河北开滦矿区晚古生代煤对CH_4/CO_2二元气体等温解吸特性

研究了河北开滦矿区不同变质程度的煤对不同配比CH4/CO2二元气体等温解吸特性,并用扩展Langmuir方程的推论计算了CH4/CO2二元气体各组分在吸附相中的浓度,分析了其变化特征。结果表明:在开滦矿区煤对CH4/CO2二元气体解吸过程中,中等变质程度煤(Ro=1.21%)对混合气体的吸附能力大于低变质程度煤(Ro=0.58%),且混合气体中CO2浓度越大,总吸附量越多。吸附相中CH4的相对浓度是逐渐降低的,CO2的相对浓度是逐渐升高的。开滦矿区中等变质程度煤相对于低变质程度煤,用CO2气体置换煤层中CH4,可以获得较高的单位压降CH4解吸率,注入CO2的量越多、相对浓度越高,其置换效果就越好,更适于往煤层注入CO2提高煤层气产量技术的实施。     

不同变质变形煤储层吸附/解吸特征及机理研究进展

不同变质变形煤储层包括低煤级、中煤级和高煤级变质变形环境中的脆性变形煤、韧性变形煤和过渡型变形煤,不同变质、变形程度和机制对煤层气的吸附/解吸影响较大。干燥煤和平衡水煤的甲烷吸附量随变质程度的增强呈现出不同的变化趋势,干燥煤呈横"S"形且易于解吸,而平衡水煤呈倒"U"字形且吸附/解吸强度皆低于干燥煤样,且解吸过程较干燥煤滞后。构造变形导致煤的大分子结构和纳米级孔隙发生不同程度的改变,进而影响气体的吸附/解吸能力,脆性变形主要增加煤的大、中孔,其基本结构单元堆砌度略有增大,甲烷吸附/解吸程度有所增强;韧性变形主要增加煤的微孔-超微孔,其基本结构单元堆砌度增加较快,煤层气吸附能力增强,降压时韧性变形煤比脆性变形煤具有较高的瞬时解吸速率。由此可见,不同变质变形环境中的煤储层吸附/解吸能力差异较大,这主要是由煤储层内部结构及其影响因素对其制约所决定的。     

吸附势理论在煤层气吸附/解吸中的应用

煤层气的吸附/解吸将导致煤层甲烷碳同位素以及煤层气多组分分馏,使得煤层气富集区预测成为可能;并为揭示注入CO2增强CH4产出提供依据。本文根据Polanyi吸附势理论和实测及收集的等温吸附试验数据,探讨煤层甲烷碳同位素和多组分气体的分馏。通过研究,得到如下两个结论：①13CH4在煤表面的吸附势普遍高于12CH4,也就是说13CH4与12CH4相比具有优先吸附、滞后解吸的特点。这种差异具有随压力增加而增加的特点。②煤层气吸附/解吸过程中CH4和CO2的分馏可归纳为以下3种情形： a. CO2和CH4的吸附/解吸等温线不相交,CO2的吸附势大于等于CH4,在CO2和CH4吸附势接近的中压阶段(1~2.5 MPa)不利于注CO2驱CH4,高压、低压阶段均有利; b. 因CH4的吸附/解吸等温线相交造成CH4和CO2的吸附特性曲线相交,在高压条件(>2.5 MPa)下利于注CO2驱CH4; c. 因CO2的吸附/解吸等温线相交造成CH4和CO2的吸附特性曲线相交,在高压条件(>2.5 MPa)下利于注CO2驱CH4。吸附势理论的引入为定量评价注入二氧化碳驱甲烷工艺参数和有利储层的选择提供了方法,并揭示了在高压条件(>2.5 MPa)下总是有利于向煤层注入CO2强化CH4产出。     

