煤层气运移分馏机理初探

煤层气的分馏效应是指运移过程中气体组份和同位素值发生变化的现象．分馏机理的探讨对煤层气的运移聚集具有重要指导意义．本文以吸附势理论为指导，以等温吸附实验数据为依据，对甲烷碳同位素和多组分气体分馏机理进行了探讨．确定了4种分馏机理的存在：（1）解吸-扩散-运移不仅造成甲烷碳同位素分馏，而且造成多组分气体分馏．^13CH4因其吸附势普遍高于^12CH4而具有优先吸附、滞后解吸的特征，^12CH4更容易发生运移分馏．二氧化碳与甲烷相比，具有优先吸附、滞后解吸的特征，特别是在高压下，甲烷具有强的分馏效应；（2）发生在地下水径流带的溶解作用使得13^CH4被优先溶解并被运移至滞留区聚集，^12CH4保留在原地；（3）浅部次生生物气的产生造成甲烷碳同位素变轻的假象；（4）高温裂解气的生成造成甲烷碳同位素变重的假象．4种分馏效应都引起浅部甲烷碳同位素变轻，深部变重，这已为众多的实例所证实．     

晋城和昌吉地区煤层甲烷碳同位素分馏特征对比分析

为了探讨煤层甲烷碳同位素分馏特征,采集晋城和昌吉地区样品进行了罐装解吸实验.结果表明,晋城地区煤样解吸气体δ13C1随时间增加逐渐变重;昌吉地区煤样解吸气体δ13C1随时间增加先轻后重,后者是由于取心操作及煤样解吸过程中的基质收缩变形破坏了煤体原生结构,从而对正常的同位素分馏效应产生了影响.晋城地区煤样解吸气体的同位素分馏效果比昌吉地区的明显,孔隙结构差异是一个主要影响因素.罐装煤样气体解吸半量时间点所取气样的同位素值能代表全部解吸气体的同位素平均值,对于昌吉地区煤样,应先剔除异常数据点,然后再对实验数据进行分析.由于压裂裂缝的存在影响了煤层甲烷碳同位素的分馏效果,使得开采初期井口气样δ13C1的变化规律不明显.     

热解煤成甲烷碳同位素演化及其动力学研究

采用高温高压封闭体系和不同升温速率的实验条件,选用具有不同显微组成和演化程度的煤岩及原始成煤物质泥炭进行了热模拟实验,研究了热解煤层气甲烷碳同位素的演化和沁水盆地煤层气碳同位素动力学特征,发现热解煤层气甲烷碳同位素组成及演化与煤岩的性质和煤化程度、源岩初始演化程度、升温速率等因素密切相关,提出了热解煤层气甲烷碳同位素组成与lg(Ro)之间的关系式,确定了沁水盆地上古生界煤岩生成的甲烷碳同位素演化史及煤层气成因.结果表明:煤岩的初始演化程度低、壳质组含量高、升温速率高的条件下,形成的煤层气碳同位素组成比较轻.样品在不同升温速率形成的热解煤层气甲烷碳同位素组成与lg(Ro)具有良好的正相关关系.沁水盆地上古生界煤岩生成的甲烷碳同位素演化史是随着煤岩的埋藏史,阳城地区太原组、山西组和泥炭热解煤层气甲烷碳同位素基本保持了持续变重的趋势,并且在早白垩世(K1)末都达到最重,之后甲烷碳同位素基本保持不变.首次对成煤物质泥炭进行了碳同位素动力学实验模拟,与煤岩的碳同位素动力学特征进行了对比,表明了泥炭比煤岩具有更轻的碳同位素.将沁水盆地阳城地区二叠系自然煤层气样品的甲烷碳同位素组成与碳同位素动力学研究获得的资料比较研究发现,阳城地区煤层气甲烷碳同位素组成与K1演化至今的煤层气甲烷碳同位素值相近,反映了阳城地区煤层气具有"阶段聚气"的特征.从而反映了甲烷碳同位素动力学是研究煤层气成因的有效方法.     

