温度对煤吸附甲烷的影响实验

为了研究温度对煤吸附甲烷的影响,实验测定了不同温度下煤对甲烷的吸附等温线,并对实验数据进行了拟合,同时对覆盖度与压力、温度、吸附量以及孔隙类型的关系进行了分析。结果表明:随着温度的增高,饱和吸附量和吸附速率明显降低,并且含气量与覆盖度呈正相关关系;同一压力下,随着温度升高,覆盖度降低;相对覆盖度概念可以解释高温覆盖度高而吸附量小于低温阶段的现象;结合孔隙度和液氮分析结果发现,随着温度的增高,小孔和微孔的吸附能力强于中孔和大孔;甲烷在煤上的等量吸附热随吸附量的增大而增大,但无规律可循,且由Clausius-Clapeyron方程预测出的等温吸附曲线与实测值有偏差,表明煤表面能量的不均匀性和表面离子的复杂性。      

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...     

煤体结构差异的吸附响应及其控制机理

为了研究不同煤体结构煤的吸附行为差异和作用机理, 以焦作煤田为研究区, 对煤体破坏严重的糜棱煤和原生结构煤的岩石学组成、吸附性和孔隙性进行了测试, 结果表明: 煤体破坏后, 吸附、解吸能力增大; 温度增加, 煤的吸附能力均为下降, 解吸能力增加.相比于原生结构煤, 随着温度增加, 糜棱煤吸附能力下降趋势和解吸能力增大趋势比原生结构煤更为明显.研究认为: 煤体破坏后, 不同孔径段的孔隙数量均有增大, 使得煤样容纳气体的能力增大.特别是大中孔含量的增大, 导致了糜棱煤样更容易发生解吸.另外, 煤体破坏后的煤级增高、镜质组含量增大和惰质组含量减小也对吸附能力增大具有重要作用, 而灰分含量不是决定两类煤吸附性差异的主要因素.      

煤体性质对煤吸附容量的控制作用探讨

煤体性质是影响煤吸附容量的重要因素之一。通过对中国华北和西北两个重要煤层气富集区煤的煤岩学、煤化学和等温吸附实验分析,从煤级、显微组分、煤体变形三个方面对煤的吸附容量及其控制因素进行了, 分析探讨。结果表明,水分平衡条件下煤的吸附容量与煤阶的关系为倒U字型,吸附容量随煤阶的变化为跃变式, 基本与四次煤化作用跃变阶段相对应,主要受控于煤化作用过程中煤的亲甲烷能力和孔隙度的变化;煤体中惰质组含量较高时,其对煤体的吸附容量的影响较为明显,主要与惰质组中丝质体的高吸附能力有关;在构造应力作用下,煤体表面物化发生的变化使构造煤吸附容量比同一矿区同一煤层原生结构煤高。     

构造变形对煤储层孔隙结构与比表面积的影响研究

煤的孔隙结构和比表面积不仅影响煤层气吸附与储集能力,而且对气体渗流和扩散有重要的控制作用。通过对芦岭煤矿8,9煤层煤样低温液氮实验,对比分析了原生结构煤和不同变形强度构造煤的孔隙结构与比表面积的变化。结果表明,构造煤的比表面积和总孔体积平均值是原生结构煤的2.95倍和3.84倍。随着煤体韧性变形强度增加,构造煤的比表面积逐渐增大,微孔占比增加,小孔和中孔占比较少,总孔体积变化以糜棱煤为界呈现先增加后减小的特点。     

软煤和硬煤的甲烷吸附扩散特性对比

研究煤的吸附和放散特性,对于查明煤与瓦斯突出中甲烷的作用,提高煤层气采收率或矿井抽采率具有重要作用。通过自行研制的实验装置,对河南新安矿和平煤一矿软煤和硬煤甲烷吸附和扩散的性质、相同吸附压力下的吸附量和Langmuir吸附常数的差异进行分析,阐明煤表面能的控制因素,查明煤在初始解吸时刻的扩散系数。结果表明,同一煤层中软煤比共生的硬煤具有更大的Langmuir吸附体积,在同一吸附压力下同阶煤的吸附量与煤的软硬和吸附压力有关,软煤和硬煤的表面能与煤阶有关,短时间解吸时软煤扩散系数大于硬煤,长时间解吸后硬煤的扩散系数大于软煤,且软硬煤的扩散系数均随解吸时间延长和吸附平衡压力的增加而减小。      

