我国煤层气超临界吸附的研究进展

概述了我国在煤层气超临界吸附方面的研究进展,从气体超临界吸附的特点及研究状况入手,分析了我国煤层气超临界吸附研究的现状,并在此基础上提出了研究中存在的不足及进一步的研究方向。     

煤层气吸附及其地质意义

介绍了煤层气超临界吸附的基本特征及近年来煤层气吸附的行为与规律;对影响煤层气吸附的因素以及煤层气吸附模型在研究中所取得的成果进行了总结;分析了煤层气超临界吸附研究中存在的问题,在此基础上,指出煤层气超临界吸附规律、超临界吸附的热力学模型、动力学模型及量子化学模型等将是今后煤层气超临界吸附研究的重点。     

煤层气超临界吸附行为的蒙特卡罗方法研究综述

煤层气主要以吸附方式赋存在煤基质表面,煤层气的吸附主要有两个特点:第一,绝大部分煤层气吸附属于非均质吸附;第二,实际的煤储层温度在临界温度以上,在这种条件下的吸附与亚临界条件下的吸附有很大的不同,所以用亚临界条件下的吸附方程不能很好地描述煤层气的超临界吸附.在实验室研究过程中,既要模拟煤层气吸附的非均质性又要达到实际的超临界条件,是比较困难的.蒙特卡罗方法是通过计算机进行大量的随机抽样来解决问题,相比较其他的方法,用它来研究煤层气超临界吸附具有优势.概述了蒙特卡罗方法的历史,基本思路和特点,简述了利用蒙特卡罗的优势将其应用于煤层气超临界吸附特征研究的基本方法及应用效果.     

煤岩超临界CO2吸附机理及表征模型研究进展

深部不可采煤层的CO_2地质封存作为CCS技术的重要方向,有望成为温室气体减排与煤层气高效开发的可行性手段。近年来随着我国CO_2-ECBM工程探索逐渐向深部煤层进军,超临界CO_2与煤岩的相互作用受到越来越多的关注。煤层的CO_2地质封存能力主要取决于煤岩的吸附能力,煤岩超临界CO_2吸附作用的研究成为CO_2-ECBM的重点研究领域之一。本文梳理了大量煤岩超临界CO_2吸附实验结果与模型,指出超临界CO_2密度变化是过剩吸附曲线异常的原因,论述了水分、显微煤岩组分、煤阶、温度与孔隙尺寸对超临界CO_2吸附能力的影响机理;总结了煤中超临界CO_2吸附速率在不同压力、温度、粒径及煤阶中的变化规律;在前人关于不同孔径孔隙中的不同吸附行为研究的基础上,凝练了煤中超临界CO_2的孔隙选择效应模式,认为超临界CO_2的非凝聚性与高密度特征是形成煤岩多尺度孔隙中不同吸附行为的原因;分析指出了今后煤岩超临界CO_2吸附作用研究可能的发展方向。本文旨在评述煤岩的超临界CO_2吸附的相关研究进展,为深化认识煤岩超临界CO_2吸附机理与表征模型提供基础和启示。     

煤吸附瓦斯机理研究的新进展

本文基于近十年来瓦斯地质、煤层气地质领域在煤对瓦斯吸附方面的研究成果,从煤层瓦斯赋存状态、瓦斯吸附方式及吸附模型、瓦斯吸附影响因素、瓦斯气体的超临界吸附以及煤对多元气体吸附等几个方面,有重点地总结了国内外研究的新进展,指出了目前研究中存在的问题和难点,并对下一步研究方向进行了初步展望。     

煤中多组分混合气体竞争吸附研究现状及工程应用

煤对气体的吸附特性是煤岩瓦斯动力灾害防治、提高煤层气采收率(ECBM)等研究的基 础。 煤层气中不仅含有CH4,同时含有CO、CO2、H2S以及其他烷烃类气体。 在注气开采煤层气 和煤层主动式瓦斯压力测定等工程中,不同气体由于吸附能力的差异会发生竞争吸附行为。 首 先,分析了煤中气体竞争吸附的机理,对比分析煤基质中多组分气体吸附平衡预测模型,并探讨 了竞争吸附的影响因素、吸附膨胀特性以及吸附动力学行为。 其次,结合现有研究阐述了CO2ECBM过程中的煤层渗透率降低、衍生的突出灾害风险以及超临界CO2 吸附等问题。 最后,对煤 中多组分气体吸附平衡预测模型、煤岩动力灾害防治、ECBM及PSA变压分离技术等工程应用进 行了探讨。     