用常规黑油模型模拟煤层气开采过程

流体在煤层中的传输机理由两部分组成,气体在煤内表面解吸,并通过基岩和微孔隙扩散进入裂缝网络中。若岩块表面甲烷气体的释放速度比气,水相在煤层割理中的流动速度快得多,那么在模拟煤层气开采过程时,解吸动能可以不考虑,根据这个假设可认为：在给定压力下煤层吸附的甲烷气体量类似于相应压力下溶解在原油中的气体量,煤层中的朗格缪尔等温曲线可视为常规黑油油藏中的溶解气油比曲线。若将煤层表面的吸附气作为不流动油中溶解气来处理,那么可用常规黑油模型描述煤层气,而不需要对模型源码做会何修改,基于上述思路,用黑油模型模拟煤层气开采过程,并与用煤层气模拟软件（COMETPC）的计算结果进行了比较,趋势非常接近。     

页岩的气体解析特征及地球化学认识——以鄂尔多斯盆地中南部长7段页岩为例

鄂尔多斯盆地中南部地区发育含气的长7段页岩.为了充分认识长7段页岩气的生成过程、运移过程以及成藏演化过程,以气体化学与同位素化学相结合为手段,研究了不同气体组分及其同位素在解析过程中的含量变化,认为在页岩气的解析过程中,甲烷的含量逐渐降低,重烃气的含量逐渐升高,气体的干燥系数降低;甲烷的碳同位素逐渐增重,重烃气的碳同位素变化不明显.研究结果表明:解析过程中,二氧化碳体积分数变化范围为0.53%~5.15%,氮气体积分数变化范围为1.24%~4.64%,气体干燥系数在0.43~0.82之间,甲烷碳同位素变化范围为-51.6‰~-33.9‰.基于长7段页岩的气体解析特征,得出长7段页岩气为腐泥型母质生成的油型热解气;长7段页岩对二氧化碳的吸附能力最强,对甲烷的吸附能力次之,对氮气的吸附能力最弱;烷烃气体中,气体的分子体积越小,其在页岩内部的初次运移能力越强;页岩中,吸附态、溶解态及游离态3种赋存相态的页岩气在地质历史过程中不断转化与调整;长7段页岩的平均含气量大致为1.90m3/t.     

用多元气体等温吸附成果评价煤层气开发潜力

针对煤层气中通常含有一定数量非 CH4气体的现实情况 ,进行了纯 N2 、纯 CH4和 CH4- N2二元气体等温吸附实验的对比研究 ,分析了煤层气中的 N2 组分对煤层 CH4吸附性能的影响 .结果表明 ,用纯 CH4气体的等温吸附资料进行煤层气开发潜力的评价 ,可能会产生不完全正确的结论 ;而多元气体的等温吸附曲线 ,可用于进行煤层气开发潜力的正确评价 .     

离子液体溶胀煤体与溶解甲烷研究进展

综述了煤矿瓦斯增抽方法、离子液体溶胀煤、离子液体溶解甲烷的研究现状;分析了目前低透煤层瓦斯增抽主要是采用物理作用破碎煤体来释放CH4,或注CO2或N2置换瓦斯的办法,其效果虽然显著,但对于微孔隙中的甲烷解吸还是存在着局限性．鉴于功能化离子液体溶胀煤及吸收甲烷的协同作用,提出利用离子液体增加煤中孔隙尺寸以吸收煤表面CH4气体的方法,强化抽采过程中的瓦斯解吸,降低了煤层本身的瓦斯含量,提高抽采瓦斯气体的利用效率．最后,阐述离子液体溶胀煤、溶解甲烷的研究进展,以及离子液体应用于瓦斯抽采方面的研究基础．     

煤层气的赋存运移机理及产出特征

煤层气是储集在煤层中的非常规天然气.煤层中发育有微孔隙系统和裂隙系统,煤层气主要以物理吸附的形式赋存于煤的内表面上,当压力降低时,煤层气发生解吸、扩散和渗流,最后由井筒中产出.了解煤层气的赋存、运移机理及产出特征,对进行煤层气的可采性评价十分重要.     

