我国煤层气超临界吸附的研究进展

概述了我国在煤层气超临界吸附方面的研究进展,从气体超临界吸附的特点及研究状况入手,分析了我国煤层气超临界吸附研究的现状,并在此基础上提出了研究中存在的不足及进一步的研究方向。     

煤层气超临界吸附行为的蒙特卡罗方法研究综述

煤层气主要以吸附方式赋存在煤基质表面,煤层气的吸附主要有两个特点:第一,绝大部分煤层气吸附属于非均质吸附;第二,实际的煤储层温度在临界温度以上,在这种条件下的吸附与亚临界条件下的吸附有很大的不同,所以用亚临界条件下的吸附方程不能很好地描述煤层气的超临界吸附.在实验室研究过程中,既要模拟煤层气吸附的非均质性又要达到实际的超临界条件,是比较困难的.蒙特卡罗方法是通过计算机进行大量的随机抽样来解决问题,相比较其他的方法,用它来研究煤层气超临界吸附具有优势.概述了蒙特卡罗方法的历史,基本思路和特点,简述了利用蒙特卡罗的优势将其应用于煤层气超临界吸附特征研究的基本方法及应用效果.     

煤层气吸附及其地质意义

介绍了煤层气超临界吸附的基本特征及近年来煤层气吸附的行为与规律;对影响煤层气吸附的因素以及煤层气吸附模型在研究中所取得的成果进行了总结;分析了煤层气超临界吸附研究中存在的问题,在此基础上,指出煤层气超临界吸附规律、超临界吸附的热力学模型、动力学模型及量子化学模型等将是今后煤层气超临界吸附研究的重点。     

页岩气超临界吸附机理分析及等温吸附模型的建立

为认识页岩气吸附机理,抓住页岩气所处超临界态的特点,同时考虑页岩多尺度孔隙空间和黏土矿物与干酪根吸附能力的差异性,理论分析了页岩气超临界吸附机理,同时建立了DALangmuir等温吸附模型。分析表明:低压阶段,甲烷优先吸附在干酪根超微孔表面,以微孔充填形式吸附;高压阶段,甲烷以单分子层形式吸附在中孔和大孔表面。甲烷脱附优先发生在中孔和大孔表面,表现出"吸附滞后"现象。建立的吸附方程拟合结果的R2大于0.995。页岩气吸附方式因吸附剂吸附能力和孔径而异,吸附方式既有单分子层吸附也有微孔充填吸附。吸附滞后现象是吸附剂吸附能力差异性的集中体现。所建模型可反映黏土矿物与干酪根吸附能力的差异及不同孔径吸附状态的差异,模型参数物理意义明确,数据拟合精度较高。     

水分对煤层气吸附解吸的影响

煤岩实际储存环境含有水,而目前考虑水分对煤层气的吸附解吸影响的研究较少,因此开展了不同含水率下的煤层气吸附解吸实验。结果表明在压力、温度等不变的条件下,随着煤含水率的增加,吸附量减小,解吸率增大;同一温度下,煤的饱和吸附量、最终解吸率与煤含水率表现出很好的线性关系,饱和吸附量几乎不受水分影响,最终解析率随着含水率的增加而增加。通过拟合分析发现,Langmuir模型可以准确描述煤层气的吸附行为,而改进Langmuir模型适合描述解吸行为,新型改进Langmuir模型可以准确拟合解吸率数据。随着温度增加,Langmuir模型中的参数 a减小;随着含水率、温度的增加,参数b 均减小。     

煤层气吸附与解吸可逆性实验研究

以等温吸附与解吸实验为手段,通过对不同变质程度的煤进行吸附/解吸等温线的测定,探讨煤层气吸附与解吸可逆性.实验结果分析发现:低阶煤煤样吸附/解吸曲线出现了明显的滞后环,吸附和解吸过程所回归a(Langmuir体积)值相差比较大,说明吸附与解吸吻合性差,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;中、高级煤吸附与解吸等温线具有很好的重合性,吸附与解吸过程所回归的a(Langmuir体积)值也比较接近,对甲烷的吸附和解吸表现出可逆性.该现象的发现,为煤层气开采参数的确定具有一定的意义.     