煤的吸附性能及影响因素

为了研究煤的储气性能,笔者对124个煤样进行等温吸附试验、煤岩测试、工业分析、压汞试验和低温液氮测试．研究表明：(1)煤变质对煤吸附能力具有控制作用,反射率从0．3％～4．25％,可燃基的Langmuir体积是11．25～47．16cm^2／g;(2)平衡水煤样吸附量与镜质组含量呈正相关、与惰质组含量呈负相关、与孔隙比表面积、微孔比表面积、微孔孔体积呈正相关;(3)水分、温度对煤的吸附能力有负面影响．煤变质程度不同,吸附曲线的变化趋势不同：气煤随着温度和压力增加吸附量一直增大,说明压力的影响起主导作用;无烟煤在温度小于60℃、压力小于15MPa之前,随着温度和压力同时增加吸附量增大,说明压力的影响起主导作用,之后,吸附量减小,说明温度的影响大于压力的影响。     

低煤阶煤中甲烷扩散性能分析

甲烷在煤基质中的扩散性能是影响煤层气产出的重要储层参数。采用云南东南部地区新近系中新统小龙潭组褐煤样品,开展了低煤阶煤中甲烷等温吸附实验。基于等温吸附实验获得的吸附量与时间的关系数据,应用一元孔隙结构气体非稳态扩散模型,计算了煤中甲烷气体扩散系数,揭示了煤中甲烷扩散规律和控制机理。研究结果表明,低煤阶煤中气体扩散规律服从Langmuir方程,煤中甲烷有效扩散系数和扩散系数随着压力的增高而增大;吸附时间常数随着压力的增高而减小,服从负指数函数规律。4个实验煤样Langmuir有效扩散系数和扩散系数分别是（1.71~5.46）×10-4 s-1和（2.17~6.91）×10-12 m2/s,Langmuir压力为0.63~1.97 MPa。在相同温度和压力条件下,干燥煤样的有效扩散系数和扩散系数大于平衡水分煤样,随着温度的增高,其有效扩散系数和扩散系数增加,煤中气体扩散性能增强。      

煤岩构造变形与动力变质作用

煤岩是一种对温度、压力等地质环境因素十分敏感的有机岩,地质演化过程中的各种构造-热事件必然导致煤岩发生一系列物理与化学结构的变化,并形成不同类型的构造煤。在构造应力作用下,煤岩不仅发生脆性和韧性变形,而且还产生不同程度的动力变质作用。因而,关于煤岩构造变形与动力变质作用的研究不仅具有重要的科学意义,而且在煤层气资源评价以及煤与瓦斯突出危险性预测方面也具有重要的实际意义。文中在已有研究成果基础上,通过对构造煤系列Ro,max、XRD和NMR(CP/MAS+TOSS)等测试和实验方法的对比研究,深入分析了煤岩不同构造变形和动力变质特征,进一步探讨了构造应力下煤岩动力变质作用的机理。研究成果表明,在构造应力作用下,煤岩脆性变形主要是通过破裂面上快速机械摩擦转化为热能而引起煤岩化学结构与其成分的改变;而韧性变形煤主要是通过局部区域应变能的积累而引起煤岩化学结构的破坏,从而发生不同机制的动力变质作用。     

基于LAMMPS的煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动规律研究

基于LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)分子动力学方法,研究煤纳米孔隙中驱动力、孔径、温度和压力对甲烷吸附/解吸和流动的影响规律。结果表明,随着驱动力增加,甲烷分子黏度逐渐减小,流动性增强,流动速度增大,滑移长度绝对值逐渐减小,流动趋近于无滑移状态。甲烷的吸附密度与驱动力无关,主要受气?固作用影响。甲烷在流动过程中会吸附于煤孔隙壁面,当煤孔径较小时,甲烷几乎全部吸附,无游离态甲烷。增大煤孔径,壁面范德华力对游离态甲烷影响减弱,甲烷流动速度增大,孔隙内出现大量游离态甲烷,甲烷由单峰分布转为2个对称的双峰分布。大孔径中甲烷黏度较低,流动性好,Hagen-Poiseuille方程更适用于较大孔径中的甲烷流动。升高温度,甲烷分子热运动增强,吸附层密度降低,甲烷流动速度增加,煤孔隙壁上吸附态甲烷解吸为游离态甲烷,甲烷流量增大。增大压力,孔隙内甲烷数量逐渐增多,甲烷分子间强烈的相互碰撞使得甲烷流动阻力增大,流速减小。从微观角度通过建立更加真实的模型阐明了煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动机制,研究结果可为工程应用中促进甲烷解吸、提升煤层气开采效率提供理论基础。      

