吸附热对煤-气相互作用的数值模拟研究

煤层气开发或二氧化碳地质封存均涉及气-固界面吸附-解吸效应。已有大量研究证实气体分子在固体表面吸附或解吸过程中会释放出热量或吸收热量,进而导致气-固系统温度上升或下降。但是,常用的研究方法是在温度-压力平衡条件下评价煤吸附气体能力。而煤储层产气或注气过程是非平衡态过程,会产生大量的吸附热改变煤体温度,这与绝大多数研究中的恒温假设条件矛盾。为了研究吸附热对煤-气相互作用的影响,在固体变形-气体流动-吸附/解吸耦合关系中引入吸附热,将煤-气系统的储热项划分为裂隙系统与基质系统,吸附热表达成放热功率的形式;并以固体应变作为耦合项,考虑了煤与环境热交换过程,建立考虑吸附热的"变形-渗流-扩散"耦合计算模型。模拟的煤表面温度能较好拟合文献实验数据。此外,二氧化碳封存模拟结果表明恒压注气时吸附热导致的注气效率的降低约为16.8%;恒速注气时,预计最终6.2 MPa可完成的注气速率保持工作,在吸附热的影响下需要将注气压力提高至7.2 MPa,为煤层气开采时煤层温度演化提供参考。