煤岩超临界CO2吸附机理及表征模型研究进展

深部不可采煤层的CO_2地质封存作为CCS技术的重要方向,有望成为温室气体减排与煤层气高效开发的可行性手段。近年来随着我国CO_2-ECBM工程探索逐渐向深部煤层进军,超临界CO_2与煤岩的相互作用受到越来越多的关注。煤层的CO_2地质封存能力主要取决于煤岩的吸附能力,煤岩超临界CO_2吸附作用的研究成为CO_2-ECBM的重点研究领域之一。本文梳理了大量煤岩超临界CO_2吸附实验结果与模型,指出超临界CO_2密度变化是过剩吸附曲线异常的原因,论述了水分、显微煤岩组分、煤阶、温度与孔隙尺寸对超临界CO_2吸附能力的影响机理;总结了煤中超临界CO_2吸附速率在不同压力、温度、粒径及煤阶中的变化规律;在前人关于不同孔径孔隙中的不同吸附行为研究的基础上,凝练了煤中超临界CO_2的孔隙选择效应模式,认为超临界CO_2的非凝聚性与高密度特征是形成煤岩多尺度孔隙中不同吸附行为的原因;分析指出了今后煤岩超临界CO_2吸附作用研究可能的发展方向。本文旨在评述煤岩的超临界CO_2吸附的相关研究进展,为深化认识煤岩超临界CO_2吸附机理与表征模型提供基础和启示。     

含氧煤层气在碳分子筛上的吸附动力学

为探究基于动力学分离效应的碳分子筛对含氧煤层气的吸附分离特性,对煤层气中CH4,N2,O2三种气体在两种商业碳分子筛（CMS-1,CMS-2）上的吸附动力学和平衡吸附特性开展了研究。结果表明：这两种碳分子筛对CH4的平衡吸附量均大于N2和O2,为甲烷选择性吸附剂;通过扩散模型的模拟和分析指出,采用分段微孔扩散模型能够很好地预测3种气体在碳分子筛上的动态吸附过程; CH4,N2,O2三种气体分别在Fc为0.5,0.6,0.7之前呈现较快的扩散速率,随后扩散速率明显变慢。CMS-1,CMS-2两种碳分子筛均存在动力学吸附特性和平衡分离特性相互抑制的现象,N2,O2与CH4的综合分离因子分别为5.84,18.75,4.20,16.82,表明这两种碳分子筛均具有较好的煤层气的脱氧浓缩性能。     

吸附势理论在煤层气吸附解吸研究中的应用

以晋城无烟煤为研究对象,进行了30℃时煤对甲烷和氮气的吸附解吸试验。基于吸附特性曲线的唯一性特点,根据30℃甲烷的吸附解吸数据,以吸附势理论为依据,预测了50℃时甲烷的等温吸附曲线,结果表明预测曲线与实测曲线吻合良好,其预测值平均绝对误差为0.5 cm3/g,平均相对误差为3.12%。同时依据30℃时氮气和甲烷的吸附特性曲线,发现氮气和甲烷的吸附势对应压力在0.61 MPa时存在交点,表明压力低于0.61 MPa时氮气的吸附势高于甲烷的吸附势,此时注入氮气对提高煤层气的增产具有促进作用,这为煤储层在N2-ECBM(注氮增产法)过程中确定氮气的注气压力范围提供了初步的理论依据。     

