阳泉矿区3#煤煤层气解吸特性的研究

实验测定了阳泉矿区3#煤煤层气的解吸特性。利用煤粒中吸附煤层气扩散微分方程式计算出煤层气的解吸时间,并用作图法确定出3#煤煤层气的解吸时间,为阳泉矿区3#煤煤层气的开发和利用提供了重要的参数。      

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。     

孔隙压力对煤岩基质解吸变形影响的试验研究

煤层气开采过程中,伴随着煤层气不断地吸附、解吸和渗流,煤体产生变形,极易导致煤和瓦斯突出事故。以晋城天地王坡煤矿为例,通过实验室内试验,模拟煤层气在复杂地层漫长的形成和逐渐开采过程,得到了孔隙压力与解吸量、应变的变化关系,并拟合得出其相应关系表达式,揭示了一些新的规律:(1)初期解吸速度较快,解吸量随时间的增长而不断增加,后期解吸速度减缓,解吸量逐渐趋于稳定;(2)孔隙压力与解吸量、应变呈现抛物线曲线关系,随孔隙压力的升高,吸附和膨胀变形占主导,其值均在增大;(3)存在最小孔隙压力值,随孔隙压力的增大,解吸时间增长,孔隙压力越小,吸附解吸规律越不明显,对于晋城天地王坡煤矿3#煤样,该值在1.0MPa左右;(4)不同加载方式对解吸量和变形量影响较大,先部分加载吸附后全部载荷解吸结果同比加全部载荷吸附解吸结果高13%～77%。试验结果可为煤层气(CBM)抽放安全和煤与瓦斯突出防治提供理论依据。     

高、低阶煤润湿性对甲烷吸附/解吸的影响

为研究不同煤阶煤体润湿性对煤层气吸附/解吸的影响,采集寺河煤矿3号煤与大佛寺煤矿4号煤样品进行接触角测量及吸附/解吸实验,通过热力学计算分析等量吸附热特征。结果表明,大佛寺4号煤水润湿性远好于寺河3号煤,原因在于大佛寺4号煤为低变质长焰煤,其所含羧基、羟基等含氧官能团数量较多,同时具有物质组分亲水性好及孔裂隙较发育的优势。煤体润湿性影响煤自身含水率大小,间接影响煤层气吸附/解吸特征。大佛寺4号煤与寺河3号煤润湿性、含水率、解吸率及采收率间关系复杂,受临界含水量制约,存在温度临界点。等量吸附热对比发现煤体亲水性不利于煤层气的吸附。煤层气吸附放热远小于解吸吸热,存在解吸滞后,且解吸滞后程度随着吸附/解吸量增加而逐渐减弱,低阶煤的减弱趋势更加明显。      

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

煤层气─固界面作用与吸附模型

按照毛细管模型与单分子层作用模型, 推导了煤层气-固界面作用与煤层渗透性的关系;根据煤层气吸附实验资料, 运用非线性回归方法, 分别按Langmuir吸附理论和BET吸附理论计算了煤层气吸附规律。实例分析表明:煤层气-固界面作用的强弱与煤层介质的渗透率平方根或煤层介质的孔径大小成反比, 它揭示了低渗透煤层气解吸困难、开采难度较大的机理;BET吸附模型比Langmuir吸附模型能更好地描述煤层气的吸附规律。研究结果为煤层气开发工程提供了科学依据。      

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。      

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。      

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。     

吸附–解吸状态下煤层气运移机制

带吸附作用的煤层气运移规律一直是煤层气地质学界关注的焦点问题之一。为研究吸附-解吸状态下的煤层气运移机制,推导了气体吸附-解吸方程并分析了多孔介质扩散-渗流理论,开展了煤层气运移实验并对实验结果进行了分析。研究结果发现:煤体孔隙结构对煤层气运移具有"容阻效应","容储""阻降"二重特性并存构成了煤基质的基本功能;气体运移过程中煤体对CO₂和CH₄吸附能力的差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长率、吸附平衡时间和最大吸附体积等4项指标;煤层气运移过程中扩散和渗流两种方式并存,当裂隙及大孔内气体压力较中-微孔隙系统气体压力高时,气体运移速率以渗流为主,否则以扩散为主。      

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。      

低温氮吸附法判识构造煤的实验研究

煤体结构是煤与瓦斯突出防治和煤与瓦斯共采的重要地质因素之一。为了区分煤体结构在地应力作用下的破坏程度,采集了淮北矿业股份有限公司桃园煤矿8283采煤工作面煤样,基于自相似原理和实验室内对煤样的加压模拟实验,通过煤基质纳米级孔隙在低温氮吸附-解吸曲线上的响应对比分析,建立了低温氮吸附法判识煤体结构的方法,并对淮北矿业股份有限公司桃园煤矿10号煤层内1026和1035工作面煤体宏观结构及微观孔隙发育特征进行了对比研究。结果表明,煤体微观孔隙结构变化与构造煤发育程度密切相关;随着煤体破坏程度的提高,在吸附-解吸曲线上表现为吸附量明显增大,纳米级孔隙的比表面积和比孔容明显增加,平均孔径略有增加;构造煤解吸曲线上有明显的陡降点,而原生结构煤的解吸曲线不具有这个特征。     

