页岩对CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究

为研究页岩在CO_2作用下达到吸附平衡过程中对CO_2的绝对吸附量(n_a)及其影响因素,考虑吸附相体积和页岩体积应变两个因素对吸附系统自由空间体积的影响,基于质量守恒原理推导了适用于"阶段平衡法"的CO_2绝对吸附量计算模型。利用自主研发的"高温高压页岩吸附膨胀仪"开展了0～16 MPa CO_2压力下页岩吸附-变形试验,结合试验计算结果分析了CO_2质量注入量、吸附相体积、试件体积应变3个因素对n_a的影响。结果表明:低CO_2压力下使用该模型计算的n_a值与常规绝对吸附量经验公式计算结果较为一致,当CO_2压力高于4 MPa时CO_2绝对吸附量的计算值明显大于经验公式计算结果,且差值随平衡压力升高而逐渐变大;拟合结果显示:n_a与CO_2平衡压力满足指数函数关系。由CO_2质量注入量因素所引起的吸附量占n_a的比例随平衡压力升高持续降低;由吸附相体积因素所引起的吸附量占n_a的比例随平衡压力升高而增加,在平衡压力高于6 MPa后达到50%以上,吸附相体积因素成为影响n_a的主导因素;由CO_2质量注入量与吸附相体积因素所引起的吸附量占CO_2绝对吸附量的95%以上,而页岩体积应变因素所引起的吸附量对n_a的影响较小,占n_a的比例始终位于5%以下,但对其他吸附质如煤而言,吸附CO_2产生的体积变形量可达试件体积的10%,此时体积应变因素将对n_a产生较为显著的影响。     

粒度对煤吸附/解吸一氧化碳的影响

CO常作为有效标志气体用于煤自燃预报预警,采空区自燃封闭后CO迅速降低甚至消失的致因尚不明晰,影响煤自燃程度的精准判定。为深入研究煤体对CO气体的吸附/解吸特征,采用压汞和液态氮气吸附实验,测试研究煤样孔隙结构;利用自主研发的气体吸附/解吸装置,在303.15～333.15 K与0.15～0.50 MPa条件下,探索不同粒度煤样对CO气体吸附/解吸特性的影响,并深入分析CO的吸附速率和解吸滞后效应。结果表明：灵新矿不黏煤煤样的孔容以大孔和过渡孔为主,分别占33.02%和38.26%;孔比表面积以微孔和过渡孔为主,共占97.73%。粒径减小,微孔孔容与孔比表面积所占比例增加,过渡孔和中孔的孔容与孔比表面积所占比例减小,不同粒径煤样对CO气体吸附量与压力成正比;压力一定时,CO吸附量与温度成反比;同温同压条件下,煤样粒径越小,CO吸附量越大;相同温度下,煤对CO饱和吸附量与粒径呈正相关关系,CO解析过程中,粒径减小,饱和吸附量a值增大;煤样对CO吸附速率可划分为3个阶段：0～750 s为快速上升期、750～2 250 s为缓慢上升期、2 250～3 600 s为饱和平衡期;不同粒径煤样CO...     

煤层中埋藏CO_2量的计算方法

CO2注入油气藏、煤层等地质体既有助于油气采收,也可以成为处理CO2的重要方法。计算CO2的储存量,可以根据其在地质体中的不同存在相态分别计算,这样既能确定地质体总的存储能力,也可以确定各存储机制的贡献。根据相态的不同把CO2在煤层中的储存量分成吸附、游离和溶解3部分计算,并考虑了压力上升引起的孔隙膨胀、存储空间增加。计算结果表明,随着注入压力的上升,吸附量、气态量、溶解量和膨胀增量都在增加。气态量、溶解量和膨胀增量所占百分数也在增加,吸附量能占到总量的90%左右。     

煤吸附甲烷能力对温度压力变化的响应特性

为了研究煤吸附甲烷能力对温度压力变化的响应特性,选用平顶山己15-17煤层煤样,进行了-20、-10、0、10、20℃条件下高压等温吸附试验,并运用MATLAB软件对试验数据进行了分析。结果表明:特定温度下煤对甲烷的吸附量随着压力的增大而增大,当压力增大到某一特定值,吸附量趋于稳定;如果压力从0 MPa逐渐上升到8 MPa,同时温度从-20℃逐渐上升到20℃的过程中,在压力上升至6.3 MPa之前,压力对吸附量的影响起主导作用。当压力大于6.3 MPa时,温度对吸附量的影响起主导作用;在温度与压力综合影响吸附量的同时,压力制约温度对吸附量的影响效果,温度制约压力对吸附量的影响效果。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

