不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比
两种不同实验条件下煤的吸附性能研究'
两种不同实验条件下煤的吸附性能研究摘要煤具有较大的比表面和较强的吸附甲烷气体的能力，而等温吸附曲线是描述在一定条件下煤对气体的吸附(解吸)的能力、进行煤层地质评价、试采措施及储量评估的重要资料。
文章结合目前国内各位学者对煤层气吸附机理研究的各种资料，从实验角度，研究两种不同实验条件下煤的吸附性能，并对煤岩等温吸附测试的实际操作方法做了进一步的探讨。
关键词煤层气平衡水空干基等温吸附煤层气作为一种新兴的清洁能源，它不同于常规天然气，具有自生自储的特点，煤既是煤层气生成的源岩，也是煤层气储存的场所。
煤具有较大的比表面和较强的吸附气体的能力，煤岩在演变过程中生成的甲烷气体除一部分逸散到其它地方外，在压力作用下也会有一部分被煤岩本身所吸附[1]。
这种吸附是通过范德华力实现并遵守Langmuir定律，是可逆的。
即在一定条件下，被吸附的气体可以从煤表面解吸进入游离状态，煤对气体吸附的可逆性使得煤层气的开发成为可能。
利用等温吸附曲线可以确定吸附气的临界解吸压力、估计煤岩最大吸附量、预测气体采收率等，是煤储层评价中非常重要的参数曲线[2]。
一、实验理论依据根据Langmuir方程，气体在每克固体表面的吸附量取决于气体的性质、固体表面的性质、吸附平衡的温度以及吸附质的平衡压力，当给定了吸附剂、吸附质和平衡温度后，吸附量就只是吸附质的平衡压力的函数，由吸附量对压力作图得到的曲线称为等温吸附线。
煤的等温吸附曲线反映了不同煤岩对甲烷气体的吸附(解吸)特征和能力。
V L——为兰氏体积，代表最大吸附能力，其物理意义是：在给定的温度下，煤吸附甲烷达到饱和时的吸附量；P L——为兰氏压力，为解吸速度常数与吸附速度常数的比值，反映煤的内表面对气体的吸附能力。
Langmuir方程形式简单，使用方便，易于应用，而且两个常数V L和P L物理意义比较明确，是计算吸附量的基础。
煤岩在演变过程中生成煤层气主要以吸附态和自由态存在于煤层基质孔隙中，对于欠饱和煤层，基质孔隙中只有吸附气；而对于饱和煤层，基质孔隙中不仅有吸附气，还有自由气。
第五章 煤层气储层压力、吸附、解吸特征
第二节 煤储层的吸附特征
吸附方式：物理吸附，范德华力 吸附方式：物理吸附， 吸附模型：单层吸附，多层吸附， 吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论 一、朗格缪尔理论
Vm bp VL p abp V= = = 1 + bp 1 + bp p + p L
VL或Vm或a—最大吸附量； 最大吸附量； 最大吸附量 VL 、PL——朗格缪尔体积 朗格缪尔体积 和压力， 等于1 和压力，PL等于1／b
C D A Fv 恒 温 水浴 B
加湿器
水 浴 温度 显 示 器 数 据 采 集 系统
四、多相介质煤岩体的吸附特征
（一） 气相多组分吸附特征
Q/cm ·g 24 16 8 0 0 6 12 18 p/MPa 24 30
3 -1
CH4+CO2+N2
CO2 CH4+CO2 CH4 CH4+N2 N2
（二） 多相介质的吸附特征
V实—实测甲烷含量； 实测甲烷含量； 实测甲烷含量 S实—含气饱和度。 含气饱和度。 含气饱和度 V—理论含气量，m3/t 理论含气量， 理论含气量 VL—Langmuir体积，m3/t； 体积， 体积 ； PL—Langmuir压力，MPa；； 压力， 压力 ；； P—煤储层压力，MPa； 煤储层压力， 煤储层压力 ；
40 35 30 VL,daf ／m 3 . t-1 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R o ， max ／％ y 1 = 7.9593x + 3.9913 r = 0.89 y 2 = -6.5863x + 61.122 r = 0.97
第三节 等温吸附曲线的应用
二、储层压力状态
陈振宏等-不同煤阶煤层气吸附解吸特征差异对比
