is gradually decreased. The adsorption stress of coal to SC-CO₂ decreases with the increase of temperature. When the temperature increases from 60 ℃ to 80 ℃, the adsorption stress only decreases by 29%. At the same time, the ratio of SC-CO₂ adsorption stress to gas adsorption stress reaches the maximum at 60 ℃, and the SC-CO₂ has the best gas displacement effect at this temperature.
Key words: adsorption deformationadsorption stresseffective stresssupercritical CO₂(SC-CO₂)thermal mechanical coupling
煤层气为煤系伴生资源，其类别属于非常规资源，我国煤层气储量丰富，埋深小于2 000 m的资源储量为(30~35)×10¹²m³，与常规天然气储量相当^[1-2]，其高效开采对缓解我国能源供需矛盾问题具有重要的意义.
目前国内煤层气开发方式主要为地面钻孔抽采技术，该技术主要基于卸压方式抽放采场采动区或者采空区的瓦斯，但是煤层的渗透性、钻孔间距等因素均会对瓦斯抽放效果造成影响，煤层的低渗特性是制约我国煤层气高效开采的重要因素.近年来，科学界提出了CO₂驱替瓦斯开采煤层气的新技术，由于煤体基质对CO₂的吸附性要强于瓦斯，通过注入CO₂可以将吸附态的瓦斯置换出来，从而提高煤层气的产量.当CO₂的温度高于临界温度(31.160 ℃)、压力高于临界压力(7.382 MPa)，其状态就从气态转化为超临界态^[3-4].超临界CO₂(SC-CO₂)除了可以将煤基质中的瓦斯置换出来，降低瓦斯分压，注SC-CO₂开采煤层气的抽采效率和采收率要更优于注普通状态的CO₂.
煤体吸附CO₂过程中会发生膨胀变形，诸多****针对此问题开展了大量的研究，得到了煤体吸附CO₂引起变形的机理.Siemons等^[5]基于迭代法间接计算得到了不同压力下煤体吸附CO₂后的变形量，认为吸附CO₂后煤体膨胀率处于3%~13%之间.Romanov等^[6]分别进行了块状和粉末状烟煤吸附CO₂膨胀变形的测试试验，认为两种状态的烟煤在吸附达到稳定时体积膨胀率分别是7%和8%.Levine^[7]测试了煤体吸附CO₂和CH₄的变形量，认为不同吸附能力的气体引起煤体变形的程度亦不同，气体的吸附性越强，则引起的煤体变形量就越大.Chikatamarla等^[8]进一步研究了煤体吸附不同种类气体的变形特征，发现不同种类气体注入压力与煤体的体积应变间近似呈Langmuir关系.Day等^[9]分析了不同类型烟煤吸附CO₂的变形量与吸附量间的关系，认为当孔隙压低于8 MPa时，煤体变形与吸附量间呈线性相关规律，当孔隙压高于8 MPa时，二者呈现非线性关系.Majewska等^[10]对CO₂多次循环吸附解吸条件下煤体变形特征进行了细致研究，认为每次CO₂吸附解吸时煤体的强度均会减小，煤体变形同样表现出各向异性的规律.Reucroft等^[11]揭示了煤阶与煤体吸附变形间的相关规律，发现煤的变质程度越高，煤吸附CO₂表现出的变形量越小，认为低变质煤中的酸碱官能团含量更高，更加易于和CO₂发生相应的物化反应.上述的研究得到了煤体吸附CO₂过程中的膨胀变形特征及相关规律，但煤体孔裂隙结构中的气体以游离态和吸附态两种形式存在，游离态CO₂的孔隙压力和吸附态CO₂的吸附应力均会导致煤体结构的变形，上述研究将两种应力引起的煤体变形统一视为孔隙气体引起的变形，并未将其区分.
一些****研究了煤体吸附SC-CO₂的膨胀变形规律.梁卫国等^[12]进行了SC-CO₂驱替瓦斯的试验，结果表明，在驱替前期煤体膨胀变形量与吸附量间表现为线性关系，而驱替后期这两个变量表现为指数形式规律.孙可明等^[13]进行了煤体吸附SC-CO₂变形测试试验，发现了煤体变形量与孔隙压力间的相关规律.但孔隙压力作用和吸附应力作用分别引起的煤体变形规律，至今未形成相关结论.
本文拟以西山杜儿坪矿焦煤为研究对象，利用太原理工大学自主研制的恒温吸附及变形测试系统向应力约束状态下的煤体中注入不同压力的He和SC-CO₂，对煤体吸附不同类型气体产生的轴向变形和径向变形实时监测.由于煤基质对He不具吸附性，故认为He引起的煤体变形为有效应力引起的变形，而SC-CO₂引起的煤体变形包括有效应力变形和吸附应力变形两部分，由此可以揭示有效应力作用和吸附应力作用分别引起的煤体膨胀变形量，进一步可以计算煤体对SC-CO₂的吸附应力.
1 试验方法1.1 试验系统试验所选煤种为西山杜儿坪矿焦煤，煤层埋深为400~500 m，将其加工为?50 mm×100 mm的标准煤样.此次试验设置煤样应力条件为12 MPa的静水压力(轴压12 MPa，围压12 MPa)，即体积应力恒定.
恒温吸附及变形测试系统如图 1a所示，可以模拟标准样品的原位应力环境，从而进行不同种类气体在煤岩体中吸附、驱替以及变形测试的研究，模拟应力范围 < 70 MPa，温度范围从室温至90 ℃.该系统主要包括抽真空及气体增压装置、吸附和变形监测装置、恒温水浴箱以及数据采集装置.
图 1(Fig. 1)