构造附加动力对煤变质过程的影响

本文从固体力学、构造物理化学的角度分析了煤岩所受应力的来源、性质以及应力在煤变质过程中的影响方式。作者在前人研究基础上,阐述了构造动力影响过程中煤岩能量的转换形式,分析了应力在烟煤分子团聚过程中的影响。研究认为,煤岩所受的各种应力(压应力、拉应力、剪应力)为地层压力与构造动力所造成的附加内力。这种附加内力可以分解为构造附加静水压力与偏应力两部分。构造附加静水压力主要影响煤岩的物理性质,如孔隙度、颗粒性质与瓦斯吸附特征,并对煤的化学煤化过程有缓慢促进作用。偏应力主要使煤岩发生变形和位移。煤化过程中,由构造运动所产生的动能转化为各种形式的热能、表面能、弹性变形能以及声、光、电、磁等形态能量。     

Modelling of anisotropic coal swelling and its impact on permeability behaviour for primary and enhanced coalbed methane recovery

Coal swelling/shrinkage during gas adsorption/desorption is a well-known phenomenon. For some coals the swelling/shrinkage shows strong anisotropy, with more swelling in the direction perpendicular to the bedding than that parallel to the bedding. Experimental measurements performed in this work on an Australian coal found strong anisotropic swelling behaviour in gases including nitrogen, methane and carbon dioxide, with swelling in the direction perpendicular to the bedding almost double that parallel to the bedding. It is proposed here that this anisotropy is caused by anisotropy in the coal's mechanical properties and matrix structure. The Pan and Connell coal swelling model, which applies an energy balance approach where the surface energy change caused by adsorption is equal to the elastic energy change of the coal solid, is further developed to describe the anisotropic swelling behaviour incorporating coal property and structure anisotropy. The developed anisotropic swelling model is able to accurately describe the experimental data mentioned above, with one set of parameters to describe the coal's properties and matrix structure and three gas adsorption isotherms. This developed model is also applied to describe anisotropic swelling measurements from the literature where the model was found to provide excellent agreement with the measurement. The anisotropic coal swelling model is also applied to an anisotropic permeability model to describe permeability behaviour for primary and enhanced coalbed methane recovery. It was found that the permeability calculation applying anisotropic coal swelling differs significantly to the permeability calculated using isotropic volumetric coal swelling strain. This demonstrates that for coals with strong anisotropic swelling, anisotropic swelling and permeability models should be applied to more accurately describe coal permeability behaviour for both primary and enhanced coalbed methane recovery processes.     

沁水盆地南部中高阶煤高压甲烷吸附行为

煤层气吸附作用是发生在煤基质内表面的物理过程,而煤岩复杂孔裂隙网络为高压甲烷吸附提供了丰富的空间。开展沁水盆地南部高阶煤30℃高压甲烷等温吸附实验,结合煤岩煤质参数与孔隙特征参数,通过改进的D-R模型分析了煤岩性质、孔隙特征与吸附参数的相关性。煤岩性质对最大吸附能力和吸附热参数的影响是多因素叠加的综合效应,而最大吸附能力与微孔体积,吸附体积校正参数与大中孔比表面积呈较好的正相关性,表明甲烷分子在煤基质内表面会根据孔径尺度大小呈现不同的吸附方式。据此提出高压甲烷在煤基质微孔中呈紧密堆积状态而在大中孔中呈多层分子堆叠状态的新认识,为进一步研究煤层气吸附机理提供了新的思路。      

煤层气吸附量动态变化模型研究

基于吸附势理论、气体状态方程,建立了煤储层压力与煤体吸附半径、孔隙半径与煤体吸附量、储层压力与煤体吸附量之间的关系模型,得出储层压力、吸附量、孔隙半径等多参数耦合的煤层气吸附量动态变化模型,利用潘庄区块煤体结构测试数据以及等温吸附试验结果对模型进行了验证。结果表明:潘庄区块以孔径小于7.7 nm的微孔为主,以孔径7.7 nm为临界点孔容呈先减小后增大趋势;模型计算的吸附量动态变化结果与煤体空气干燥基等温吸附变化结果在趋势上具有较高的一致性,模型的起始点为枯竭压力以及枯竭吸附量,得出潘庄区块枯竭吸附量为3 m3/t。模型不仅能够计算地层条件下不同温度和压力共同作用下煤体对甲烷气体的吸附量,且能够预测煤层气排采过程煤层气吸附量的动态变化,有助于确定煤层气排采工作制度以及提高煤层气采收率。      