甲烷在官能团化石墨中吸附行为的影响因素研究

页岩中干酪根结构简化为不同碳氧比石墨结构,利用巨正则蒙特卡罗模拟方法研究甲烷分子在不同碳氧比石墨中吸附行为,讨论了孔径、温度、含水量和二氧化碳对甲烷在不同碳氧比石墨中吸附行为的影响,在此基础上分析碳氧比变化对甲烷吸附行为影响,揭示了甲烷在不同碳氧比石墨中的微观吸附机理以及温度、水分及二氧化碳对甲烷吸附行为的影响及其微观作用机理.研究结果表明:相同碳氧比中,当孔径从1nm增大到20nm时,甲烷在碳氧比为4孔中的平均等量吸附热从19.65kJ/mol减小为7.88kJ/mol,且甲烷过剩吸附量随微孔孔径增大而增大,而随中孔孔径增大而减小;相同孔径中,当碳氧比从4增加到20时,甲烷在孔径1nm中的平均等量吸附热从19.65kJ/mol减小为16.39kJ/mol,且甲烷过剩吸附量随着碳氧比增大而减小;当温度从313K升高到373K时,甲烷在碳氧比为4孔中的吸附逐渐由能量较低的吸附位向能量较高的吸附位转移,甲烷等量吸附热从12.76kJ/mol减小为12.16kJ/mol,造成甲烷过剩吸附量降低;水分子在孔中受到范德华力和静电能共同作用使其聚集在含氧官能团附近,且水分子占据了甲烷分子吸附空间,造成甲烷过剩吸附量降低;在多元组分竞争吸附中,不同碳氧比石墨对二氧化碳的吸附能力大于甲烷.甲烷在气相中摩尔分数降低、甲烷吸附位的变化以及甲烷吸附空间减小将导致了甲烷吸附能力降低.     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气中氮气的地球化学研究

氮气(N2)作为煤层气的重要成分,其地球化学特征对煤层气勘探与开发具有一定的指导意义.以鄂尔多斯盆地东缘地区煤层气为研究对象,对煤层气中N2的地球化学特征、影响因素及成因进行分析和探讨.鄂尔多斯盆地东缘煤层气中N2的体积分数较低,平均为3.33％,含气量平均值为0.119 m3/t,δ15 N平均为+4.470‰.煤化程度对煤层气中N2的地球化学特征有显著影响.鄂尔多斯盆地东缘由北向南(保德地区—柳林-三交地区—韩城地区),煤化程度逐渐升高,相应煤层气中N2的含气量呈现逐渐升高的趋势,这主要是煤化过程中N2不断生成并积累所致;N2的体积分数呈现先降低后增高的趋势,这是因为柳林-三交地区在早白垩世经受岩浆的烘烤作用,导致该区煤层气中N2体积分数偏低而CH4体积分数偏高;氮气的同位素组成具有先变轻后变重的趋势,岩浆活动引发的烘烤作用及岩浆源N2的混入导致柳林-三交地区煤层气中氮气同位素组成偏轻.鄂尔多斯盆地东缘煤层气中N2属于热氨化-热裂解混合成因,其中柳林-三交地区由于受岩浆的烘烤作用,煤层气中N2兼具岩浆源N2的特征.     

Construction of high-pressure adsorption isotherm: A tool for predicting coalbed methane recovery from Jharia coalfield,India

Adsorption isotherm relates the gas storage capacity as a function of pressure at constant temperature. In this paper, adsorption isotherm of two dry borehole samples was constructed in the laboratory using the manometric method. Isotherm was measured for two gases, i.e., CH_4 and CO_2 to pressure up to 8.4 MPa.Before the construction of sorption isotherm, coal was characterized by proximate, ultimate and petrographic analysis. Coalbed gas content of these two samples was found 2.29 m~3/t and 2.75 m~3/t. SEM images were obtained for the pore size distribution of coal using pore image analysis. Prediction of coalbed methane recovery from CH_4 adsorption isotherm showed that these coalbeds are under saturated. CO_2 isotherm was constructed to estimate enhanced coalbed methane(ECBM) recovery. Volume wise CO_2/CH_4 sorption ratio was found 2.09 times to 2.75 times respectively. This paper presents the interpretation of isotherm data to find the recovery factor of methane production from Jharia coalfield.     

二元气体等温吸附-解吸中气分的变化规律

进行了CH4—CO2和CH4-N2二元混合气体的等温解吸实验，分析了二元气体在解吸过程中各组分浓度的变化规律．结果表明，在CH4-N2二元气体的解吸过程中，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-CH4二元气体的解吸过程中，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．实验结果还证实了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．     

注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的实验模拟

针对我国煤层气开发中存在的产气率低、回采周期长的问题，开展了注二氧化碳驱替煤层甲烷的实验模拟研究．根据实验数据，利用扩展Langmuir方程计算了驱替过程中CH4组分的产出特征，并与纯CH4的解吸过程进行了比较．结果表明，在CO2驱替实验中，CH4在单位压降下的解吸率，明显高于纯CH4解吸时单位压降下的解吸率．其中晋城煤层CH4单位压降下的解吸率提高了150%，潞安煤层CH4单位压降下的解吸率提高了270％．由此可见，采用二氧化碳注入技术，可以显著提高煤层甲烷的采收率．     