图 1 试验流程Fig.1 Test process (a)—试验系统；(b)—数据采集；(c)—结果处理.

抽真空及气体增压装置主要包括真空泵、手动计量泵和中间容器，真空泵可以去除釜体和管线内的气体，营造真空环境，中间容器的设置可以保证向煤样中注入气体的压力处于恒定状态.
吸附及变形测试装置是该系统最为核心的部分，包括高压反应釜、YRDPump70型高压精密驱替泵以及空气压缩机.其中，高压精密驱替泵由北京永瑞达有限公司提供，可加载最大工作压力为70 MPa，一次加载流体10 mL，排液量控制精度为0.001 mL.
设置驱替泵控制系统的模式为恒压模式，数据采集如图 1b所示，可为反应釜内的煤样提供恒定的轴向压力和径向压力，维持煤样所受的体积应力不变，同时可以实时监测煤样在轴向和径向的变形量.开始对煤样施加应力约束时，煤样会产生一定的变形，驱替泵控制系统通过控制排液量来控制压力恒定，经过120 h左右，排液量低于0.01 mL，认为煤体变形达到稳定.进行煤样吸附He/SC-CO₂试验时，驱替泵控制系统会自动记录煤样吸附变形引起的轴向和径向排液(吸液)变化，通过相关计算可以得到煤样轴向和径向的变形和应变，如图 1c所示.计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ε₁为煤体的轴向应变；ε₂为煤体的径向应变；ε_V为煤体的体积应变；ΔV₁为煤体轴向方向的液量变化，mL；ΔV₂为煤体径向方向的液量变化，mL；L为煤体的长度，m；D为煤体的直径，m.
该装置克服了传统应变片只能测量某一点的变形从而导致变形数据较为离散和不精确的特点.进行不同温度下煤体吸附He/SC-CO₂测试前，设定温度不变，待煤体在温度和应力约束状态下自身变形达到稳定后再进行相关试验.
1.2 煤体吸附He/SC-CO₂变形测试通过橡胶套密封标准煤样，将其置入反应釜内，设置水槽温度为40 ℃，通过驱替泵对煤样交替施加轴向压力和径向压力，直到煤样所处环境为12 MPa的静水压力，向反应釜内通入气体，1 h过后观察系统各部件是否有流体排出，检查整个试验系统的气密性.
1) 对反应釜及管线进行充分抽真空，该工作完成后关闭反应釜的进/出口阀门，向中间容器内充满He，利用手动计量泵调整压力，使之达到预设的孔隙压力.
2) 通过中间容器向反应釜内注入He，注入时间控制为12 h，期间保持中间容器内气体压力不变.通过图 1b所示的控制软件对煤样在轴向和径向两个方向的液量实时监测并采集数据.
3) 打开反应釜出口阀门进行煤样对He的解吸工作，同样控制解吸时间为12 h.
4) 继续进行抽真空工作，调整中间容器内气体压力到下一设定值，重复步骤2)和3).
5) 3个孔隙压下煤样对He的吸附解吸变形测试完成后，升高水槽温度至40 ℃，重复步骤2)~4)，直至不同温度和不同孔隙压下煤样对He吸附解吸变形测试试验完成.
6) 在反应釜内替换新的标准煤样，按照步骤1)~5)继续做煤体吸附解吸SC-CO₂的变形测试试验.由于SC-CO₂的临界温度为31.160 ℃，试验系统的测试温度低于90 ℃，故此次试验测试温度确定为40，60，80 ℃，气体注入压力分别为8，9，10 MPa.
在应力约束状态下，煤体吸附气体产生的变形包括有效应力引起的变形和吸附应力引起的变形，即