远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律

煤体对气体进行吸附/解吸过程的本质是气体分子和煤基质表面分子或原子相互作用的过程，而发生相互作用的本质是能量变化，为了深入研究远红外作用下煤层气吸附/解吸过程及能量变化规律，利用自主研制装置进行远红外作用下不同含水率煤样对CO₂的吸附/解吸实验，然后利用远红外热辐射原理所得的吸附/解吸能量公式对实验结果进行计算，得到不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律。结果表明:在远红外作用下，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋势，但是下降幅度明显减小，远红外作用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响；远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/解吸过程是一个物理变化，从能量角度可以解释该过程，其变化规律与等温吸附/解吸过程相吻合。研究结果丰富了煤层气增产技术理论。      

颗粒煤超临界态甲烷吸附相密度特征研究

查明颗粒煤超临界态甲烷吸附相密度特征是研究温度、压力影响煤样吸附甲烷量的基础。选用安阳–鹤壁煤田鹤壁六矿与龙山矿颗粒煤样,借助磁悬浮天平等温吸附仪测量温度为308、313和318 K,压力为1~24 MPa下的等温吸附线。利用截距法、Langmuir三元模型拟合法与液相密度法分别计算超临界甲烷吸附饱和时的吸附相密度,分析其影响因素,并通过定吸附相体积的方法,一方面计算未吸附饱和时的吸附相密度,对峰值型拐点与过剩吸附量出现负值的实验现象进行解释,另一方面校正出较为理想的绝对吸附量。吸附相密度的计算结果表明,甲烷吸附相密度受温度、压力和煤变质程度的影响:随温度升高而降低,随压力升高先快速增加,后逐渐变缓,测量范围内吸附饱和时,无烟煤吸附相密度为121.60~136.17 kg/m3,贫瘦煤为73.29~76.96 kg/m3;绝对吸附量的计算结果表明,采用液相密度法校正出的绝对吸附量会出现负值,明显与实际不符,用截距法和Langmuir三元模型法校正的绝对吸附量会因实验条件的变化而改变,结合吸附常数b值的变化规律,发现用Langmuir三元模型法描述超临界甲烷的吸附行为最为恰当。      

An Experimental Study on the Conductivity Changes in Coal during Methane Adsorption-Desorption and their Influencing Factors

During the processes of methane adsorption and desorption, the internal structure of coal changes, accordingly leading to changes in electrical conductivity. In this paper, using low rank coal seams of the Yan’an Formation in the Dafosi field as the research subject, the relationship between coal resistivity, methane adsorption quantity, and equilibrium pressure is analyzed through proximate analysis, mercury injection tests, low temperature liquid nitrogen adsorption tests, and coal resistivity measurements during methane adsorption and desorption. The results show that during the process of pressure rise and methane adsorption, the conductivity of coal increases, resulting from heat release from methane adsorption, coal matrix swelling and adsorbed water molecules replaced by methane, but the resistivity reduction gradually decreases. The relationship between coal resistivity and methane adsorption quantity and equilibrium pressure can be described by a quadratic function. During the processes of depressurization and desorption, the resistivity of coal rebounds slightly, due to decalescence of methane desorption, coal matrix shrinkage and water-gas displacement, and the relationship coincides with a linear function. Methane adsorption leads to irreversible changes in coal internal structure and enhances the coal conductivity, and resistivity cannot be restored to the initial level even after methane desorption. The resistivity and reduction rate of durain are higher than those of vitrain, with relatively greater homogeneous pore throat structure and fewer charged particles in the double electric layer. In addition, moisture can enhance the conductivity of coal and makes it change more complexly during methane adsorption and desorption.     

煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响

煤的孔隙、物理化学结构差异对煤层气的吸附-解吸及产出特征有巨大影响。基于对不同煤体结构煤的孔隙、结构、力学性质的认识,利用现场实测资料,分析了煤体结构对煤层气产出的影响。结果表明:构造变形使煤的孔容和比表面积增大,吸附能力增强。含气量和损失量呈正相关关系;在含气量相同的情况下,逸散速率相对大小依次为:原生结构煤<碎裂煤<碎粒煤<糜棱煤。原生结构煤和碎裂煤的临界解吸压力大于糜棱煤。在0~45 min、45~95 min、95~185 min,平均解吸速率关系为:原生结构煤<碎裂煤<糜棱煤,而在185~485 min内,平均解吸速率关系反生改变,即:糜棱煤<原生结构煤<碎裂煤。在含气量大致相等时,原生结构煤和碎裂煤的解吸量及解吸时间明显大于糜棱煤。