构造煤中煤层气扩散-渗流特征及其机理

煤层气产出一般要经过解吸、扩散和渗流三个阶段,而煤层气在变形较强的构造煤中的扩散过程不同于在原生结构煤或变形较弱的煤体中的扩散。外界压力的变化只是构造煤吸附与解吸整个过程的一种外在因素,构造煤的变形和结构变化以及吸附势场的转换才是构造煤吸附与解吸的内在因素,是导致解吸过程不可逆性的根本原因。当构造煤体与CH4等多元气体间的吸附平衡状态遭到破坏时,变形较强的构造煤在降压后会产生解吸滞后现象;而变形较弱的煤,分子结构中的气体会很快解吸,第一阶段是气体解吸作用,第二阶段是游离气体从微孔向较大孔隙扩散的过程,气体扩散速率主要由第二阶段决定。构造煤气体扩散机理主要是由孔隙形状、大小、连通性和多元气体性质和状态所决定的。韧性变形煤的微孔隙比较发达,所以韧性变形煤以Knudsen扩散为主,脆性变形煤的中、大孔隙所占比例较大,而且脆性变形煤的孔隙之间具有很好的连通性,所以脆性变形煤以Fick型扩散为主,脆-韧性变形煤以及接近脆-韧性变形煤的脆性变形煤和韧性变形煤均以过渡型扩散为主。在试井渗透率比较中,一定变形程度的脆性变形煤>韧性变形煤,脆性变形煤中以过渡孔为主,其余为微孔,测不出亚微孔和极微孔,脆性变形还增加了各孔隙之间的相互连通性。韧性变形煤中过渡孔比表面积所占比例下降,微孔和亚微孔增高,扩散主要发生在微孔和过渡孔中,所以韧性变形煤的试井渗透率低于脆性变形煤的试井渗透率。     

无烟煤对甲烷等温吸附解吸特性实验研究

研究空气干燥基无烟煤对甲烷(CH4)的等温吸附/解吸特性,发现其对甲烷的解吸残余率达56%。为了对其进行深入探讨,特设计了原煤样的炭化和活化实验,扩大了原料的比表面积,进而在等温条件下研究了两个改性样品对甲烷的吸附/解吸特性。对比发现,比表面积的增大能显著增加样品对甲烷的吸附总量,但对解吸残余率没有明显的影响。考虑到影响甲烷吸附/解吸的因素,又在等温条件下对主控因素——水分作了平行实验,结果显示,水分对活化样解吸残余率有明显影响。     

构造抬升过程中煤储层吸附能力的耦合效应及控制因素

煤层气盆地在地史演化过程中几乎都经历了多次抬升作用,构造抬升作用对煤储层吸附能力有着直接的影响。本文拟通过物理模拟实验和数值模拟对构造抬升过程中煤储层吸附能力的耦合效应和控制因素进行探讨。研究中选取高、低煤阶煤储层样品进行等温吸附实验,并假定地温梯度为分别为2℃/100m、4℃/100m和6℃/100m,压力梯度分别为0.3MPa/100m、0.5 MPa/100m和1.0MPa/100m模拟抬升过程中吸附量的变化。研究结果表明,煤储层在构造抬升过程中的吸附能力的变化主要受温压综合作用、煤储层热演化程度和构造抬升强度的控制。构造抬升时,温度作用效果占主导地位,煤储层吸附量增加;反之,压力作用效果占主导地位,煤储层吸附量减少。高煤阶煤层吸附量的变化量大于低煤阶变化量。抬升强度较大时煤层吸附量持续降低,较小时会使吸附量增加。煤层气在抬升过程中可能会出现吸附或解吸,与以往只是解吸的认识不同。当温度作用效果大于压力作用效果,即煤储层吸附量增加时,抬升作用易导致煤储层的含气欠饱和。     

构造抬升过程中煤储层吸附能力的耦合效应及控制因素

煤层气盆地在地史演化过程中几乎都经历了多次抬升作用,构造抬升作用对煤储层吸附能力有着直接的影响。文中通过物理模拟实验和数值模拟对构造抬升过程中煤储层吸附能力的耦合效应和控制因素进行探讨。研究选取高、低煤阶煤储层样品进行等温吸附实验,并假定地温梯度分别为2、4和6 ℃/hm,压力梯度分别为0.3、0.5和1.0 MPa/hm模拟抬升过程中吸附量的变化。研究结果表明,煤储层在构造抬升过程中的吸附能力的变化主要受温压综合作用、煤储层热演化程度和构造抬升强度的控制。构造抬升时,温度作用效果占主导地位,煤储层吸附量增加;反之,压力作用效果占主导地位,煤储层吸附量减少。高煤阶煤层吸附量的变化量大于低煤阶变化量。抬升强度较大时煤层吸附量持续降低,较小时会使吸附量增加。煤层气在抬升过程中可能会出现吸附或解吸,与以往只是解吸的认识不同。当温度作用效果大于压力作用效果,即煤储层吸附量增加时,抬升作用易导致煤储层的含气欠饱和。     