(4)

式中：ε_t为煤体吸附气体产生的总体积应变；ε_a为吸附应力引起的体积应变；ε_e为有效应力引起的体积应变.
由于煤基质对He不具有吸附性，故认为He引起的煤体变形为有效应力引起的，而SC-CO₂引起的煤体变形包括有效应力变形和吸附应力变形两部分，减去同等条件下He引起的煤体变形，即可计算得到煤体吸附SC-CO₂过程中吸附应力引起的煤体变形量.
1.3 煤体对SC-CO₂吸附应力测试同样在恒压模式下保持煤样所受的围压为12 MPa不变，从2 MPa到12 MPa逐级进行轴向压力的加载，加载间隔为0.5 MPa，加热过程中驱替泵控制软件会实时记录煤样的变形，从而可以计算得到煤的弹性模量和泊松比.为了使测试得到的弹性模量和泊松比更加精确，轴压加载达到一预定值待煤体在温度和应力作用下的自身变形达到稳定后再进行轴压的逐级加载.煤的体积模量通过式(5)计算，煤体对SC-CO₂的吸附应力通过式(6)计算：

(5)

(6)

式中：K为体积模量，GPa；E为弹性模量，GPa；ν为泊松比；ε_V-SC-CO2为煤吸附SC-CO₂的体积应变；ε_V-He为煤吸附He的体积应变，10^-6.
2 试验结果与分析2.1 热力耦合作用下煤吸附He变形规律不同温度和孔隙压力下煤体吸附解吸He过程中产生的变形与时间的关系如图 2所示.在此次试验中，通过水浴加热方式对样品进行加热，加热到指定温度控制温度不变，在此期间水浴箱内温度会有±0.5 ℃的偏差，从而导致了曲线上的波动，但该波动不会影响到煤吸附气体变形的规律以及最终结果的统计.从中可以发现，在煤体吸附He期间，煤体轴向应变值要高于径向应变.究其原因，此次试验中He从煤体轴向方向进入其内部(该注气方式同样为工程实际应用中的注气方式)，气体压力先作用于煤体轴向，降低了该方向的有效应力，从而使得煤体产生沿轴向的膨胀变形；而注入的He经过渗流与扩散等过程才会作用于煤体径向，降低径向的有效应力，故煤体径向方向的变形要延迟于轴向，在同样的吸附时间下轴向变形要高于径向变形.
图 2(Fig. 2)

图 2 煤体吸附解吸He产生的变形随时间的变化规律Fig.2 Regularity of deformation caused by adsorption and desorption of He in coal with time (a)—40 ℃，孔隙压力8 MPa; (b)—40 ℃，孔隙压力9 MPa; (c)—40 ℃，孔隙压力10 MPa; (d)—60 ℃，孔隙压力8 MPa; (e)—60 ℃，孔隙压力9 MPa; (f)—60 ℃，孔隙压力10 MPa; (g)—80 ℃，孔隙压力8 MPa; (h)—80 ℃，孔隙压力9 MPa; (i)—80 ℃，孔隙压力10 MPa.