页岩-煤吸附CO_2时间效应及变形各向异性试验研究

为对比研究页岩和煤在CO_2作用下吸附解吸与变形特性,采用四川盆地龙马溪组页岩和塔山煤矿煤样,利用"高温高压页岩吸附膨胀仪"在0~16 MPa CO_2压力下对以上两类样品进行了长达2 000 h的等温吸附及变形试验。结果表明:在渗透率和CO_2密度共同影响下,页岩和煤吸附平衡时间在0~6 MPa内随平衡压力升高逐渐增加;当CO_2压力到达临界压力附近时,吸附平衡时间急剧缩短(页岩9.3 h,煤4.8 h);继续升高平衡压力,平衡时间再次增加。垂直、平行层理方向弹性模量的差异致使页岩变形各向异性随平衡压力升高不断减弱;煤变形各向异性比页岩更显著,随平衡压力升高波动性较大。页岩在气体压力为10 MPa附近达最大吸附量0.082 mmol/g,其体积应变量与吸附量满足二次函数关系。煤在气体压力为7 MPa附近达最大吸附量1.421 mmol/g,其体积应变量与吸附量呈现良好的线性关系。     

深部煤层超临界甲烷吸附量预测研究

为了预测深部煤层超临界甲烷吸附量,构建了吸附势模型与等量吸附热模型,探究了这2种模型在预测超临界甲烷吸附量时的误差。根据温度300.5 K和323.0 K条件下的等温吸附数据,分别应用2种模型预测了温度313.0 K条件下的超临界甲烷吸附量,并与实测值进行对比,结果表明:研究超临界吸附时要修正压力;等量吸附热模型可应用在超临界吸附领域,当压力为6.0~7.5 MPa时,吸附量预测值平均相对误差为3.17%,吸附势模型预测值平均相对误差为3.60%;随着压力的增加,吸附势模型预测误差逐渐减小,而等量吸附热模型预测误差呈增大趋势;当压力小于6.99 MPa时,等量吸附热模型预测误差较小;当压力超过6.99 MPa时,吸附势模型预测效果较好。综合分析预测结果,2种模型的预测误差均在工程允许误差范围以内,而吸附势模型计算过程简单、需要的数据较少,在工程应用领域适用性更好。     

页岩吸附二氧化碳变形特性试验研究

选取四川省宜宾市下志留统龙马溪组页岩,基于自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”,开展了恒温条件下页岩吸附不同压力CO2的变形试验,以此探讨页岩吸附CO2的变形规律。试验结果表明：页岩吸附CO2的变形以膨胀变形为主,随CO2压力的增加,页岩膨胀变形量呈现先增大后减小的变化规律,在不同CO2压力作用下页岩的膨胀变形可以用超临界DR(SDR)模型的形式进行描述;页岩在不同压力CO2的作用下具有相似的变化趋势,即变形均经历以下三个变形阶段：1）短暂压缩阶段、2）缓慢膨胀阶段、3）变形稳定阶段;页岩吸附变形体现出明显的方向性,即垂直层理比平行层理的变形量大。     

主动测压法测定煤层瓦斯压力中补偿气体的选择

为选择合适的气体作为主动测压法测定钻孔煤层瓦斯压力中的补偿气体,从煤对CH4、CO2和N2的吸附性研究入手,证实了煤层对CH4和N2的吸附-解吸是可逆的,而对CO2的吸附解吸是不可逆的,并分析了CO2作为补偿气体对CH4的吸附-解吸平衡产生的影响,最终提出了N2更适合作为补偿气体。通过现场实践表明：CO2作为补偿气体测得的瓦斯压力存在一定的误差,误差可达0.05～0.20 MPa,而N2作为补偿气体时误差较小,能够较准确测得煤层原始瓦斯压力。     

高压容量法测定吸附常数-低压点对甲烷吸附常数测定结果的影响

为了考察不同的低压点对a、b测值造成的影响,通过对不同矿区煤样进行高压容量法等温解吸实验,根据吸附量与压力和温度在高压状态下符合朗格缪尔方程,利用最小二乘法求出a、b值。综合分析认为,不同低压点设置的不同,造成a、b测值的不同。利用朗格缪尔方程,将实测相同的压力点分别代入得出吸附量,与实际在此压力下的吸附量比较得出:低压点为0.6～1.1 MPa时的a、b值推算出的吸附量与实测值误差相对较小;同样,相同吸附量推算压力具有相同结论。     

CO2/CH4在狭缝型孔内竞争吸附的分子模拟

采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法研究了储层温度、压力条件以及CO2/CH4混合气中CO2摩尔分数对煤中狭缝型孔分离CO2/CH4的影响。气体分子之间作用均采用单点Lennard-Jones(LJ)模型,气体分子与孔壁之间的作用势则用Steele 10-4-3模型描述。研究结果表明：CO2相对CH4的平衡分离系数SCO2/CH4最初都是随着压力的增加而增加,直到达到峰值,然后随着压力的增加而减小,在20 MPa时趋于恒定;压力低于20 MPa时,SCO2/CH4随着温度的增加而增加,压力高于20 MPa后,SCO2/CH4对于温度的变化不敏感; 压力为10、20 MPa时,SCO2/CH4先是随着CO2摩尔分数的增加而增加,直到达到最大值,而后随着CO2摩尔分数的增加而减少。因此,在现场实施CO2不可采煤层封存时,需要综合考虑各种因素对于CO2/CH4二元吸附的影响,对实际操作条件进行优化。     