构造煤与原生结构煤中甲烷扩散性能差异性分析

原生结构煤受构造应力破坏后形成不同类型煤体结构煤,其孔隙结构、吸附/解吸、扩散和渗透能力等将发生变化,从而影响煤层气的赋存与产出.通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层原生结构煤与构造煤样品进行甲烷等温吸附实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验,分析了构造煤与原生结构煤的吸附?解吸性能及孔隙结构特征;应用单孔和双孔非稳态扩散模型,揭...     

河北开滦矿区晚古生代煤对CO2 和CH4 气体吸附模型探讨

对河北开滦矿区不同变质程度的煤进行了纯CO2和纯CH4气体等温吸附实验,并用Langmuir模型、三参数BET模型和吸附势理论模型（DR,DA）对煤的吸附实验数据进行了拟合,检验了各模型的拟合程度。结果表明：中煤阶烟煤的马家沟矿9号煤（Ro, ran = 1.21%）对CH4和CO2吸附能力比低煤阶烟煤的林南仓矿11号煤（Ro, ran = 0.58%）的吸附能力大;在相同压力下,同一煤样对CO2的吸附能力明显大于对CH4的吸附能力。马家沟矿9号煤对CO2和CH4的等温吸附线具有典型的I型特征,各模型对其吸附行为拟合误差相差很小,可用Langmuir方程描述;林南仓矿煤等温吸附线较复杂,因用Langmuir描述误差较大,应优先选择误差较小的吸附势理论DA模型来描述其吸附行为。9号煤对CH4和11号煤对CO2和CH4的吸附均以单分子层吸附为主。     

煤基质中甲烷扩散动力学特性研究

甲烷在煤基质中的质量传递过程可用费克第一定律或费克第二定律来模拟。本文通过等温吸附-解吸实验的动力学数据,以费克第二定律为理论基础,对煤基质球形单元模型建立了试验求取扩散特性的方法。晋城煤样等温吸附及解吸实验的数据处理结果表明,吸附-解吸速率均随压力及煤样气含量的增加而增加;吸附速率与解吸速率随压力的变化曲线基本相同。      

低阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附性能影响

低阶煤甲烷吸附特性研究对瓦斯含量预测、瓦斯抽采及危害防治有着重要意义,为此,选取陕西6个典型矿井低阶煤样,进行低温氮吸附、低压二氧化碳吸附及甲烷等温吸附实验,获得低阶煤吸附孔结构特征。利用微孔填充及单分子层吸附理论定量表征甲烷吸附特征参数与吸附孔结构参数之间的关系,明确吸附孔中甲烷吸附机理。结果表明：吸附孔的比表面积主要由微孔提供,甲烷吸附能力主要受吸附孔孔容大小控制,微孔孔容对吸附孔总孔容的贡献率在74.71%～88.97%。甲烷极限吸附量与吸附孔平均孔径呈线性负相关,与吸附孔孔容、比表面积呈线性正相关,Langmuir压力常数随吸附孔平均孔径、孔容和比表面积的增加仅在小范围内波动,无明显线性相关。6个低阶煤样的分形特征明显,综合分形维数为2.573～2.720,平均值为2.647,说明低阶煤吸附孔非均质性强,甲烷极限吸附量随分形维数增加先增加后减小,整体呈上升趋势。基于微孔填充和单分子层吸附理论可以定量表征低阶煤吸附孔结构与甲烷吸附能力之间的关系,甲烷极限吸附量计算值与实验测试值相对误差较小,长焰煤相对误差为4.47%～6.65%,不黏煤为13.77%～16.02%。研究成果可为后...     