另一方面，当温度不变时，不同注气压力下煤体表现出的轴向和径向变形随时间的变化规律具有一致性.当孔隙压力不变时，温度从40 ℃增加到60 ℃时，在吸附He期间煤体变形的速率明显减小，而当温度为60和80 ℃时，煤体变形速率较为接近.这是因为气体在煤体内部通道中渗流与扩散的速率随着温度的升高而加快，同时由于煤是各向异性沉积岩，温度作用会提高内部热应力水平，从而一定程度上在煤体内部形成新的微裂隙通道，促使煤吸附He变形达到稳定的时间缩短.
控制温度不变，煤体注入He过程中体积应变与注入压力的关系如图 3a所示，整体上，随着压力的增加，煤体体积应变几乎呈线性趋势增大.究其原因，注入He过程中煤体处于弹性变形阶段，试验过程中煤样所受的体积应力是恒定的，有效应力由气体孔隙压力决定，孔隙压力愈大，有效应力愈小.煤体可视为内部发育孔隙和裂隙结构的双重孔隙介质，当气体孔隙压力增加(有效应力减小)时，在应力作用下煤体内部裂隙结构的开度会增大，则有效应力引起的体积应变表现为线性增大趋势.
图 3(Fig. 3)

图 3 注入He过程中煤体积应变与不同参数的关系Fig.3 Relationship of coal volumetric strain and different parameters during He injection (a)—注入压力; (b)—注入量.

不同温度条件下煤体注入He过程中体积应变与He注入量的关系如图 3b所示，从中可以发现，当注气温度为40 ℃时，随着He注入量的增加，煤体积应变(有效应力引起的煤体变形)呈线性增大规律；当温度较高时，煤体积应变与He注入量间几乎表现为非线性关系增大.
2.2 热力耦合作用下煤吸附SC-CO₂变形规律不同温度和孔隙压力下煤体吸附解吸SC-CO₂过程中产生的变形量与时间的关系如图 4所示.从中可以发现，控制温度不变，不同孔隙压力引起的煤体变形规律具有一致性；当SC-CO₂的注入压力不变时，温度从40 ℃增加到60 ℃时，煤体变形的速率较为接近，而当温度从60 ℃增加到80 ℃时，煤体变形速率明显减小.这是由于高温不利于煤基质对SC-CO₂分子的吸附，即，温度越高，有效应力引起的煤体变形越占据主导作用，吸附应力的减小使得煤体变形在60 ℃和80 ℃时显著降低.
图 4(Fig. 4)

图 4 煤体吸附解吸SC-CO2产生的变形随时间的规律Fig.4 Regularity of deformation caused by adsorption and desorption of SC-CO2 in coal with time (a)—40 ℃，孔隙压力8 MPa; (b)—40 ℃，孔隙压力9 MPa; (c)—40 ℃，孔隙压力10 MPa; (d)—60 ℃，孔隙压力8 MPa; (e)—60 ℃，孔隙压力9 MPa; (f)—60 ℃，孔隙压力10 MPa; (g)—80 ℃，孔隙压力8 MPa; (h)—80 ℃，孔隙压力9 MPa; (i)—80 ℃，孔隙压力10 MPa.

控制温度不变，煤体注入SC-CO₂过程中体积应变与注入压力的关系如图 5a所示，随着压力的增加，煤体积应变逐步增大，压力从8 MPa提高到10 MPa过程中，40，60和80 ℃下煤体积应变增幅分别为35%，29%和25%.煤对SC-CO₂具有强吸附性，当孔隙压力较大时，SC-CO₂在孔隙和裂隙内的流速加快，从而使得煤基质对气体的吸附性增强，在裂隙中流动的气体流量减小，使得孔隙气体对煤体积应变作用的效果减弱.总体上，煤体积应变增幅随温度的升高而减小.
图 5(Fig. 5)

图 5 注入SC-CO2过程中煤体积应变与不同参数的关系Fig.5 Relationship of coal volume strain and different parameters during SC-CO2 injection (a)—注入压力; (b)—吸附量.

