注CO2提高煤层气采收率的模拟实验研究

根据煤储层的吸附/解吸机理,模拟煤层气井"排采-注气-排采"的生产过程,进行CH4、CO2的单相气体吸附/解吸和CO2注入置换煤层CH4的实验,得到了CH4和CO2二元气体相组分变化数据和CH4和CO2混合气体的相分离图解.结果表明,在CH4和CO2二元气体的竞争吸附中,CO2组分的吸附速率是先快后慢,而CH4组分的吸附速率先慢后快,解吸时则相反.反映了CO2组分在与CH4组分的竞争吸附中占据优势,优先被吸附;同时发现注入气体数量越大,注入气体中CO2组分浓度越高,单位压降下的CH4解吸率和CO2吸附率越高.实验结论对工业规模的煤层气开发试验具有一定的指导意义.     

注入CO2提高煤层气产能的可行性研究

根据煤储层吸附一解吸机理,首次采用“解吸一注气一解吸”的实验方法,分别进行CH4,CO2的吸附一解吸和CO2注入置换煤层CH4实验,模拟了煤层气井“排采一注气一排采”的增产途径和效果。结果表明：在CH4和CO2二元体系的竞争吸附中,CO2组分的吸附速率是先快后慢,而CH4组分的吸附速率先慢后快,解吸时则相反,反映出CO2在竞争吸附中占据优势;注入CO2气体的数量越大和相对浓度越高,单位压降CH4解吸率和CO2吸附率就越高。实验结论对工业规模的煤层气开发试验具有指导意义。     

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。     

二元气体等温吸附实验及其对煤层甲烷开发的意义

分别进行了CH₄-CO₂和CH₄-N₂二元混合气体的等温吸附实验, 并且分析了二元气体在吸附过程中各组分浓度的变化规律.结果表明, 在CH₄-N₂二元气体的吸附过程中, 吸附相中CH₄组分的相对浓度逐渐增加, N₂组分的相对浓度逐渐减少.在CO₂-CH₄二元气体的吸附过程中, 吸附相中CO₂组分的相对浓度逐渐增加, CH₄组分的相对浓度逐渐减少.实验结果证实了CO₂在与CH₄的竞争吸附中占据优势, 而N₂在与CH₄的竞争吸附中处于劣势.注入CO₂比注入N₂可以更有效地置换或驱替煤层甲烷, 提高煤层甲烷的采收率.      

二氧化碳注入煤层多用途研究

为了减轻环境污染,提高煤层气产率,增加能源储备,根据煤层气地质学和生物气的基本理论,提出二氧化碳(CO2)注入煤层多种用途这一新观点。研究结果显示:煤对CO2具有很强的吸附能力,可将煤层作为CO2的储集层;煤具有优先吸附CO2而滞后吸附甲烷(CH4)的特性,向煤层注入CO2可大大提高煤层气的采收率;产甲烷菌具有利用CO2生成CH4的能力,新生成的CH4成为能源储备的有益补充。可见,CO2注入煤层不仅可有效减少温室气体的排放,强化煤层甲烷产出,而且为新能源生物CH4的生成提供了基质。     

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。     

煤层处置CO2 的二元气- 固耦合数值模拟

利用不可开采煤层处置二氧化碳可以有效控制温室气体的排放量并可驱动和增加煤层气资源的开采量。二氧化碳注入煤层处置后引入一个复杂的CH4-CO2二元气体与煤体的气固耦合问题,耦合了二元气体竞争吸附、竞争扩散,气体渗流以及煤体变形过程。基于COMSOL Multiphysics建立了二元气固耦合的有限元数值模型,并应用数值模拟实验对二元气固耦合进行了机理分析。模拟结果表明,CO2注入煤层后不断驱替CH4,CH4组分明显减少;气体吸附引起的煤层膨胀量可以抵消部分有效应力引起的压缩变形,由于CH4-CO2二元气体较单一CH4引起的煤层吸附膨胀量大,二氧化碳注入煤层后可以缓解煤层的压缩变形;不同孔隙压力条件下,吸附膨胀与孔隙压力两者竞争作用引起的煤层净变形不同,而净变形也控制着煤层孔隙压力和渗流率的变化,煤层渗透整体呈现先降后升,模拟进行到4.66×107 s时煤层渗透率发生反弹。     