沁水盆地南部煤层气藏特征

以油气、煤田和煤层气勘探阶段积累的资料为基础,系统探讨了沁南煤层气藏的特征.通过对气藏静态特征(包括煤层空间几何形态、煤层气成分和含量、储层物性、吸附特征、储层压力及封闭条件)和动态过程(包括煤层气形成、运移和聚集)的分析,指出晚古生代的煤层在经历了印支期和燕山期两次煤化作用生成的煤层气,在喜马拉雅期遭受了严重的调整与改造后逐渐形成现今的沁南煤层气藏.直接控制该煤层气藏中煤层气富集程度的因素为顶底板与边界断层.目前的高产煤层气井基本上都位于地下水滞流区.     

开滦矿区晚古生代煤CH_4/CO_2二元气体等温吸附预测

用扩展Langmuir方程、理想吸附溶液理论和数值分析方法对开滦矿区不同变质程度煤对CO_2/CH_4二元气体的吸附量进行了预测,并用平均相对误差检验了其预测精度.结果表明:同一预测方法对开滦矿区不同变质程度煤的总吸附量预测准确度存在明显差异,理想吸附溶液理论法相对于扩展Langmuir方程法和数值分析法,其预测结果与实验值的拟合程度较好;理想吸附溶液理论对混合气体吸附预测的准确度取决于所预测的煤样煤质指标和煤样对纯气体的Langmuir等温吸附常数.在同样使用理想吸附溶液理论预测时,相对于低变质程度煤,中等变质程度煤的预测结果与实验值吻合程度更好.开滦矿区低变质程度林南仓矿11号煤预测的平均相对误差高到49.22%,所以还需对其进行混合气体的等温吸附实验,才能获得较准确的吸附特性参数.     

Status of research on biogenic coalbed gas generation mechanisms

Biogenic coalbed gas,how it is generated and the geochemical characteristics of the gas are gaining global attention.The ways coalbed gas is generated,the status of research on the generation mechanism and the methods of differentiating between biogenic gasses are discussed.The generation of biogenic coalbed methane is consistent with anaerobic fermentation theory.Commercial biogenic coalbed gas reservoirs are mainly generated by the process of CO2 reduction.The substrates used by the microbes living in the coal include organic compounds,CO2,H2 and acetate.The production ratio and quantity of biogenic coalbed methane depend on the exposed surface area,the solubility and permeability of the coal and the microbial concentration in the coal seam.It is generally believed that biogenic coalbed gas has a value for σ13C1＜-5.5%,C1/C1+＞0.95.The H isotope ratio is controlled by both the environment and the generation mechanism:typically σD1＜-20%.Biogenic methane formed by CO2 reduction has more σD1 than that formed by acetate fermentation.     

水溶气的形成与聚集

水溶气是一种重要的非常规天然气,世界范围内就资源量而言仅次于天然气水合物,研究水溶气对解决能源短缺问题具有重要的意义.为研究地下水中天然气的体积分数和控制因素,探讨水溶气成藏的地质条件,根据实验和对国内外水溶气研究资料的分析,总结了水溶气的成分特征,论述了温度、压力和矿化度等因素对水溶气形成的影响,指出水溶气的分布与富集成藏主要受气源、水溶气所处地的地层压力、圈闭等地质条件制约和影响.首次提出在地下水中13CH4比12CH4优先溶解、滞后解析的观点.     

Mechanism of CO2 enhanced CBM recovery in China: a review

Permeability of coal reservoirs in China is in general low. Injection of CO2 into coal seams is one of the potential ap-proaches for enhancing coalbed methane (CBM) production. The feasibility of this technology has been investigated in China since the 1990s. Advances in mechanism of CO2 enhanced CBM recovery (CO2-ECBM) in China are reviewed in light of certain aspects,such as the competitive multi-component gas adsorption, sorption-induced coal swelling/shrinkage and its potential effect on CBM production and numerical simulation for CO2-ECBM recovery. Newer investigations for improving the technology are discussed. It is suggested that a comprehensive feasibility demonstration in terms of geology, technology, economics and environment-carrying capacity is necessary for a successful application of the technology for CBM recovery in China. The demonstration should be car-ried out after more investigations into such facets as the control of coal components and structure to a competitive multi-component-gas adsorption, the behavior and essence of super-critical adsorption by coal of gas, environmental and safe feasi-bility of coal mining after CO2 injection and more extensive pilot tests for CO2-ECBM recovery.