控制压力不变，随着温度的升高，煤体积应变逐步减小，而且减小速率在增加，SC-CO₂具有极强的萃取和溶蚀能力，温度升高会降低SC-CO₂的萃取和溶蚀性，当温度升高到80 ℃，煤体内部的热应力增加，从而降低了整体的有效应力水平，同时SC-CO₂的萃取和溶蚀能力进一步减小，在两个因素的共同驱使下煤体变形降低速率进一步加大.不同温度条件下煤体注入SC-CO₂过程中体积应变与SC-CO₂吸附量的关系如图 5b所示，从中可以发现，随着SC-CO₂吸附量的增加，煤体体积应变几乎呈线性规律增大.
2.3 煤体吸附SC-CO₂过程中吸附应力对其变形的影响He注入过程中煤体应变结果为有效应力对煤体变形的影响结果.SC-CO₂吸附过程中煤体应变结果为SC-CO₂吸附过程中有效应力和吸附应力共同对煤体变形的影响结果.由此可以计算得到不同温度下煤体吸附SC-CO₂过程中吸附应力体积应变和有效应力体积应变(图 6).当温度为40 ℃时，煤体吸附SC-CO₂过程中吸附应力引起的体积应变大于有效应力引起的体积应变，说明吸附态SC-CO₂对煤体变形的影响要显著于游离态SC-CO₂的影响，该温度下煤体对SC-CO₂的吸附性极强.当温度为60 ℃时，吸附应力与有效应力引起的体积应变较为接近，该温度下煤体对SC-CO₂的吸附性减弱.当温度为80 ℃时，有效应力引起的体积应变占主导地位，该温度下虽然煤体对SC-CO₂的吸附性进一步减弱，煤体内部不均匀的热应力也减小了有效应力水平，但显然温度对吸附应力的影响要更加显著.随着注入压力的增加，吸附应力引起的体积应变在逐步增大，当注入压力高于9 MPa时，体积应变增速加快，高压下煤体对SC-CO₂的吸附性增强，同时SC-CO₂对煤体骨架的溶蚀效果更加明显.Perera等^[14]的研究同样发现了类似规律，在围岩一定的情况下注入压力从8 MPa增加到9 MPa过程中煤体积应变的增量要大于低注入压力下煤体积应变的增量.
图 6(Fig. 6)

图 6 吸附应力和有效应力引起的体积应变与SC-CO2注入压力的关系Fig.6 Relationship between volume strain caused by adsorption stress and effective stress and SC-CO2 injection pressure (a)—40 ℃；(b)—60 ℃；(c)—80 ℃.

吸附应力引起的体积应变随温度的变化曲线如图 7所示.温度从40 ℃升高到60 ℃，吸附应力引起的体积应变降低了16%~22%，而温度从60 ℃升高到80 ℃，吸附应力引起的体积应变降幅增加，降低幅度为33%~40%.可见，当温度高于60 ℃，煤体对SC-CO₂的吸附性变化很大，吸附应力对煤体变形的影响较为显著；当温度低于60 ℃，煤体对SC-CO₂依然保持很强的吸附性.
图 7(Fig. 7)

图 7 吸附应力引起的体积应变与温度的关系Fig.7 Relationship between volume strain caused by adsorption stress and temperature

有研究^[15-16]显示，吸附应力会引起煤基质向内部的膨胀变形，从而降低煤体的渗透率，而有效应力越小，体积应力对煤体变形的束缚作用越小，表现为煤体渗透率的增大.图 8为体积应变比(吸附应力体积应变/有效应力体积应变)随温度的变化规律，从中可以看出，随着温度的升高，体积应变比逐步下降，但下降速率在减缓.当温度为40 ℃时，体积应变比最大可达2，该温度下煤体渗透率较低，不利于流体在煤体内部的渗流与运移.当温度从60 ℃增至80 ℃，体积应变比大约从1降低到0.7，由此认为60 ℃是SC-CO₂合理的注入温度.
图 8(Fig. 8)

