煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析

在井下瓦斯抽采和地面煤层气开发过程中,气体吸附和解吸会导致煤基质的膨胀和收缩变形。采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统,对鹤壁六矿二₁煤层贫瘦煤煤样在不同气体压力下的吸附—解吸变形全过程进行了测试。试验结果表明：①煤样在吸附膨胀和解吸收缩变形过程中均呈现各向异性特征,垂直层理方向变形量最大,平行层理垂直面割理方向次之,平行层理垂直端割理方向最小;②煤岩吸附膨胀和解吸收缩变形量随气体压力的增加而增大,但平行层理垂直面割理方向与垂直端割理方向的变形值之比逐渐减小,各向异性程度逐渐减弱;③煤岩吸附膨胀变形是一个不可逆过程,煤岩吸附—解吸残余变形量与气体压力呈正线性相关性。     

不同变形程度煤的吸附时间及其影响因素

基于沁水盆地南部长治和安泽区块103口煤层气井的实测资料,探讨不同变形程度煤的吸附时间及其影响因素。研究结果表明,不同变形程度煤的孔隙结构导致其解吸特征具有较大差异。随着煤变形程度的增加,吸附时间迅速减小。相对于未变形煤和弱变形煤,强变形煤由于裂隙和大、中孔隙发育较多且连通性较好,导致甲烷运移距离较短,解吸速率较大且解吸量急剧增加,吸附时间显著减小;解吸后期,强变形煤由于小孔隙和微孔隙发育,吸附能力增强且连通性较差,导致甲烷解吸和运移的难度增大,解吸速率迅速下降,而弱变形煤和未变形煤受孔隙、裂隙特征和取心煤样几何形态的共同影响,解吸速率变化较小且吸附时间较长。依据煤层气井排采数据可知,煤的变形程度差异是导致煤层气井产气量不同的主要原因,明确煤的吸附时间可以为预测煤层气井的产气量提供依据。     

高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷吸附—扩散性能的实验分析

煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能是煤层气/页岩气资源评价的关键参数之一。通过对晋城矿区寺河井田二叠系山西组3号煤层样和华南古生界下志留统龙马溪组页岩样进行低温液氮和甲烷等温吸附实验,剖析了高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附—扩散性能,建立了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性模型,对比分析了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能的差异性和控制机理。结果表明,高演化富有机质页岩样和高煤阶煤样的孔容均主要由介孔和大孔贡献,比表面积主要由微孔和介孔贡献,且高演化富有机质页岩样纳米孔隙更发育,比表面积和孔容要大于煤样。高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附和扩散规律服从Langmuir方程,高演化富有机质页岩中甲烷吸附性能明显低于高煤阶煤,且随着高演化富有机质页岩TOC含量的增加而增高;但其对甲烷扩散性能要高于高煤阶煤一个数量级。高演化富有机质页岩样中孔隙多为开放型,而高阶煤基质孔隙多为半封闭型。对于半封闭型孔隙,强吸附质的溶入会改变吸附剂的大分子结构,其吸附与解吸过程不是可逆的,存在解吸滞后现象,导致高演化富有机质页岩与高煤阶煤中甲烷解吸—扩散过程与扩散—吸附过程中的扩散性能差异性。     

甲烷吸附前后高煤级煤孔隙结构粒径效应

针对3种不同粒径的高煤级煤开展了甲烷高压等温吸附测试,并对不同粒径煤样甲烷吸附前后的孔隙结构特征进行了对比研究。结果表明,不同粒径煤样的等温吸附曲线没有显著的差异,随着煤岩粒径的减小,煤岩的吸附速率和最大过剩吸附量呈逐渐增加的趋势。甲烷吸附前后,不同粒径煤样的孔隙结构发生了不同的变化。甲烷等温吸附前,随着煤岩粒径的减小,低温液氮吸附滞后环开度呈逐渐减小的趋势,等效吸附率曲率则先减小后增大;甲烷吸附后,DY-5煤样的低温液氮吸附滞后环开度减小,而DY-6煤样和DY-7煤样的低温液氮吸附滞后环开度有所增加,说明甲烷吸附对小粒径煤样中孔和大孔的影响较为显著。甲烷的吸附作用对各阶段孔隙均有影响。大粒径煤样在甲烷吸附作用影响下,孔隙连通性得以改善,而小粒径煤样在甲烷吸附作用后孔隙分布更加的集中。     

