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。     

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。     

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。     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

型煤吸附不同气体变形规律研究

为了探讨型煤吸附不同压力下的CH_4、N_2以及CO_2的变形特征,利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统,对型煤在吸附这3种气体过程中的变形规律进行了研究。结果表明:型煤在不同压力下吸附不同气体的过程都包含抽真空变形、吸附膨胀变形和解吸附压缩变形等3个阶段,且吸附3种气体的膨胀变形规律相似,其轴向变形与环向变形均随时间的增大而逐渐增大;吸附膨胀变形过程中的应变-时间关系都符合Langmuir方程形式;在相同温度和吸附质压力条件下型煤对3种气体的吸附膨胀变形由大到小依次为CO_2、CH_4、N_2;型煤吸附这3种气体膨胀变形过程中的环向应变要大于轴向应变,且随着压力的增大2个方向的变形差异增大。     

中、高阶煤样甲烷吸附应变及渗透性实验分析

煤中气体吸附膨胀和解吸收缩应变是影响煤层气井排采中煤储层渗透率动态变化的重要因素。通过选取沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组中、高阶煤样,通过煤的吸附变形-渗流模拟实验,测得了中、高阶煤样中甲烷吸附应变值,提出了采用12～24 h的吸附应变数据点拟合计算吸附应变的方法,分析了高、中阶煤中甲烷吸附应变及其渗透性的差异性,揭示了中、高阶煤吸附应变规律及其对渗透性的影响及控制机理。结果表明,中、高阶煤样甲烷吸附应变与吸附平衡压力之间的关系符合Langmuir等温吸附模型;中阶煤中吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为0.18×10~(-2),0.09×10~(-2)和0.44×10~(-2),其对应的Langmuir压力分别为5.26,6.93和5.42 MPa;而高阶煤吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为1.91×10~(-2),0.22×10~(-2)和3.99×10~(-2),其对应的Langmuir压力分别为7.87,4.57和7.49 MPa。在有效应力一定的条件下,随着煤中甲烷吸附平衡压力增高,煤样吸附应变增大,且高阶煤吸附应变明显要强于中阶煤样,煤中甲烷吸附应变主要受控于煤中甲烷吸附量。在有效应力一定的条件下,中煤阶煤样的渗透率要大于高煤阶煤样的渗透率,煤中甲烷吸附应变过程中,中、高阶煤样随着煤中甲烷吸附平衡压力增高,煤样渗透率均按负指数函数规律降低,且高阶煤样中甲烷吸附应变对煤样渗透率的影响要强于中阶煤样,因此在煤层气井排采过程中,在临界解吸压力后,高煤阶煤层气井产量提升效果要好于中煤阶煤层气井。     

CH_4和CO_2及其多元气体在淮南C_(13)煤中的吸附特性试验研究

煤对CH_4、CO_2及其多元混合气体吸附量是CO_2-ECBM技术的基础参数之一,也是评价CO_2封存量和CH_4产气量的基础。针对煤吸附混合气体试验繁琐、耗时长的问题,采用等温吸附试验分别实测了煤样对CO_2、CH_4及其混合气体的吸附等温线,并提出了混合气体吸附常数a、b与CO_2体积分数的拟合方程,得出了CO_2和CH_4混合气体吸附量预测方法。主要结论如下:淮南矿区C_(13)煤吸附CO_2的平衡时间约为24 h,远高于对CH_4的吸附平衡时间;C_(13)煤对CO_2的吸附能力是CH_4的2倍以上。C_(13)煤对混合气体的吸附量随CO_2体积分数的增大而增大;吸附常数a、b值与二氧化碳体积分数符合二次函数关系,可根据拟合方程,结合朗格缪尔方程计算任意体积比的CO_2和CH_4混合气体吸附量。     

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。     

超临界CO_2致裂后页岩渗透率变化规律及影响因素

根据近几年兴起的无水压裂学术思想,采用超临界CO_2压裂后的裂隙页岩体试件(Φ100 mm×200 mm圆柱体试件),开展了不同体积应力和不同温度条件下CO_2渗流实验来模拟压裂后页岩气储层的渗透特性变化,揭示不同因素对裂隙页岩体渗透率的影响机理。实验结果表明:页岩吸附CO_2后渗透率降低;裂隙页岩体渗透率随有效应力的增加呈负指数关系减少;在CO_2超临界温度32~48℃的内页岩渗透率随温度升高而降低,而且渗透率对温度的敏感性也随着温度的升高越来越小;在低压阶段(1~3 MPa),Klinkenberg效应作用明显,在该阶段渗透率随着气体压力的增加而减少,当气体压力在3~5 MPa时,渗透率随气体压力的增加而增加;页岩储层对CO_2的渗透率受地温、地压以及其自身孔隙结构共同影响。     

