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。      

水分和粒度对煤吸附甲烷性能的实验研究

为了研究水分含量和粒度对煤吸附甲烷性能的影响,取山西西山杜儿坪矿2号煤干燥样、平衡水样和注水样进行了等温吸附实验。基于分子间作用力对水含量影响机理进行分析,并运用维里方程拟合等温吸附实验结果来验证。实验结果发现,在未达到平衡水分之前,水含量对高煤级吸附能力影响小且注水煤样中的液态水影响增加了甲烷吸附量;同一种煤的高含水煤样对液态水的亲和能力要远比平衡水煤样对气态水的亲和能力强。     

陆相页岩微观孔隙结构特征及对甲烷吸附性能的影响

页岩的微观孔隙结构对其甲烷吸附性能及页岩油气潜力具有重要影响,前人研究主要集中在海相页岩。该文以四川 盆地川西坳陷上三叠统须家河组五段为例,开展了陆相页岩的探索研究。首先通过低温氮气吸附实验对页岩样品的微观孔 隙结构特征进行了研究,计算了页岩的比表面积、孔径分布、孔体积和平均孔径等孔隙结构参数;然后通过高压甲烷等温 吸附实验,研究了页岩样品的甲烷吸附特征;最后探讨了页岩微观孔隙结构特征对甲烷吸附性能的影响。结果表明,须五 段页岩平均孔径为7.81~9.49 nm,主体孔隙为中孔,也含有一定量的微孔和大孔,孔隙形状以平行板状孔为主,含有少量 墨水瓶形孔。页岩比表面积高出常规储层岩石许多,有利于气体在页岩表面吸附存储,孔径在2~50 nm的中孔提供了主要 的孔体积,构成了页岩中气体赋存的主要空间。在85℃条件下,页岩甲烷吸附的兰氏体积为1.21~4.99 m3/t,不同页岩样品 之间的吸附性能差异明显。页岩的兰氏体积与比表面积之间呈现良好的正相关关系,比表面积与黏土矿物含量呈正相关, 而与总有机碳含量关系不明显。页岩的兰氏体积与微孔和中孔体积之间都具有良好的正相关关系,微孔体积和中孔体积与 总有机碳含量之间存在一定的正相关关系,但是正相关性的程度没有微孔体积和中孔体积与黏土矿物含量之间的关系强 烈。陆相页岩有机质热演化程度相对较低,因此有机孔发育有限：但另一方面同时黏土矿物含量较高,所以其内部发育大 量微孔和中孔,从而构成可观的比表面,影响甲烷吸附能力。     

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...     

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...     

孔径结构、水分对低阶煤煤层气赋存的影响——以新疆地区侏罗系西山窑组褐煤为例

通过对新疆伊犁盆地和准噶尔盆地侏罗系西山窑组主力煤层样品进行了压汞法及低温液氮法实验,分析了煤岩的孔隙结构特征;利用煤样的甲烷等温吸附实验,研究了孔隙结构、水分对吸附气赋存的影响。实验和综合分析结果表明:低煤阶煤以中孔、大孔为主的孔隙特征决定了煤层气主要以游离状态赋存其中,水分是影响吸附气的重要因素。     

天然锰钾矿吸附水溶液中Hg^2＋的实验研究

利用粉碎分级的天然锰钾矿去除水溶液中Hg^2 的实验研究表明：反应平衡时间约为20小时；pH值对其吸附率影响很大，在中性（氯化物在偏碱性）条件下吸附率较高；溶液中阳离子的存在会产生竞争吸附而降低对Hg^2 的吸附量，2价金属离子较1价金属离子对Hg^2 竞争干扰明显；溶液中Cl^-的存在能明显降低对Hg^2 的吸附量。对等温吸附曲线的回归分析得出在浓度为5～350mg/L段能很好地符合Langmuir单吸附位吸附曲线，并计算出在该实验条件下其最大理论吸附量为27.6mg/g。解吸实验结果表明，在无其他电解质参与的条件下解吸量较少，受多种电解质干扰时其解吸率不超过20%。     