１ ．煤岩化学结构差异 褐煤分子结构无序性强 ，芳香片层间距较大 ，侧 链较长 ，因而形成比较松散的空间结构 ，具有较大的 孔隙率 ，使得低煤阶煤单位内表面上的碳原子密度 小 ，亲甲烷能力低 ；随着煤演化程度的提高 ，缩合环 显著增大 ，侧链和官能团减少 ，煤分子的定向排列和 各向异性显著提高 ，芳香片层排列更紧密 ，间距减 小 ，孔隙率降低 ，比表面积增大［７］ ，同时羟基和羧基 官能团大量脱落 ，煤的亲甲烷能力显著增加 。 ２ ．物理结构差异 煤分子结构的差异 ，使得煤孔隙结构随着煤阶 段的不同而变化 。 低煤阶煤孔隙以大 — 中孔为主 ， 高煤阶煤孔隙以微孔为主 。 这是因为 ，随着煤演化 程度的加强 ，大孔受物理压实作用使大孔破碎 ，水分 排出 ，使得原生孔隙减少［８］ ，孔隙度下降 ，热变气孔 增多 ，比表面积增加 ，割理 — 裂隙增加 。 此外 ，我国大部分高煤阶煤的形成与构造热事 件相关［９‐１２］ 。 这对高煤阶煤储层物性有明显的改造 作用 。 岩浆侵入到煤系地层 ，对煤层产生接触热变 质和区域热力变质作用 。 另一方面使煤的分子组成 发生变化 ，芳香族稠环的缩合程度提高 ，烷基侧链及 含氧官能团脱落分解 ，煤的变质程度提高 ，镜质组含 量增加 ，挥发分降低 。 一方面使煤中有机质挥发 ，留 下很多密集成群的浑圆状或管状气孔 ，提高了储层 的孔隙度 ；煤基质收缩 ，产生收缩裂隙 ；岩浆侵入的 动力挤压 ，产生的外生裂隙与割理叠加 ，使煤层裂隙 性质 、规模发生变化 ，裂隙度提高 ，渗透性增强 。 尤 其是靠近侵入体的天然焦 ，柱状节理密集发育 ，增大 了煤层气的储藏空间 。 煤的变质程度随距侵入体远
一 、吸附特征
Ｙｅｅ［５］ 认为 ，煤的气体吸附能力随着煤阶变化有 ２ 种趋势 ：① 吸附能力随着煤阶的增加而增大 ； ② “Ｕ”字型 ，即吸附量在高挥发分烟煤 Ａ 阶段附近 存在一个最小值 。 钟玲文［６］ 测试干燥煤样时发现 ，镜质组含量大 于 ６０％ 煤的吸附量与煤化程度的关系有如下特征 ： ① 镜质体反射率在 ０ ．５０％ ～ １ ．２０％ 范围内变化时 ， 随着煤化程度增高 ，吸附量减小 ；② 镜质体反射率在 １ ．２０％ ～ ４ ．００％ 范围时 ，吸附量随着煤化程度增加而 增加 ；③ 镜质体反射率超过 ４ ．００％ ，随着变质程度的
煤层气开发理论与实践
1、煤层吸附等温线测定及其应用煤层气与常规天然气不同，它被煤层吸附在其微孔隙的内表面上。
由于煤的微孔隙极其发育，具有特别大的比表面，每克煤的内表面可达到100~400m2，通过吸附作用，煤比常规砂岩具有更高的储气能力。
煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征，基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度。
煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面，煤层气的吸附能力由煤质、煤阶（成熟度）、埋藏深度等状态所决定。
煤层等温吸附曲线是指在某一温度条件下，以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量（吸附气量）关系曲线[1]。
煤层气吸附依赖于气-液-固三相之间的作用，煤层气的吸附收到的影响因素众多，除了受煤阶、煤岩组成、灰分、水分含量、孔隙率、孔径结构等[2]内在因素控制，同时也受温度、压力、湿度等外部环境的制约[3][6][7]。
等温吸附线的测定：由于吸附性是煤的一种自然属性，我们知道煤是一种多孔介质，具有很大的比表面积。
由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用，气体有被吸附到煤内表面上的趋势，这种吸附属于物理吸附，它符合兰格缪尔单分子层吸附理论。
煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下，煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述：V=V L P/(P L+P)式中：V L—兰氏体积，表征煤具有的最大吸附能力；P L—兰氏压力，反映煤内表面对气体的吸附能力, V为煤层气吸附量；p吸附平衡是的气体压力。
当压力等于兰氏压力时，煤的吸附量等于兰氏体积的1/2，即P=P L时，V=V L/2。
V L和P L 的大小决定于煤的性质，由等温吸附试验结果可以求得。