煤矿区煤层气浓缩净化方面的基础研究

本文介绍了为促进煤层气资源的综合开发利用，在煤矿区煤层气浓缩净化方面所作的一些基础研究。通过研究指出煤及活性炭改性可用作煤矿区煤层气变压吸附分离净化的分离剂。     

基于吸附势理论的煤吸附超临界甲烷研究

为了探究超临界甲烷吸附特征,提出超临界甲烷等温吸附线,并以此为研究基础。根据吸附势理论,计算并绘制了不同温度下吸附相体积随吸附势变化的吸附特性曲线,结果表明不同温度等温吸附特性曲线可用1条曲线或统一方程式表示,这从理论上验证了超临界甲烷在煤表面上的吸附也主要取决于与温度无关的色散力作用。由这种特性建立了超临界甲烷吸附模型,实现了根据已知等温吸附试验数据预测不同温度、压力下的超临界甲烷吸附量,克服现有的等温预测的局限性。但是当温度超过一定范围,吸附相密度不能由极限密度代替,由于分子重排作用,吸附相密度改变,造成预测误差。     

平煤十二矿构造煤煤层气特征研究

文章以平煤十二矿煤样为例,分别进行了压汞实验和等温吸附—解吸实验,从构造煤的孔隙结构特征及构造煤对煤层气吸附—解吸的影响来研究十二矿构造煤煤层气特征。本次研究结果如下:①构造煤孔隙结构多以小孔和微孔为主,有利于煤层气的吸附;②煤体结构破坏越严重,对煤层气的吸附越弱;③常温下,煤层气吸附—解吸可逆。研究结果表明平煤十二矿有利于煤层气的开发。     

页岩气与煤层气吸附/解吸热力学特征对比

为了促进煤层气与页岩气在储层评价与开发方式选择上的相互借鉴,进行了煤与页岩吸附甲烷的对比试验。通过多温度点页岩气和煤层气吸附/解吸试验,计算升压过程与解吸过程吸附热差异,发现热演化程度基本一致时,极限吸附热计算结果表明:煤层气在升压吸附时放热量19.148k J/mol,小于降压过程吸热量23.966 k J/mol,降压解吸难以持续;页岩气在升压吸附时放热量44.624k J/mol,大于降压过程吸热量32.656 k J/mol,降压促进吸附/解吸平衡向解吸方向移动。因此,利用排水降压进行煤层气开采时,应重视持续解吸技术的研究。     

不同水分煤样吸附甲烷的极限吸附量预测

以大佛寺4#不粘煤样为研究对象,进行4#不粘煤空气干燥基样和平衡水分样等温吸附实验,计算吸附势和吸附空间,得出吸附特征曲线,以期预测大佛寺4#不粘煤层中煤层气资源/储量,验证吸附理论的可靠性。实验结果显示:对于同1种煤样,吸附势与环境温度无关系,煤中水分大小对吸附势影响较大;实验进一步证明煤-甲烷分子之间作用力主要为色散力,吸附过程为物理吸附;根据吸附特征曲线计算所得极限吸附量与常规Langmuir方程拟合所得结果十分相近,初步证明吸附特征曲线所得极限吸附量预测煤吸附甲烷最大能力、预测煤层气资源/储量是可行的方法。     

煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究

水锁效应是造成煤层气储层损害的主要因素之一,研究其水锁损害机理和防水锁技术有利于保护煤层气储层,从而提高煤层气采收率。以山西沁水盆地3号煤样为研究对象,实验研究了外来流体侵入对煤层气解吸时间和渗透率的影响。结果表明,外来流体侵入延长煤层气解吸时间和降低渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低。在此基础上进行了防水锁剂的研究,优选出了防水锁剂FSSJ,并对其性能进行了评价。结果表明,FSSJ起泡性弱、降低表面张力、增大接触角、降低煤芯自吸水量、减少煤层气储层水锁损害,具有较好的防水锁效果。煤层气储层水锁损害应具备自然条件、物质条件以及压力条件。     

沁水煤田东北部15号煤储层物性及特征研究

基于沁水煤田东北部煤层气开发资料,采用煤层气地质理论和数理统计方法,对研究区15号煤储层物性及特征进行了分析。结果表明,煤层的稳定可采性,为煤层气开发的提供了良好储层条件。煤的高变质及差异,使得煤岩类型及组分有所不同|煤层高含气量,为煤层气开发提供了良好气源条件。欠压煤储层,使得煤层气的压力吸附正效应、驱动煤层气产出的动能均较弱且煤层含气饱和度较低,不利于煤层气井的高产、稳产和采收率的提高|煤中孔裂隙较发育,但连通性差。过渡孔高度发育,为煤层气储集提供了有利空间。小-微型裂隙发育,但充填较严重,煤层渗透率较低|吸附时间较长,不利于煤层气井高产和缩短煤层气开发周期。     