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

页岩等温吸附实验及实验误差分析

根据容积法对渝东南地区页岩样品进行吸附实验时发现，高温高压下吸附等温线出现异常，甚至产生负吸附现象。通过误差分析认为：容积法的直接测量量的不确定度在计算吸附量时会发生累积传播，使测量结果出现较大误差，引起吸附等温线异常。为此，笔者改进了传统容积法的实验流程，提出“一注多吸”容积法，并对吸附量进行不确定度评定。结果表明：改进的容积法可以显著降低测量结果的不确定度，30 ℃时，其平均相对误差为9.42%，远小于传统“一注一吸”容积法的50.84%。通过影响不确定度的因素分析发现，压力不确定度对传统容积法的测量结果影响最大，其次是温度；而对于改进的容积法，温度不确定度影响最大，其次是压力，体积、压缩因子的影响很小。随着压力的升高，温度、体积和压缩因子的影响均会逐渐增强。     

应力约束下储存CO2煤层膨胀变形特性实验研究

利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替试验装置,对原煤大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)试件,进行了恒定温压(25 ℃,31 MPa)条件下CO2在贫煤、贫瘦煤和弱黏煤3种煤阶煤中的注入储存试验,对CO2注入储存过程中煤体膨胀变形特性进行了测量分析;并对小尺寸(6 mm×6 mm×6 mm)原煤试件通过CT扫描,研究了3种煤样的微观结构特征。主要结果为：对最小观测尺度为4.5 μm的CT重建图像,通过统计分析,发现贫煤孔隙率(4.67%)小于贫瘦煤孔隙率(5.39%)小于弱黏煤孔隙率(12.10%);在31 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CO2注入过程中,煤体膨胀变形受孔隙压力与CO2吸附变形的共同作用,且体积膨胀百分比与CO2注入储存量呈线性关系;在注入储存相同量气态CO2条件下,贫煤体积膨胀应变大于弱黏煤大于贫瘦煤;由于煤体层理性结构特征,弹性模量在垂直与平行层理2个方向上的差异性,煤体在垂直层理方向膨胀应变大于平行层理方向应变,且2个方向膨胀应变均与CO2储存量呈线性关系。     

丙烷对瓦斯混合气水合物相平衡的影响

利用全透明水合物相平衡测定装置,采用恒容温度搜索法测定了2种浓度CH4-C3H8-C2H6瓦斯混合气水合物相平衡条件,结合Sloan相平衡预测理论对比分析了C3H8添加影响。结果表明:由于丙烷的加入改变了水合物结构类型,使得14.1~19.4℃温度内,CH4-C3H8-C2H6混合气水合物相平衡压力较CH4-C2H6大幅度降低,压差最大至11.78 MPa;随着温度升高,C3H8对瓦斯水合物相平衡压力影响逐步增大;相同压力下,水合物相平衡温度随着丙烷含量的增大而升高;运用Chen-Guo水合物生成理论分析了C3H8添加影响机理。     

煤层气中甲烷/氮气分离用椰壳活性炭的制备

为解决变压吸附法提纯煤层气中甲烷遇到的吸附剂难题,以我国海南产椰壳炭化料为原料,采用二次炭化-水蒸气物理活化工艺制备生物质基活性炭,采用高压电子天平测量了298 K、0～1. 0 MPa下CH_4/N_2在制备得椰壳活性炭上的吸附等温线,利用比表面积和孔径吸附仪测量了活性炭的孔径结构,详细研究了活化工艺参数对CH_4/N_2吸附分离性能及孔隙结构的影响。通过变压吸附装置检验了最佳工艺参数条件下制备椰壳活性炭的CH_4提浓效果。研究结果表明,随着活化温度的提高,平衡分离系数逐步减小,吸附容量逐步增加,最佳活化温度为850℃;平衡分离系数和饱和吸附容量均随水蒸气流量的增加呈先增加后减小的趋势,最佳水蒸气流量为2.0 kg/h;平衡分离系数随活化时间延长先增加后减小,甲烷饱和吸附容量逐渐递增,最佳活化时间为40 min。升高活化温度对孔结构的发育影响显著,比表面积、微孔孔容和总孔容均呈递增趋势,表明升高温度有利于微孔的发育,可制备出微孔发达的活性炭。变压吸附评价结果表明在水蒸汽活化工艺最优条件下制备得椰壳活性炭可将20%CH_4-80%N_2模拟煤层气中的CH_4体积分数提高到48. 3%,提浓幅度大于25%,回收率为80.58%,产能达到108.82 m~3/(t·h);同时,该吸附剂对中高浓度煤层气也具有较好的分离效果,体现出较好的分离性能。     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。