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利用物理学、分子热力学、表面物理化学理论分析了电磁场影响煤层甲烷吸附的机理，为电磁场提高煤层甲烷抽放率提供了理论支持。研究结果表明，影响机理主要包括：热效应及微观上对甲烷分子和煤表面相互作用能的影响，并对电磁场（对煤体产生）的热效应进行了估算，结果表明热效应对于甲烷吸附解吸具有重要的影响，而且由热效应产生热应力引起的应变差异形成孔隙对于甲烷的吸附解吸和运移也有积极的作用。通过对电磁场作用下煤层甲烷的吸附势垒降低量ΔE进行的计算，结果表明，ΔE与电磁场频率和强度基本呈正相关，即电磁场频率和强度越大，吸附势垒减小得越多，越有利于煤层甲烷的解吸。电磁场对煤层甲烷吸附解吸的影响对于煤层甲烷抽放提供了一种新的技术手段，研究其作用机理具有重要的理论和现实意义。     

页岩等温吸附/解吸影响因素研究

页岩吸附气含量对储量计算至关重要,吸附气解吸过程直接关系到页岩的产量。采用川南地区和昭通地区龙马溪组页岩样品,设计页岩吸附/解吸实验,研究页岩的等温吸附/解吸特征以及影响因素。实验结果表明:温度升高页岩最大吸附量(VL)下降,解吸率上升,并且两者都与温度呈现良好的线性关系;总有机碳含量(TOC)和黏土矿物含量均会影响页岩的吸附能力,TOC含量高的页岩最大吸附量与TOC呈正相关,TOC含量低的页岩最大吸附量与黏土矿物含量呈正相关;水分的存在会降低页岩的吸附能力同时也降低页岩的解吸率,含水率越高解吸剩余吸附量越大。     

超声波作用下的煤层气吸附-解吸规律实验

目前,对于超声波作用下的煤层气吸附-解吸规律及超声波促进煤层气解吸机理的研究还有待于进一步深入。为此, 利用自行设计的实验平台,开展了超声波作用下的煤样等温吸附-解吸实验（实验煤样采自山西晋城成庄煤矿和高平建业煤矿的下 二叠统山西组15 号煤层）。实验结果显示,未加载超声波时,伴随着压力的逐渐增大,煤样对CH₄ 的吸附量逐渐增加;但在加载 超声波后,随着超声波功率的增大,煤样的吸附能力逐渐减弱,且随着系统压力的释放,煤样的解吸速率逐步增大。超声波使得煤 样吸附能力降低的原因主要在于：①超声波的热效应使得煤样内部温度升高,降低了煤样的吸附能力;②煤岩表面势能的提高以及 超声波作用下色散力的产生,使得CH₄ 气体分子被吸附的概率降低。而煤样解吸速率增大的原因可解释为：在施加超声波的情况下, 煤体内部质点发生微位移并产生新的裂隙、微裂隙和孔隙,从而促进了煤层气的解吸和扩散。结论认为：超声波功率与煤样Langmuir 常数呈负相关关系,利用所得到的实验数据可以拟合Langmuir 常数与超声波功率之间的函数关系,据此可建立超声波与煤岩 吸附特性之间的数值关系。     

长焰煤中镜煤与暗煤吸附/解吸特征对比

为确定低阶煤不同宏观煤岩组分的煤层气吸附/解吸的能力,选取彬长矿区大佛寺4号煤镜煤和暗煤2种宏观煤岩组分进行吸附/解吸实验,对比二者吸附/解吸特征差异,从吸附热力学角度解释吸附/解吸差异及解吸过程。研究表明:大佛寺镜煤与暗煤组分都以微孔—小孔为主,暗煤的孔隙连通性较好,以开放型孔为主,镜煤则主要以半封闭型的细颈瓶状或墨水瓶状的孔为主;不同煤岩组分吸附/解吸能力的影响因素(从强到弱)依次为:压力、温度、水分、粒度和孔隙特征;降压解吸过程中,水分和粒度在不同宏观煤岩组分中的影响作用不同,暗煤解吸滞后率大于镜煤,压差传递效果对煤的吸附影响不及水分子在煤体内部与甲烷竞争吸附产生的影响,甲烷解吸是降压效果(压差—能量传递作用)和水蒸气置换甲烷(置换效应)共同作用的结果。     