地应力地温场中煤层气富集区高精度定量预测的力学方法

针对当前我国煤层气富集区预测中预测位置不准、难以定量化描述、精度不高等不足，提出了地应力地温场中煤层气富集区定量预测的力学方法。建立了应力、温度影响下的煤层气压力预测方程、含气量预测方程，预测方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含气量、孔隙率的影响，其中，应力和温度通过影响煤层气压力进而影响吸附量，通过影响煤层气压力和孔隙率进而影响游离量，温度还通过影响吸附常数b影响吸附量。以重庆沥鼻峡盐井矿区为研究区，进行了Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下的煤体甲烷等温吸附实验和不同埋深的孔隙率测定实验。实验表明，吸附常数a随温度变化不明显，b随温度升高线性减小。以实验为基础，结合现场实测数据和实际地质资料，定量化预测了矿区煤层气含气量分布。以煤层气含量为判别指标，按照富集程度不同，将研究区划分为两级富集区。预测方法克服了以往煤层气富集区预测定性描述、预测不准和精度不高的不足。     

基于热力学方法的煤岩吸附变形模型

基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理,建立了计算煤岩吸附气体引起的煤岩膨胀应变的理论模型,在获取煤岩对气体的吸附等温曲线的基础上,可通过模型得到煤岩吸附气体引起的吸附应变;利用已有的实验数据对模型的有效性进行了验证。结果表明,实验结果与模型预测的结果吻合较好,模型能够很好地描述煤岩吸附不同气体时产生的差异性膨胀现象;另外,模型可为预测CO₂注入煤层后煤基质收缩/膨胀效应对储层渗透率的影响提供指导。     

煤层气污染控制及其资源化利用的研讨

介绍了煤层气对大气的污染及温室效应，经计算，我国每年排放甲烷占全世界温室气 体排放量的５．９５％，利用煤的吸附性质可对煤层气进行抽放、净化和浓缩，同时指出ＰＳＡ技术在浓 缩净化煤层气方面存在的问题，建议为实现我国煤层气污染控制及资源化利用急需开展的研究工作。     

准东地区煤储层物性与煤层气可采性关系研究

通过研究准东地区煤层气资源量和资源丰度、煤层渗透性、埋藏深度及煤的吸附性等影响煤层气可采性的主要储层参数特征,利用模糊数学评判法计算准东煤层气可采性模糊评判系数为0.746 8。准东地区具备煤层气开采条件,开发前景较好。     

注气提高煤层气采收率研究进展

煤层气将成为我国继煤炭和石油天然气之后的战略性接替能源，它的开发和利用既能解决我国天然气的不足，又能从根本上消除了煤炭开采中造成的瓦斯突出等灾害，还可以减少了大量瓦斯排放到大气中造成的环境污染以及改善我国的能源结构。论文详细阐述了煤层气赋存状态、煤层气吸附与解吸机理、煤层气开采基础与提高采收率方法，分析了注气增产法开发煤层气机理，指出了注气增产法开发煤层气的研究方向。     

基于重量法的页岩气超临界吸附特征实验研究

为了有效分析页岩气体的超临界吸附特征,利用重量法等温吸附仪,借助高精度的磁悬浮天平系统,直接测试了不同压力条件下甲烷气体密度及其过剩吸附量。实验测试结果表明,当压力较小时,过剩吸附量随着压力增大而增大;当压力大于8 MPa后,过剩吸附量会随着压力的增大而减小,这主要是由于甲烷吸附相密度与游离相密度差值随压力先增大后减小导致的。页岩中超临界甲烷的等温吸附曲线在压力较大时,必然存在下降的趋势,这并非异常现象,而是超临界甲烷过剩吸附量的本质特征。此外,利用高压段甲烷过剩吸附量随压力直线递减的规律,确定了甲烷吸附相体积的计算方法,并且采取定吸附相体积的方法对绝对吸附量进行了校正,校正结果表明,超临界甲烷在页岩中的绝对吸附量依旧能很好的利用Langmuir吸附模型进行拟合及分析,可以将该经典的吸附理论扩展到超临界温度领域。