页岩气与煤层气吸附/解吸热力学特征对比

为了促进煤层气与页岩气在储层评价与开发方式选择上的相互借鉴,进行了煤与页岩吸附甲烷的对比试验。通过多温度点页岩气和煤层气吸附/解吸试验,计算升压过程与解吸过程吸附热差异,发现热演化程度基本一致时,极限吸附热计算结果表明:煤层气在升压吸附时放热量19.148k J/mol,小于降压过程吸热量23.966 k J/mol,降压解吸难以持续;页岩气在升压吸附时放热量44.624k J/mol,大于降压过程吸热量32.656 k J/mol,降压促进吸附/解吸平衡向解吸方向移动。因此,利用排水降压进行煤层气开采时,应重视持续解吸技术的研究。     

甲烷在煤表面的吸附势与煤阶的关系

本文根据在平衡水分、30℃条件下实测和收集的煤的等温吸附资料，采用吸附势理论，计算了各个煤样吸附等体积（5cm^3／g）甲烷时的吸附势，发现随煤阶的增加吸附势呈规律性变化。这种变化规律与兰氏体积随煤阶的变化规律一致，且完全与四次煤化作用跃变对应。可见煤层甲烷的吸附与煤的分子结构、晶体结构和孔隙度密切相关。     

吸附势理论在煤层甲烷吸附中的应用

本文根据不同温度下实测的等温吸附数据，以吸附势理论为指导，首先建立吸附特性曲线及其数学表达式，在已知一组等温吸附数据时计算任一温度下的吸附等温数据，为储层条件下的含气量预测提供了方法。柳林、阜新和沁水盆地东南部煤的等温吸附实验数据说明吸附势理论完全可以运用到描述煤这种特殊的非极性碳质材料对甲烷的吸附。     

煤层气液化技术

本文在论述中国煤层气利用中存在的相关问题的基础上，重点阐述了煤层气液化的优点，煤层气液化技术的现状，以及国内相关机构在此方面所作的工作。     

煤层气注入增产法的探讨

煤层气储集层具有构造复杂、含气量低、渗透率低、原始储层压力低等特点，注入增产法（ECBM）是当前提高煤层气采收率的主要方法之一，也是目前国内外煤层气开发单位集中力量重点研究的驱替增产技术。本文在石油系统相关经验的基础上，主要从注入增产机理、注气井网类型、地面设备流程、注采动态分析模式等四方面较综合地阐述了注入增产的方式方法。     

鹤岗煤层气勘探开发

通过对在鹤岗矿区施工的三口煤层气参数井的理论分析与探讨，特别是通过鹤参3井的钻井施工、录井施工、试井作业及自然解吸作业，充分证明了在鹤岗矿区含有大量的煤层气气源，得出今后该区施工煤层井重点为南山矿、新一矿和鸟山矿等几个煤层气富集区。     

提高煤层气采收率技术的经济评估

本文确认了（ECOMERS—UT）模拟系统在评估提高煤层气采收率技术方面的有效性，论述了煤层特性和注入气体组成对煤层甲烷产量的影响，并对在中国实施提高煤层气采收率技术项目进行了生产预测和经济效益评估。     

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。     

煤岩特征及其对煤层气勘探开发的影响

煤岩特征分析有助于了解煤储层物性优势、优选富集高渗区域与评价单井开发潜力。基于黔西五轮山矿区煤岩和测井资料,采用地质理论与工程实践分析相结合等方法,研究了煤岩与测井响应特征,探讨了其与煤层气勘探开发的关系。结果表明,6-3,9,16号煤层机械强度可能相对于其它煤层较好,但16号煤层整体发育了碎粒煤—糜棱煤结构,显著降低了煤体结构强度及渗透性。采用直井压裂开发方案时,可选择3,5-3,6-3,8,16号等5个煤层分层射孔压裂,有利于排采增效。5号和8号煤层相对施工水平井较为有利,但单一薄煤层水平井作业可能提高产能有限,因此,煤层气井型选择应优先选择直井开发模式。16号煤层不利于水平井工程稳定性,如采用直井开采,应避开其构造煤分层。