液态水影响不同煤级煤吸附甲烷的差异及其机理

以IS100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为主要实验平台,应用已建立的模拟储层条件下煤样注水和注水试样等温吸附实验方法,对3种不同煤级的煤储层样品开展了高压（8～20 MPa）注水和等温吸附实验,发现储层条件下煤层中的液态水（注水煤样）对不同煤级（0.46%<Ro,max<1.72%）煤吸附甲烷影响有差异,其含水量随煤级升高呈L型降低,而吸附量则线性增加。笔者认为液态水造成吸附差异的原因是煤体润湿性的差异,对于中低煤级的煤样来说,煤表面的物理化学性质起着控制作用,直接影响着煤体润湿性,吸附势和含水量的曲线都说明了这一点。     

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。      

高压氮气置换甲烷对煤基质孔隙的影响

为探究高压气体吸附-解吸试验对煤基质中孔隙发育规模和结构的影响,选取安鹤矿区鹤壁六矿二1煤层煤样进行了高压氮气置换甲烷吸附-解吸试验,采用低温液氮吸附方法分别测定了高压氮气置换甲烷前后煤的低温液氮吸附解吸曲线,利用BET、BJH和QSDFT 3种分析模型,对煤基质中1.14~300 nm的孔隙规模、分布与结构特征进行了对比分析。分析结果显示煤样的孔容、比表面积和孔隙结构在高压气体置换过程中均发生了变化,孔隙BET比表面积从12.746 0 m2/g降低到7.227 0 m2/g,总孔容从0.009 0 cm3/g降低到0.006 6 cm3/g;孔隙发育规模与孔径分布均发生明显变化,但孔隙形态基本保持不变,孔径分布的变化主要表现为微孔孔容与比表面积的降低为主,而中孔和大孔基本保持不变。      

Binary gas adsorption/desorption isotherms: effect of moisture and coal composition upon carbon dioxide selectivity over methane

The effect of coal moisture content and composition upon methane/carbon dioxide mixed gas adsorption characteristics is investigated. Separation factors are used to quantify the relative adsorption of carbon dioxide and methane. Experimental data indicate that carbon dioxide separation factors vary slightly between coal lithotypes, but the effects of variable coal composition and moisture upon selective adsorption are difficult to isolate. Model predictions based upon single-component isotherms show that although some variability in carbon dioxide selectivity exists for different coal types, there is no clear relationship between coal composition and carbon dioxide selectivity. Model predictions also indicate that coal moisture decreases carbon dioxide selectivity. The ideal adsorbed solution (IAS) theory and the extended Langmuir model differ substantially in their ability to predict binary gas adsorption behaviour. Comparison of model predictions to experimental data demonstrates that IAS theory, in conjunction with the Dubinin–Astakhov single-component isotherm equations are more accurate for the prediction of mixed gas desorption isotherms collected in this study than the extended Langmuir. IAS predictions, however, are strongly dependent upon the choice of pure gas isotherm equation.     

川南煤层甲烷解吸动力学影响因素实验研究

为了系统研究煤层气（甲烷）解吸动力学的影响因素,选用川南地区的无烟煤,设计了不同压力、温度、粒度和湿度下的煤层气解吸动力学实验。采用高温高压煤层气吸附/解吸测试系统进行实验,并拟合实验结果获得了不同条件下的扩散系数。研究表明:压力和温度越高,甲烷解吸量和解吸速率越大;粒度越大,甲烷解吸量和解吸速率越小;低于平衡水含量时,湿度增大,甲烷解吸量和解吸速率降低;甲烷扩散系数拟合结果揭示,扩散系数随压力增高而减小,随温度升高而增大,随湿度增大而减小。      

沁水盆地南部深部煤层超临界CO2吸附特征及其控制因素

为揭示深部煤层超临界CO₂（ScCO₂）吸附特征及其控制机理,以沁水盆地南部余吾矿、寺河矿、成庄矿的3号煤为研究对象,通过自制等温吸附仪进行了不同温度（45℃,62.5℃,80℃）、最高压力达到CO₂超临界压力以上时的等温吸附实验。研究结果表明:高温高压条件下ScCO₂吸附曲线不同于常温常压下CO₂吸附曲线,随压力升高ScCO₂过剩吸附量和绝对吸附量分别呈4段式和3段式变化,ScCO₂达到过剩吸附量峰值出现的压力点具有随温度升高向高压增高的特征;ScCO₂过剩吸附量远低于绝对吸附量,无法采用Langmuir吸附模型进行解释;温度对ScCO₂吸附抑制明显,水分对ScCO₂吸附没有起到抑制作用,灰分含量较高对ScCO₂吸附量有明显抑制作用,煤中高镜质组含量和高R_max对ScCO₂吸附具有较明显的促进作用;超临界状态下煤对ScCO₂的吸附量大小由微孔和过渡孔所控制,且与微孔比表面积大小有关,高变质煤对ScCO₂的吸附能力降低可能是因微孔中矿物充填所致。      