含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

为了研究含瓦斯煤体渗吸水变形特征,利用自主设计搭建的承压瓦斯自然吸水实验系统,开展煤体在0.5、1.0、1.5、2.0 MPa瓦斯吸附平衡压力下的自然渗吸水实验。实验结果表明:气体吸附阶段,瓦斯压力越大,煤体横、纵变形量越大,纵向变形量约为横向变形量的2倍;自然渗吸阶段,煤体横、纵变形量均大于同一瓦斯压力下单纯气体吸附过程,实验系统环境压力值小幅升高,压力上升最大值为0.013 MPa,表明水渗吸同时存在瓦斯解吸过程;卸压泄水阶段,不同瓦斯压力下煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%,体应变和初始瓦斯压力二次相关,煤体体应变残余变形值较大,表明水渗吸作用后含瓦斯煤体变形的不可逆性和破坏性。     

原料煤的结构特性和添加剂对活性炭孔隙结构及吸附CO2 性能的影响

选用5 种原料煤,3 种添加剂分别考察煤结构特性和添加剂种类对制备活性炭性能的影响,以比表面积、孔径分布、CO₂ 吸附量、碘值、微晶结构尺寸对活性炭进行表征。结果表明:由于5 种原料煤结构特性的不同,经炭化之后微晶高度和层片宽度都有不同程度的变化。太西煤炭化料的微晶结构在后期活化阶段最为适宜,从而以灰分低、挥发分适中的太西无烟煤为原料,制备的活性炭微孔最为发达,吸附CO₂ 的性能最佳;3 种添加剂中NH₄Cl+KNO₃ 效果最为显著,制备的活性炭比表面积为1 093 m² / g,微孔孔容为0. 415 mL/ g,CO₂ 的吸附量为2.41 mmol/ g(0.1 MPa,25 ℃)。     

煤层对CO2、CH4和N2吸附/解吸规律研究

针对目前我国煤层气开发中存在的产气率低、煤层气开采理论规律研究欠缺等问题,根据试验对比分析了不同温度15、20、25、30℃时,CO2、CH4和N2在煤岩中的吸附／解吸规律。试验结果表明,当温度升高时,气体分子的平均自由程越大,气体吸附量变小;对同一种煤介,当压力相同时,临界温度高的气体,具有较强的吸附能力,煤层对CO2、CH4和N2吸附能力依次下降;压力升高时,煤层对气体的吸附量变大;降压解吸过程存在解吸滞后现象,温度降低显著,这与吸附、解吸表达式和吸热反应有关。     

烟煤吸附、解吸过程中热流特征实验初探

煤吸附、解吸瓦斯过程中会伴有明显的热效应,其变化规律对煤与瓦斯突出等瓦斯灾害预测技术具有重要的研究价值。利用自行设计搭建的多参量煤吸附、解吸热效应测试实验系统,开展0. 5 MPa、0. 8 MPa、1. 1 MPa 3种压力下,烟煤对于CO₂、N₂、CH₄ 3种气体吸附、解吸过程中压力、温度和热流测试实验,综合分析了烟煤吸附、解吸过程中热流变化特征。结果表明:(1)烟煤试样吸附、解吸过程中,煤壁上热流密度变化分为5个过程:①抽真空阶段,热流迅速增大,后缓慢减小到0;②充气阶段,热流与充气速率呈正相关;③吸附阶段,热流先快上再快下最后缓慢下降;④放气阶段,热流与泄压速率呈正相关性;⑤解吸阶段,分为快速下降和缓慢上升两阶段。(2)实验中,N₂、CH₄、CO₂ 3种气体在相同气压下,吸附、解吸最大热流密度值依次增大;相同气体在3种不同压力下,最大热流密度值随气压升高依次增大。(3)推导出的吸附、解吸过程中热量的理论值始终大于实验值,但整体趋势一致。(4)热流密度参量具有流入、流出方向矢量特征,比温度指标优越,热流密度与热量传递变化规律一致,可以很好地表征烟煤吸附、解吸热效应变化规律,为煤与瓦斯突出预测新指标的研究提供参考。     