氨氮在煤矿采空区充填矸石中的运移机制

我国西部多数煤矿区矿井水往往含有较多的生产污水,导致其氨氮含量较高,利用煤矿采空区充填矸石对矿井水进行预处理已成为矿井水及矸石资源化利用的重要措施。以神华神东煤炭集团公司保德矿矸石为充填介质、以矿井水中的氨氮为研究对象,通过模拟采空区的水文地质环境,开展柱模拟实验,结合CXTFIT 2.1软件,研究氨氮在充填矸石中的运移机制,这对于评价煤矿采空区充填矸石对矿井水的预处理效果具有重要意义。结果表明:达西流速3.12 cm/h、25℃时,Cl?在充填矸石中的运移可用CDE模型较好地表征(r2=0.999),较高的纵向弥散系数(D)、溶质分子扩散系数(D_f)、机械弥散系数(D_h)和弥散度(λ)值与充填矸石较大粒径、较长运移距离有关,淋出液中总溶解性固体(TDS)和Cl?的质量浓度呈显著线性关系;双点位吸附溶质运移模型能够较好地表征氨氮的运移过程,氨氮的阻滞系数R为23.79,其在矸石上的平衡吸附点位仅占总吸附点位的46%,一级动力学吸附速率常数α为3.5×10?4 h?1;氨氮的孔隙流速及水动力弥散系数远低于Cl?的数值,这主要与高含量的黏土矿物高岭石对氨氮的吸附有关;在649 h的氨氮运移过程中,亚硝酸盐和硝酸盐氮以及pH值均无明显变化,实验中后期TDS稳定,这进一步证实氨氮在模拟的矸石柱运移过程中以对流、弥散迁移及吸附为主,生物转化作用可以忽略。研究结果可为评价我国煤矿采空区地下水库的水质预处理技术提供重要理论依据。      

山西重点煤矿区瓦斯梯级利用关键技术与工程示范

山西重点煤矿区包括晋城、阳泉、西山、汾西、潞安等矿区,是“十三五”国家科技重大专项“山西重点煤矿区煤层气与煤炭协调开发示范工程”的主要实施地点。依托国家科技重大专项项目资助,研发了煤矿瓦斯梯级利用系列技术,并进行工程示范,引导山西重点煤矿区瓦斯抽采量与利用量由2015年的60.2亿m3和22.3亿m3提高至2020年的64.03亿m3和28.94亿m3,利用率由37%提升至45%,在保障煤矿安全开采的前提下极大地助力碳达峰碳中和目标的实现。梯级利用主要是根据甲烷浓度高低分别加以综合利用,对于甲烷体积分数≥30%的高浓度煤矿瓦斯,可以进行集输后按照效益最大化原则进行发电、民用、工业利用等。对于甲烷体积分数<30%的低浓度瓦斯,依据不同浓度瓦斯利用技术差异性及适应性,将低浓度瓦斯的浓度利用区间划分为4级:甲烷体积分数介于16%~30%的低浓度瓦斯可采用变压吸附技术,提纯后可使甲烷体积分数达到30%以上满足后续民用及集输等要求,该项技术已在晋城矿区成庄矿建设了处理能力为12 000 m3/h的示范装置;在有高浓度煤矿瓦斯的矿区也可利用掺混技术直接将甲烷体积分数提高至30%以上进行集输利用。甲烷体积分数介于9%~16%的低浓度瓦斯可采用就地发电技术,转化为电能后可自用或上网,该技术已在晋城矿区赵庄矿、胡底矿、长平矿等建设了示范装置。甲烷体积分数介于6%~9%的低浓度瓦斯可采用直燃技术,转化为热能后进行电、热、冷三联供,该技术已在成庄矿建设了示范装置。甲烷体积分数介于1%~6%的低浓度瓦斯可采用蓄热氧化与掺混技术,同样转化为热能后进行电、热、冷三联供,该技术已在华阳新材料科技集团有限公司(原阳泉煤业集团)一矿及五矿建设了示范装置。低浓度瓦斯梯级利用技术虽然在山西重点煤矿区进行了成功示范,但目前仍存在很多技术经济难题,在碳达峰碳中和目标下,亟需进行持续攻关并快速提高利用率。      

Adsorption Mechanism and Kinetic Characterization of Bituminous Coal under High Temperatures and Pressures in the Linxing‐Shenfu Area