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。      

中梁山矿区煤的孔隙特征及其对吸附性的影响

为了研究中梁山矿区煤的孔隙性、吸附性特征,选取8组煤样分别进行煤镜质组反射率测试、压汞实验和高压等温吸附实验分析。研究表明：（1）大孔和微孔对煤总孔容的控制明显,过渡孔和中孔影响小,微孔对煤比表面积的贡献最大;（2）煤中孔隙以开放孔为主,并具有相当数量的半封闭孔,孔隙连通性总体较好;（3）在中低煤级阶段,一般煤的孔隙度、孔容和比表面积均随变质程度的增大而减小;（4）煤的最大吸附量与总孔容、总比表面积呈正相关性。     

Strain development in unconfined coals exposed to CO2, CH4 and Ar: Effect of moisture

Field experiments and laboratory studies have shown that swelling of coal takes place upon contact with carbon dioxide at underground pressure and temperature conditions. Understanding this swelling behavior is crucial for predicting the performance of future carbon dioxide sequestration operations in unminable coal seams conducted in association with methane production. Swelling is believed to be related to adsorption on the internal coal surface. Whereas it is well established that moisture influences the sorption capacity of coal, the influence of water on coal swelling is less well-defined. This paper presents the results of laboratory experiments to investigate the effect of moisture on coal swelling in the presence of carbon dioxide, methane and argon. Strain development of an unconfined sample of about 1.0–1.5 mm³ at 40 °C and 8 MPa (and at other pressures) was observed in an optical cell under a microscope as a function of time. Both air dried and moisturized samples were used. Results confirmed different swelling behaviors of coal with different substances: carbon dioxide leads to higher strain than methane, while exposure to argon leads to very little swelling. The experiments on moisturized samples seem to confirm the role of moisture as a competitor to gas molecules for adsorption sites. Adsorption of water could also explain the observed swelling due to water uptake at atmospheric pressure. A re-introduction of carbon dioxide, after intermediate gas release, results in higher strains which indicate a drying effect of the carbon dioxide on the coal. The results of this study show that the role of water cannot be ignored if one wants to understand the fundamental processes that are taking place in enhanced coalbed methane operations.     

温度对页岩吸附解吸的敏感性研究

页岩气的赋存方式主要是吸附,使吸附在页岩储层内表面的天然气解吸出来是提高页岩气井产量的最终目标。为了使吸附在页岩储层内的天然气完全地被采出来,提出了升温加速解吸的方法来提高页岩气采收率。通过室内吸附与解吸实验,对4块页岩岩心分别进行了不同温度下的等温吸附量与解吸量测定,分析影响页岩储层吸附量与解吸量的主要因素,研究提高储层温度来加速解吸页岩储层CH4吸附量的适应性。研究结果表明,页岩的吸附能力与页岩的有机碳含量和有机成熟度密切相关,随着页岩有机碳含量以及有机成熟度的提高,页岩的吸附能力增加。不同温度的吸附与解吸实验表明,温度越高,页岩的吸附能力越低,随着温度的升高,页岩气的解吸量增大。升温可以提高页岩气的解吸时间、解吸速度以及提高页岩气最终采收率。提高页岩储层温度进行加速解吸是一种提高页岩气产量的好方法,可以对页岩气藏开采和开发理论提供一定的指导意义。     

煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义--以沁水盆地为例

根据沁水煤层气甲烷碳同位素的组成与分布特征,从煤层甲烷碳同位素在煤层气解吸-扩散-运移中的分馏效应,结合水文地质条件和构造条件,讨论了煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义,认为沁水煤层气δ13C₁值不仅总体上较高,而且随埋深增大而增高,说明沁水煤层气存在因煤层抬升而卸压所导致的煤层气解吸-扩散-运移效应,从而形成了该区甲烷碳同位素在平面上的分带现象。