含瓦斯煤的吸附量与孔隙率及变形的映射规律研究

为厘清含瓦斯煤的吸附量与孔隙率及变形的映射规律,以高压容量法测试煤吸附瓦斯等温曲线的过程为条件,针对煤样在不同瓦斯压力的作用下,吸附量对煤孔隙率、变形的影响进行了理论分析;利用工业CT技术与高压容量法相结合的方法,研究含瓦斯煤的吸附量与孔隙率、变形的映射规律。结果表明:随着吸附瓦斯量的增加,煤的孔隙率逐渐降低,并趋于稳定值;煤的变质程度越高,其孔隙率演化的趋势越缓;煤的体积应变呈现近似于线性增长的特征。     

热解煤气吸附动力学研究

针对热解煤气变压吸附提氢过程,开展了CO₂、CO、N₂、CH₄等主要杂质气体在不同吸附剂上的吸附热力学研究,测量了各种杂质气体在不同温度下的吸附等温线,并通过计算获得了相应的吸附焓。结果发现,温度增加导致CO₂、CO、N₂、CH₄吸附能力减弱,吸附压力的增大导致CO₂、CO、N₂、CH₄吸附量增加。不同吸附剂对CO₂吸附能力的顺序:炭分子筛＞活性炭＞铜吸附剂,不同吸附剂对CO吸附能力的顺序:铜吸附剂＞炭分子筛＞活性炭,随着吸附压力的增大,N₂和CH₄吸附焓为定值,不随吸附量变化而变化。     

页岩对甲烷高温高压等温吸附的热力学特性

为了研究页岩在高温高压条件下对甲烷的吸附特性,采用高压等温吸附实验仪,分析了取自贵州岑巩地区天马1井的页岩对甲烷的吸附效果,并根据lausius-Clapeyron方程和Vant-Hoff方程求得甲烷吸附的等量吸附热和极限吸附热,从热力学角度分析甲烷在页岩上的吸附特性。研究结果表明:贵州岑巩地区天马1井页岩对甲烷的等温吸附曲线形态在不同温度条件下基本一致,都存在着明显的极值点;在低压阶段,等量吸附热随吸附量的增加而逐渐增加,平均吸附热为43.59 kJ/mol,表明可能发生了化学吸附;在高压阶段,等量吸附热随吸附量的减少而逐渐升高,表明随压力增加解吸更加困难;通过Vant-Hoff方程计算得到的极限吸附热为39.61 kJ/mol,表明天马1井页岩孔隙表面与甲烷气体之间的相互作用力较强。对于相互作用力较强的页岩,在页岩气开采过程中可以结合注入与页岩孔隙表面作用更强气体的方法来促进解吸,如CO2等气体。     

无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

煤中CH₄和CO₂的运移和竞争吸附,是煤中CO₂封存和提高煤层气采收率(CO₂-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%CH₄+25%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,25%CH₄+75%CO₂)吸附试验。基于混合气吸附相密度计算,分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH₄,CO₂吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:①煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1~2个数量级,是煤岩吸附的主要场所;②高阶煤气体吸附分离因子(S(CO₂-CH₄))随平衡压力和气体体积分数于3~20变化,一般随压力的升高而下降,与煤中微、小孔发育正相关;③双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程,总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低,且在相同压力下,大孔等效扩散率随CO₂体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显,大孔扩散占比随压力升高呈“V”型变化。项目成果有助于深入理解CH₄和CO₂的吸附解吸过程。     

SX油田注温室气体细管实验研究

温室气体（CO₂）驱油及埋存技术寻找出传统化石能源开发与环境保护的重合点,既实现了CO₂的捕集与利用,又使实施区域的原油采收率提高,在经济与环境保护上展现出共赢。SX油田为有效动用油层及实现温室气体埋存,开展了CO₂气驱目标地层原油细管实验,分析了在地层温度恒定地层压力不同的条件下CO₂驱油效率变化规律。实验结果表明:原油采收率随着注CO₂气量的增加而增加;在同等注气量条件下,原油采收率随着实验压力的升高而升高。CO₂细管实验最小混相压力为46.05 MPa,高于原始地层压力7.72 MPa,呈现出非混相驱特征。