The majority of coalbed methane(CBM) in coal reservoirs is in adsorption states in coal matrix pores. To reveal the adsorption behavior of bituminous coal under high-temperature and high-pressure conditions and to discuss the microscopic control mechanism affecting the adsorption characteristics, isothermal adsorption experiments under hightemperature and high-pressure conditions, low-temperature liquid nitrogen adsorption-desorption experiments and CO2 adsorption experiments were performed on coal samples. Results show that the adsorption capacity of coal is comprehensively controlled by the maximum vitrinite reflectance(Ro, max), as well as temperature and pressure conditions. As the vitrinite reflectance increases, the adsorption capacity of coal increases. At low pressures, the pressure has a significant effect on the positive effect of adsorption, but the effect of temperature is relatively weak. As the pressure increases, the effect of temperature on the negative effect of adsorption gradually becomes apparent, and the influence of pressure gradually decreases. Considering pore volumes of pores with diameters of 1.7-100 nm, the peak volume of pores with diameters 10-100 nm is higher than that from pores with diameters 1.7-10 nm, especially for pores with diameters of 40-60 nm, indicating that pores with diameters of 10-100 nm are the main contributors to the pore volume. The pore specific surface area shows multiple peaks, and the peak value appears for pore diameters of 2-3 nm, indicating that this pore diameter is the main contributor to the specific surface area. For pore diameters of 0.489-1.083 nm, the pore size distribution is bimodal, with peak values at 0.56-0.62 nm and 0.82-0.88 nm. The adsorption capability of the coal reservoir depends on the development degree of the supermicroporous specific surface area, because the supermicroporous pores are the main contributors to the specific pore area. Additionally, the adsorption space increases as the adsorption equilibrium pressure increases. Under the same pressure, as the maximum vitrinite reflectance increases, the adsorption space increases. In addition, the cumulative reduction in the surface free energy increases as the maximum vitrinite reflectance increases. Furthermore, as the pressure increases, the surface free energy of each pressure point gradually decreases, indicating that as the pressure increases, it is increasingly difficult to adsorb methane molecules.     

构造煤纳米级孔隙特征及其对含气性的影响

煤孔隙对储层含气性具有重要影响,构造煤储层尤甚。采集淮南煤田潘一矿13号煤层中4种煤体结构的煤样进行低温液氮实验,运用最小二乘法原理并采用FHH分形模型,系统地分析了煤储层纳米级（1.7~20nm）孔隙结构特征及其与分形维数之间的关系。结果表明:煤体破坏程度增强致使BJH孔容和BET比表面积增大,过渡孔与微孔含量增加;构造煤中毛细凝聚开始发生在2~3 nm并随着相对压力的增大而逐渐增强;对气体吸附做主要贡献的是孔径为5nm的孔隙,糜棱煤中此类孔隙最多致使含气性最好;研究区内除原生结构煤外,其他煤储层纳米级孔隙分形维数均大于2.6,平均孔径与分形维数呈明显负相关且相关性系数在0.9以上,表明此类孔隙具有明显的分形特征,孔隙结构复杂程度较高。综合孔隙特征表明:构造煤中孔隙结构越复杂且5nm附近吸附孔隙含量越高,含气性越强。      

新景煤矿3号煤层煤体结构测井曲线判识及其分布规律

在对井下不同结构煤体变形及分布特征观测分析的基础上,结合其在测井曲线上的响应特征,对新景煤矿3号煤层不同煤体结构进行了判识和划分。结果表明,新景煤矿3号煤层煤体结构以Ⅰ类煤和Ⅱ类煤为主,Ⅲ类煤局部发育。煤体结构破坏程度严重的煤主要分布在不同期次构造叠加区域以及背、向斜的轴部,小断层附近也可见到;煤体结构破坏程度弱的煤主要分布在煤层产状平缓以及褶曲翼部地区。      

煤储层纳米孔隙结构及其瓦斯扩散特征

研究煤复杂发育的孔隙结构对揭示煤层气体赋存机理及扩散运移规律有重要意义.为了研究煤的纳米孔隙结构,利用SEM、液氮吸附、小角X射线研究了不同煤阶煤的纳米孔隙在形式和分布上的非均匀性.实验煤样煤基质中的孔呈多峰分布,且孔径范围主要集中在2~10 nm.煤样低温液氮吸附实验测得煤样的吸附量为3.676 cm3/g,煤样的比表面积为1.416 m2/g.以最可几孔径作为研究对象,在实验压力范围内,吸附压力越大,最可几孔径变大的越多;瓦斯气体在纳米级孔隙结构中的扩散模式以过渡型扩散为主,微孔更发达的煤样中,扩散更接近Knudsen型扩散,中孔更发达的煤样中,扩散更接近Fick型扩散;Knudsen数与温度呈负相关关系,温度高于250 K后,Knudsen数趋于稳定,与压强呈正相关关系,压强越大,扩散越容易.      

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...