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

长期以来针对CO₂-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO₂封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO₂的封存空间、可否实现CO₂驱替CH₄和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO₂与CH₄混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO₂-ECBM和CO₂吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO₂比例减少,CH₄驱替效果降低,其中40%CH₄+60%CO₂混合气体的CO₂残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH₄产出,而83.62%的CO₂吸附残余在煤中,表明其C...     

ScCO2-H2O作用下不同煤级煤化学结构变化的实验研究

超临界二氧化碳（ScCO₂）–H₂O–煤地球化学反应可造成煤物理结构和化学结构的改变,对煤层注CO₂增采甲烷的有效性尤为关键。为了探讨ScCO₂-H₂O-煤反应对不同变质程度煤化学结构的影响,选择3个不同煤化程度煤样,在自主研制的ScCO₂-H₂O-煤地球化学反应模拟实验装置中模拟1000m埋深条件下煤样与ScCO₂和去离子水反应240h,并对反应前后的煤样分别进行了X射线衍射和拉曼光谱实验,对比分析了反应前后煤样晶体结构和碳有序度的变化特征。测试结果表明:ScCO₂-H₂O反应破坏了煤的晶体完整性和碳有序度,改变了煤的大分子结构,且对低阶煤和中–高阶煤具有不同的影响,反应提高了低阶煤的平行定向程度,使其结构更加紧凑,减小了面网间距,而使中–高阶煤中无序单元增加,面网间距增大。该研究结果为CO₂-ECBM项目实施中ScCO₂-H₂O作用对煤储层吸附解吸特征和孔渗特征影响的研究奠定了微观尺度基础。      

超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验

查明超临界状态下煤岩对CO₂的吸附/解吸特征,能为煤层气开采现场注CO₂的注入参数选取提供理论依据。以山西屯留矿的瘦煤和寺河矿的无烟煤为研究对象,借助ISO-300型等温吸附实验仪分别进行了不同温度(35℃、45℃、55℃)、最高压力达到CO₂临界压力以上时的吸附/解吸实验。结果表明:超临界状态下,随着压力升高,容量法测得的吸附量存在最大值,不代表煤样的绝对吸附量,而是Gibbs吸附量;根据煤岩在高压下吸附CO₂的本质,计算出超临界状态下煤岩吸附/解吸CO₂的真实量。超临界状态下煤岩吸附CO₂的真实量与压力之间符合langmuir吸附曲线,随着吸附压力的升高,Gibbs吸附量与绝对吸附量之间的差值越来越大;随着温度的升高,煤样的饱和吸附量降低;同样条件下,高变质程度的无烟煤对CO₂的饱和吸附量大于瘦煤;超临界状态下煤样对CO₂的绝对吸附等温线和绝对解吸等温线是可逆的。      

等压扩散下CO2对不同变质程度煤中CH4置换效应的影响

为了研究等压扩散条件下不同变质程度煤中CO₂置换CH₄特征规律,选择无烟煤、瘦煤和气肥煤3种煤样,进行了不同等压扩散压力下的等压扩散置换实验。实验结果表明:随着煤变质程度的增加煤吸附CH₄和CO₂的能力表现出逐渐增强的趋势,且CO₂的吸附量大于CH₄的吸附量;随着实验点扩散压力的增加,CO₂对CH₄的绝对置换量和置换率均随之增加,CO₂对CH₄的注置比却随之降低。在实验煤样变质程度范围内,CH₄置换率与煤变质程度和CO₂注置比均呈负相关关系。研究成果对井下注CO₂置换煤层CH₄的工程技术和理论具有指导意义。      