基于双位Langmuir模型活性炭的CH_4吸附特征

较之于压缩天然气存储和液化天然气存储,天然气吸附存储(ANG)方式具有能显著降低储存压力和运行成本的优点,然而,要将测定的吸附量转化为绝对吸附量,需要采用合适的模型。为了准确预测活性炭上甲烷的总储存量,采用双位Langmuir模型描述并准确预测了甲烷在活性炭上的吸附行为,误差在5%以内;进而解释了温度介于283.15～323.15 K、压力介于0.1～14.0 MPa条件下,活性炭上甲烷吸附平衡的临界点。研究结果表明:①在过剩吸附量超过极大值后,不同温度下的吸附等温线将出现交叉现象,在交叉点后,温度越高过剩吸附量越大;②甲烷的吸附相体积和气相密度,随平衡温度和压力的变化而变化,随着温度的升高,体积密度项对于绝对吸附量的贡献逐渐减小;③在343.15 K和14 MPa以下,实际吸附甲烷量超过86.9%,游离甲烷相含量低于13.1%,游离甲烷相含量的贡献率随温度的升高而逐渐增大。结论认为,该模型能快速、准确地预测真实的甲烷存储量,可以为大型天然气吸附存储技术的研究和开发提供帮助。     

鄂尔多斯盆地深部煤层气吸附能力的影响因素及规律

煤层气等温吸附实验结果表明,煤层对甲烷的吸附能力主要受储层压力、温度的双重影响,过去的研究主要关注煤层气吸附量随埋深（压力）的增大而增大的变化趋势,而对深埋带来的温度升高导致煤层气吸附量减少则关注不够。为此,以鄂尔多斯盆地某深部煤层为例,进行煤层气高温、高压吸附实验,以研究其吸附量随埋深的变化趋势,从而指导煤层气资源评价与目标优选。结果表明：①等压条件下,煤层的甲烷吸附量随温度增高呈线性降低,高温、高压阶段温度增加引起的吸附量降低更为显著;②受温度和压力的综合作用,在较低温度、压力条件下压力对煤层吸附能力的影响大于温度的影响,在较高温度、压力条件下温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响;③深部煤层气的吸附量随埋深增加呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势,最大吸附量深度为900～1 600 m。该认识有别于过去认为随深度增大煤层吸附量持续升高的传统观点。     

基于重量法的煤吸附甲烷实验及热力学分析

研究吸附热对认识煤吸附甲烷作用机理具有重要作用。利用重量法对2组煤样进行303 K、308 K、313 K等温吸附实验,计算得到煤吸附甲烷的等量吸附热,分析煤吸附甲烷的热力学性质。结果表明:计算得到的等量吸附热在实验温度压力及对应的吸附量范围内最大值分别为30.51 kJ/mol和23.14 kJ/mol,表明煤对甲烷吸附属于物理吸附;等量吸附热随吸附量的增加而单调缓慢增加是因为吸附甲烷分子之间存在的相互作用力起主导作用;利用303 K和313 K等量吸附热数据预测了318 K等温吸附特征,与实验室实测等温吸附数据对比发现二者趋势相同,2组煤样相对误差分别为2.26%~5.72%和0.29%~2.19%。研究为利用等量吸附热预测不同温压条件下等温吸附特征提供了新方法。     

甲烷在暗色页岩纳米孔隙中微观吸附规律

页岩的吸附能力依赖于其孔隙结构、矿物组成、气体压力及储层温度等。采用蒙特卡洛法,对6种主要页岩成分纳米孔隙中的甲烷吸附行为进行了分子模拟,研究了压力、温度对甲烷吸附量的影响规律,对比了甲烷在有机质、石英、蒙脱石、高岭石、伊利石中的吸附差异,分析了甲烷分子在纳米孔隙中的分布特征和吸附比例。分子模拟结果表明,虽然甲烷吸附量随着温度的升高而线性降低,并随着压力的增大而逐渐提高,但其增加速率会逐渐放缓,其依赖关系可以采用联合的幂函数进行描述。甲烷分子在纳米孔隙中同时表现为吸附态和游离态,吸附态所占比例随着压力的增大而逐渐降低。主要页岩成分的吸附比例存在较大差异,其大小关系为高岭石>伊利石>蒙脱石>有机质（C₅H₄O₂、石墨烯）>石英。     