等温吸附曲线应用：1、利用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化：通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压力和兰氏体积下产气量的大小。
由兰氏方程，有：V=V L P/(P L+P)，则d Ve(p)/d p=tanθ= V L P/(P L+P)2。
不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征
不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰【摘要】煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数.采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理.结果表明:煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低.随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)008【总页数】6页(P1865-1870)【关键词】煤体结构;吸附性能;孔隙结构;温度;煤层气【作者】孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】P611.8责任编辑:韩晋平孟召平,刘珊珊,王保玉,等.不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征[J].煤炭学报,2015,40(8):1865-1870.doi:10.13225/ ki.jccs.2015.0620煤层气以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤层之中,对于中、高煤阶煤主要以吸附状态赋存在煤基质孔隙表面,由于煤体结构不同其吸附性能存在较大差异性[1-2]。
煤层气的解吸_吸附机理研究综述_刘曰武
[基金项目] 本研究得到国家重大专项“大型气田及煤层气开发”专项支持,课题编号2009ZX05038001。
[作者简介] 刘曰武,男,研究员,主要从事渗流力学及油气藏工程方面的研究。
煤层气的解吸 吸附机理研究综述刘曰武1 苏中良1 方虹斌2 张钧峰1(1.中国科学院力学研究所 北京100190; 2.同济大学航空航天与力学学院 上海002650) 摘要 通过对国内外制约煤层气开发的因素和能源需求的分析,指出了研究煤层气的解吸吸附机理的意义。
通过分析国内外解吸吸附机理的研究历史和现状,将煤层气的解吸吸附机理归纳综合为单分子层吸附和多分子层吸附两大类;将煤层气的解吸吸附机理模型归纳为五类,即Lang -muir 等温吸附及其扩展模型、BE T 多分子层吸附模型、吸附势理论模型、吸附溶液模型和实验数据拟合分析模型等。
对影响煤层气解吸吸附的因素,如煤层的性质、孔隙性结构、煤层气的组分、压力条件和温度条件等进行了详细的分析说明指出,解吸吸附机理未来研究的重点方向是在考虑目前已认识的复杂因素条件下,以研究煤层气吸附状态和煤层气的解吸动态过程为主,尤其是甲烷与水和煤层中碳分子的结合与分离的方式。
关键词 煤层气 解吸 吸附 机理 模型0 引 言我国是一个煤炭资源大国,煤层气资源也极为丰富[1-2]。
但从目前我国绝大多数煤层气井产量低、产量递减快的状况看,制约我国煤层气开发的主要原因有如下几个方面:(1)我国煤层气资源条件比较复杂。
我国的煤层气资源赋存条件差,虽然煤层含气量较高,但储层特征表现为低压、低渗、低饱和度,解吸速度慢,从而导致煤层气的解吸及运移困难。
(2)适合我国复杂地质特征的钻井、完井、压裂和排采等核心技术还不够完善。
如何扩大解吸体积、提高解吸速度,是未来一段时间要克服的关键问题之一。
(3)目前国内还没有成熟的煤层气开采理论。
美国开采煤层气的成功经验多适合透气性好、含气量高的饱和煤层气藏,而不适合我国煤层气赋存的特点。
原煤和型煤吸附_解吸瓦斯变形特性对比研究_张遵国_曹树刚_郭_平_刘延保
１ 试 验 方 法
１．１ 试 验 煤 样 试验所用煤样取自重庆松藻煤电有限责任公