贵州牛蹄塘组页岩气表面自由能研究

为了研究页岩对气体的吸附机理,在50℃、60℃、80℃ 3个温度点对贵州凤参1井和天马1井的页岩样品进行等温吸附实验,并绘制出了CH₄和CO₂等温吸附曲线图,计算得到页岩表面自由能,从自由能角度分析页岩对CH₄和CO₂气体的吸附特性。研究结果表明:当温度一定时,随着压力的增加,页岩对2种气体的表面自由能变化值均呈现出不断增加的趋势,当压力一定时,随着温度的增加,表面自由能会逐渐减小,这与等温吸附曲线上气体吸附量随压力的变化是一致的;页岩对CO₂的表面自由能变化值均要大于CH₄,表明页岩对CO₂的吸附能力比CH 4 更强,可以通过向页岩层中注入CO₂来提高采收率;对于吸附能力较强的页岩气藏,可以通过注入表面活性剂的方法,增强活性剂与页岩表面的结合能力,降低CH₄占有面积及其与页岩的表面自由能,以此达到促使CH₄解吸的目的。      

深部中-高煤级煤储层孔隙结构与吸附性

为了探讨中-高煤级深部煤层孔隙结构特征和吸附性,以陕西宜川和山西柿庄地区埋深100~1 800 m的中-高煤级样品为研究对象,对样品进行了煤岩煤质分析以及压汞法、核磁共振、低温液氮和等温吸附等测试,结果表明：(1)随着深度的增加,煤层吸附孔含量增多,渗流孔含量减小,渗透性降低,储层物性变差。(2)比表面积和总孔体积在1 000 m附近出现高值区域,随后才出现如前人所述的随深度逐渐降低的趋势,这与小孔的贡献率一致,可见比表面积和总孔体积并非完全由微孔决定,小孔作用显著。(3)深部煤层吸附性是压力的正效应与温度的负效应共同作用的结果,随着压力的增高,吸附量明显增加,温度每升高1 ℃,吸附量平均减少0.25 cm³/g;兰氏压力并不是简单地随温度递增而递增,而是存在随温度变化的拐点(35 ℃),大于拐点温度时,兰氏压力才呈现增高趋势。     

不同煤级煤对H2S气体的吸附差异及吸附模型

为了研究不同煤级煤对H₂S气体的吸附差异及吸附模型,采集新疆气煤,山西潞安瘦煤、晋城无烟煤3个煤样进行了工业分析、煤岩分析和平衡水条件下的等温吸附实验。采用Langmuir,BET,D-R和D-A吸附模型,利用拟合软件对等温吸附实验数据进行了非线性回归拟合,并检验拟合程度。结果表明:煤对H₂S的吸附量随着煤化程度的加深而增加,为第Ⅰ类等温吸附线;其中Langmuir模型的拟合效果最好,n=1的D-A模型的拟合效果次之,BET模型的拟合效果较差,模型对实验数据的拟合效果与吸附模型中参数个数无明显关系;煤吸附H₂S可用单分子层吸附理论来解释。      

煤岩类型对煤储层吸附/解吸特征影响及实践意义

宏观煤岩类型差异是影响煤层气吸附/解吸特征及煤层气井产能的重要因素之一。针对保德区块BX-2井8+9号煤4种不同宏观煤岩类型样品,开展工业分析、显微组分、润湿性及等温吸附/解吸实验研究,探讨了煤岩类型对煤层气吸附/解吸特征的影响及其机制。结果表明:暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的镜质组含量逐渐增大,水分和灰分含量逐渐降低,亲水性逐渐减弱,Langmuir体积逐渐增大;光亮煤和半亮煤具有更强的吸附能力,同时具有更高的启动压力、转折压力和敏感压力,解吸过程中对应的有效阶段区间宽度更大,更有利于煤层气开发。宏观煤岩类型对吸附/解吸特征的影响机制主要体现在不同煤岩类型煤组分和润湿性的差异。基于宏观煤岩类型分层厚度占比参数,对BX-2井解吸特征参数进行了加权平均计算,并将该井煤层气解吸阶段划分为缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸3个阶段,将排采阶段划分为排水降压、不稳定产气、稳定产气和产气衰减4个阶段。排水降压阶段应控制排水速度,减少应力敏感效应对渗透性的伤害;不稳定产气阶段应适当控制套压,尽量扩大解吸半径;稳定产气和产气衰减阶段应适当增大生产压差,利用解吸效率高的优势延长产气高峰期和稳产期。