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。     

高压条件下页岩对CH_4、CO_2气体吸附特征及其在二元混合气体中应用:以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例

为了解高压条件下页岩对甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)及二元混合气体吸附行为,以四川盆地焦石坝地区下志留统龙马溪组页岩样品为研究对象,通过重量法等温吸附实验,研究了不同温度压力条件下CH4、CO2在页岩中的吸附行为。实验表明,在0.01～50 MPa, 40～100℃条件下,页岩对CH4、CO2过剩吸附量随压力增大而增加,直至达到最大值,然后随压力增大而减小;绝对吸附量随压力增大而增加,在40～43MPa之后,吸附量趋于稳定。在高压条件下,页岩对CO2吸附量大于CH4,约为其5倍。利用CH4、CO2单一气体Langmuir吸附量和Langmuir压力,通过扩展的(Extended) Langmuir模型进行拟合,对不同比例CH4/CO2二元混合气体吸附量进行模拟预测,研究表明,二元气体总吸附量随混合气中CO2比例增大而增加。在高压条件下, Langmuir过剩吸附模型能较好地拟合CH4、CO2在页岩中的吸附,扩展的Langmuir过剩吸附模型也能较好地拟合二元混合气体在页岩中的吸附。     

CO2-ECBM中气固作用对煤体应力和强度的影响分析

基于固体表面能下降是引起固体膨胀的动力源的理论,给出了煤体吸附CH4和CO2后的膨胀应力的计算公式,对CO2和CH4吸附引起的膨胀进行了计算和分析,为评估CO2注入煤层后吸附引起的膨胀对煤层力学稳定性的影响提供了理论依据。取Griffith断裂理论中临界应力为煤体强度指标,给出了煤体吸附气体后强度下降的计算公式,对煤体自由膨胀条件下吸附CH4和CO2强度降低的情况进行了对比分析。     

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。     

我国煤层气高效开发关键技术研究进展与发展方向

吸附/解吸参数是煤层气储量及产能潜力评估的核心,而解吸过程规律与煤层气井产能动态密切相关。为研究不同煤阶煤储层吸附/解吸特征及其对产能的影响,基于沁水盆地南部樊庄、安泽区块和鄂尔多斯盆地东缘保德、柳林区块的49件煤心样品的煤岩煤质、含气量及等温吸附测试数据,结合试井及排采资料,揭示了煤岩煤质特征对等温吸附特征的影响,划分并对比了煤层气解吸阶段特征差异,建立了煤吸附/解吸特征参数与煤阶之间的数学关系,基于20口典型煤层气井探讨了解吸特征参数对气井产能的影响,并对不同煤阶煤储层煤层气勘探开发策略给出针对性建议。结果表明：(1) 从山西保德到晋城樊庄区块,随着煤阶的增高,煤储层解吸过程中的转折压力、启动压力和敏感压力均逐渐增大,低效、缓慢、快速和敏感解吸阶段范围逐渐向高压区间方向偏移;高阶煤对应的有效解吸阶段区间宽度明显要大于低阶煤,对煤层气开发更有利。(2) 高阶煤与中低阶煤相比,煤层气井的解吸指数更高,达到稳产的时间更短且产气潜力更高,但较低的渗透率是制约其产能的关键。(3) 综合考虑资源丰度、解吸能力和渗透率,高阶煤优势在于解吸指数较高,而中低阶煤优势在于渗透性较好;高阶煤煤层气高产的关键在于大规模高效压裂技术,中低阶煤则在于煤层气资源富集甜点区的精准优选技术。

     

煤电阻率与其瓦斯含量关系的实验研究

煤体中的瓦斯含量能显著影响煤的电阻率,本文利用高精度电阻测试实验装置,在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,对煤样的电阻率随瓦斯含量的变化规律进行测定。研究结果表明:煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,电阻率随着瓦斯吸附量增大先逐渐减小,后趋于平稳;等体积吸附(静态吸附)时电阻率改变较连续吸附(动态吸附)明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远;在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率随煤中瓦斯含量增大呈线性减小。研究结果为利用煤体电阻率与瓦斯含量的线性关系预测矿井瓦斯含量提供了理论依据,对指导现场的瓦斯含量测量具有重要意义。     