页岩气与煤层气吸附特征对比实验研究

煤层气的吸附特征决定了煤层气的开采特征,对比分析煤层气和页岩气的吸附特征对页岩气的开采具有重要的指导作用。通过页岩和煤层的等温吸附实验分别分析了不同温度下煤层和页岩的吸附特征,页岩有机质含量和有机质成熟度对页岩吸附的影响,以及不同煤阶等温吸附特征。研究表明随着温度的升高,页岩和煤层对甲烷的吸附量呈下降趋势,但是温度对页岩的吸附影响比煤层对甲烷吸附的影响更加明显;随着R_O值的逐渐增大,煤层的P_L值逐渐减小,V_L值逐渐增加,页岩的P_L值和V_L值都逐渐减小;随着煤有机质含量的增加,煤层的P_L值逐渐增加,V_L值逐渐减小。随着页岩有机质含量的增高,页岩的P_L值和V_L值都逐渐增大;煤层对甲烷的最大吸附量比页岩多,采用降压解吸的方式对煤层吸附特征影响较大,但是对页岩气的吸附特征影响较小。     

煤基质变形影响下含瓦斯煤渗透率动态变化规律

煤层渗透率不仅直接影响着煤层气(俗称瓦斯)抽采的效果,而且还是计算瓦斯涌出量的关键参数。为了明确不同压力条件下含瓦斯煤渗透率的变化规律,通过考虑有效应力和甲烷吸附/解吸对煤渗透率的综合影响,建立不同压力下含瓦斯煤渗透率动态演化模型;进而以山西晋煤集团岳城矿钻取的煤样为样品,开展了三轴应力状态下的渗透率测试实验,并将实验测试结果和模型计算结果进行对比,进而探讨不同压力下含瓦斯煤渗透率的动态变化规律。研究结果表明:①渗透率与压力的关系曲线呈不规则的"U"形,在相对低压阶段,随着压力增加,煤基质表面的甲烷吸附量增加,煤岩膨胀变形对渗透率的影响占主导地位,渗透率迅速减低,随着压力逐渐增加,甲烷吸附量达到饱和,有效应力对渗透率的影响占主导地位,渗透率小幅度回升;②实验结果和模型计算结果基本吻合,并且变化趋势也一致。结论认为,所建立的含瓦斯煤渗透率动态演化模型可靠,可以为煤与瓦斯突出防治及煤层气有效开采提供技术支撑。     

富有机质页岩高温高压重量法等温吸附实验

借助重量法开展了下志留统龙马溪组富有机质页岩干燥样品在高温高压下的等温吸附实验,实验最高压力25 MPa,最高温度为80℃,观察到高温高压下由于吸附相密度和游离相密度不断变化所导致的过剩吸附量显著下降,并出现高温反转现象。二元Langmuir模型需要通过吸附相密度将过剩吸附量校正为绝对吸附量后才可使用。将吸附相密度作为变量,采用Langmuir三元模型直接对不同温度下的过剩吸附量进行非线性拟合来获取Langmuir参数。研究表明,随着温度升高,Langmuir体积逐渐降低,而Langmuir压力逐渐升高,基于不同温度下的拟合结果建立了温度与Langmuir参数间的关系,可进一步推算埋藏条件下吸附气的变化 规律。     

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为深入探讨煤对甲烷气体吸附—解吸机理及可逆性,作者从物理化学和界面化学以及现代煤层气吸附理论的角度,并通过系统的煤对甲烷气体吸附—解吸可逆性物化模拟实验,进一步科学地求证了煤对甲烷气体吸附—解吸可逆性问题。根据理论分析和实验成果,明确地提出了：①煤对气体分子的物理吸附特性决定了吸附与解吸的可逆性;②吸附在煤内表面的甲烷分子被解吸需要一定的能量,以摆脱煤表面与甲烷分子之间的范德华力,因此解吸过程会不同程度地滞后于吸附。     

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。