图 8 体积应变比与温度的关系Fig.8 Relationship between volume strain ratio and temperature

2.4 热力耦合作用下煤体对SC-CO₂吸附应力的变化规律不同温度下煤体的弹性模量和泊松比如表 1所示.整体上，随着温度的升高，煤体弹性模量的减小速率在逐步变缓，而煤体泊松比表现为先减小后增大的趋势.当温度低于60 ℃，煤体轴向变形速率要大于径向，而当温度高于60 ℃，煤体轴向变形速率减缓，径向变形速率逐步趋近于轴向变形速率，在热力耦合作用下煤体内部结构变化较大.
表 1(Table 1)

表 1 不同温度下煤体的弹性模量和泊松比Table 1 Elastic modulus and Poisson's ratio of coal at different temperatures 测试项目 温度/ ℃ 40 60 80 弹性模量/GPa 1.75 1.68 1.66 泊松比 0.36 0.31 0.33

表 1 不同温度下煤体的弹性模量和泊松比 Table 1 Elastic modulus and Poisson's ratio of coal at different temperatures

结合表 1和式(5)，式(6)进一步可以计算得到不同温度和压力条件下煤体对SC-CO₂的吸附应力，图 9分别为煤体对SC-CO₂吸附应力随注入压力和温度的变化规律.从中可以发现，随着注入压力的增大，煤体对SC-CO₂吸附应力在逐步增大，当压力处于9~10 MPa之间时，增幅更加明显.孙可明等^[13]对SC-CO₂作用后煤体的细观结构进行了研究，发现SC-CO₂作用后煤体内部孔隙数量和孔隙度均发生了明显的改变，且随着注入压力的增加，煤体孔隙度呈指数形式增大.煤体孔隙度的增加意味着气体与煤体基质作用的范围进一步加大，煤基质更容易吸附气体，表现为吸附应力的增大.
图 9(Fig. 9)

图 9 SC-CO2吸附应力与不同参数的关系Fig.9 Relationship between SC-CO2 adsorption stress and different parameters (a)—注入压力; (b)—温度.

随着温度的升高，煤体对SC-CO₂吸附应力在逐渐减小.以注入压力为8 MPa为例，温度从40 ℃增加到60 ℃，吸附应力降低了42%，温度从60 ℃增加到80 ℃，吸附应力降低了29%.究其原因，温度的升高不利于煤基质对气体的吸附，煤体内部孔裂隙中游离的气体分子数目增加，同时温度作用下煤体骨架强度降低，在热力耦合作用下煤体内部原生裂隙结构可能闭合，进而导致吸附应力的减小.
为了确定注SC-CO₂驱替煤层气的合理温度，采用同样的研究方法得到了煤体对CH₄的吸附应力，进一步得到SC-CO₂与CH₄吸附应力比随温度的变化规律，如图 10所示.从中发现，整体上，不同温度和注气压力条件下吸附应力比处于2.4~3.6之间，当温度为60 ℃时，吸附应力比最大，即，该温度下煤体对SC-CO₂的吸附性要远优于CH₄，SC-CO₂置换CH₄的效果最佳.
图 10(Fig. 10)

图 10 吸附应力比与温度的关系Fig.10 Relationship between adsorption stress ratio and temperature

3 结论1) 在进行煤体吸附气体变形测试过程中，气体压力先作用于煤体轴向，降低了该方向的有效应力，煤体径向方向的变形要延迟于轴向，在同样的吸附时间下轴向变形要高于径向变形.
2) He和SC-CO₂引起的煤体应变随注气压力的变化规律具有相似性；而在温度升高过程中，煤体吸附He体积应变表现为先增后减的特征.
3) 温度升高过程中，煤体吸附SC-CO₂过程中煤体变形从吸附应力占主导逐渐转变为有效应力占主导，吸附应力与有效应力的体积应变之比在逐步减小，当温度为40 ℃时，体积应变比达到2，煤体渗透率较低，不利于流体在煤体内部的渗流与运移.
4) 随着温度的升高，煤体对SC-CO₂吸附应力在逐渐减小，温度从60 ℃增加到80 ℃，吸附应力仅降低了29%.不同温度和注气压力条件下SC-CO₂与CH₄的吸附应力比为2.4~3.6，当温度为60 ℃时，吸附应力比最大，SC-CO₂置换CH₄的效果最佳.
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