不同煤阶深煤层含气量差异及其变化规律

基于Langmuir 等温吸附方程式,开展不同煤阶不同温压条件下等温吸附模拟实验,实验结果表明：在煤岩镜质组反 射率Ro<3.0%时,Langmuir 等温吸附曲线随煤阶、温度、压力升高表现出明显的分带性。随着煤阶的升高,煤吸附能力逐 渐增强。温度小于55℃时不同煤阶Langmuir 体积受温度影响较小,之后影响逐渐增大。低煤阶在12 MPa、中高煤阶在 15 MPa以前随压力增加Langmuir 体积增大明显。根据实测含气量外推法结合高温高压等温吸附实验建立了深煤层含气量数 学模型,显示煤层含气量随埋深呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化规律,其中低煤阶临界深度介 于1400~1700 m,中高煤阶临界深度介于1500~1800 m。该含气量数学模型对预测深部煤层含气量变化规律及煤层气资源评 价提供基础依据。     

中国部分煤储层解吸特性及甲烷采收率

根据常压下的解吸实验和煤层气参数井实测数据分析,我国煤的解吸特笥变化较大,解吸率主要受煤层埋深及煤级的影响。最侍解吸深度一般在４００～６００ｍ之间,镜质体反射率小于３％时,随煤级的升高而增大;大于３％时,则相反。我国煤储层的吸附时间长短琚煤级没有特定关系,但在某些地区工层的含气量高低有关,甲烷含量低则吸附时间长,尤其是小于８ｍ＾３／ｔ时急剧增长。从现有资料看,我国煤储层的吸附时间一般不超达９ｄ。煤     

中阶构造煤等温吸附/解吸特征及机理

选择四个不同变形程度的中阶煤样品作为研究对象,通过开展煤样的等温CH4吸附/解吸实验、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试分析,研究了构造煤等温吸附/解吸性随煤变形程度的演化特征及其地球化学机理.结果表明,构造煤等温CH4吸附和解吸曲线随压力升高均呈现先快速增大后逐渐稳定的变化趋势,符合I型等温线...     

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。     

页岩气等温解吸特性研究

页岩气以吸附态、游离态和溶解态存在于页岩储层中,其中吸附态为主要赋存状态,考察页岩气解吸特征对于我国页岩气勘探开发研究有着重要的理论指导意义。选取了位于南方海相页岩储区的四川和湖北荆门等地的页岩样品,对其常规地球化学性质进行了分析,结果表明页岩样品有机碳含量较高且发育较为成熟;采用MSB磁悬浮天平等温吸附仪进行等温解吸实验并对解吸速率和解吸效率进行计算,结果表明：30~10 MPa时页岩解吸量很低并且无明显变化;10~05 MPa时页岩解吸量迅速上升,该阶段为主要解吸段;吸附势理论可用于判断页岩气解吸情况和页岩样品解吸性能强弱,吸附势越大越不利于解吸     

潘谢矿区石盒子组煤系页岩有机质特征及其对含气量的影响

潘谢矿区是安徽省淮南煤田重要的深部煤炭生产矿区,其石炭-二叠系煤系地层具有丰富的天然气资源。应用有机碳、热解、显微组分定量、等温吸附等实验分析数据,对潘谢矿区石盒子组煤系页岩有机质特征与含气量进行研究,并利用梯度下降算法建立了含气量与有机碳含量(TOC)和有机质成熟度(Ro)的多元线性模型。结果表明:潘谢矿区石盒子组煤系页岩TOC较高(平均为1.20%),有机质类型为Ⅲ型,成熟度Ro为0.75%~1.12%,处于成熟阶段,页岩含气量较高(平均为1.93 m 3/t)。多元线性模型表明,煤系页岩TOC和Ro的增加会有利于页岩气生成,但Ro对含气量的影响更为明显。     

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。