司打通一矿具有严重煤与瓦斯突出危险 性 的 ８＃ 煤 层．该煤层原始瓦斯压力为２．７８ ＭＰａ，瓦斯含量为 ２２．６ｍ３／ｔ，坚 固 性 系 数 为 ０．３．根 据 试 验 设 备 及 采 样条 件 的 要 求，确 定 试 样 尺 寸 为 Φ５０ ｍｍ×１００ ｍｍ，其中型煤是用粒径为０．１８～０．２５ｍｍ 的煤粉 在２００ｔ材料试验机缓慢施压至１００ ＭＰａ，稳压１５ ｍｉｎ 后 制 成 的 ． １．２ 试 验 设 备
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响摘要：本文旨在探讨煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征的影响。
通过实验研究，结果表明，煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征具有重要意义，主要体现在以下几个方面：1）小粒径煤体表面纳气（吸附）能力强，对于吸附和解吸有重要影响；2）煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量会影响煤层气的产出特征；3）气体流动性能与孔隙尺寸大小有关；4）煤体的结构特征会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
本文研究结果为开发煤层气提供了理论基础。
关键词：煤体结构；煤层气；吸附-解吸；产出特征正文：煤体结构是影响煤层气吸附-解吸及产出特征的重要因素，通常由煤体的外部特征（如结构类型、粒度、水分含量等）和内部特征（如孔隙径、孔隙空间结构和气体流动性能等）两个方面来描述。
1. 对于煤体的小粒径，表面积比大粒径煤体更大，可以有效地提高吸附和解吸能力。
实验证明，当粒径小于0.05mm时，煤体的吸附-解吸特征变化较大。
2. 煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量均会影响煤层气的产出特征，孔洞类型越多越复杂，产出率越高；水分含量越高，煤体的渗透性越强，可以有效降低煤层气的产出。
3. 气体流动性能与孔隙尺寸大小有关，孔隙尺寸小时，气体流动受到阻碍，影响煤层气的产出。
4. 最后，煤体的结构特征会影响气体的分布，同时也会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
结论：煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征具有重要意义，因此，我们在建立煤层气模型和研究煤层气资源开发时应将其作为一个重要参考因素。
本文还探讨了另外两个因素对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响，即压力和温度。
在实验条件下，压力的升高会增加吸附量，但也可能减少吸附特性的稳定性；温度的升高会提高解吸速率，从而改变吸附-解吸平衡点。
此外，随着温度的升高，气体的渗透度也会增加，结果会促进分布均匀的气体流动。
同时，压力和温度也会直接影响煤层气的产出。
实验研究表明，在某些情况下，随着压力的降低，煤层气的产出会减小，而温度的升高会提高煤层气的产出。
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第２８卷第３期天然气工业
为进一步定量描述高、低煤阶煤层气藏吸附特征差异，应用ＦＹ一Ⅱ型煤层气成藏模拟系统，开展煤吸附特征定量物理模拟实验。
选择一定质量完全解吸的褐煤（Ｒ。
＝０．４１％～Ｏ．４６％）和无烟煤（Ｒ。
＝２．４４％～３．８２％）样品，样品分别采自准噶尔南缘昌吉地区昌试１井侏罗系西山窑组下段（Ｊ：ｚ１）及沁水盆地南部郑庄区块晋试１０井山西组，置于ＦＹ一Ⅱ型煤层气成藏模拟系统的样品仓中，系统保持３８℃恒温，先用氦气将系统的空气排出，充入９９．６％的甲烷气体，加压至６ＭＰａ。
系统压力降至稳定值时，煤岩样品达到吸附平衡。
图１煤阶与煤的吸附能力的关系图
（Ｒｏ＜０．８％的资料由桑树勋提供）
实验表明，褐煤达到吸附平衡的时间短，无烟煤达到吸附平衡的时间长（图２）。
吸附速率呈现出各自的特点，褐煤吸附速率绝对值较小，迅速达到吸附最大速率，并在一较长时段内维持较高吸附速率，吸附饱和后吸附速率降至零；无烟煤吸附速率绝对值大，随实验时间而增加，一般在６０～１００ｈ达到峰值，然后逐渐降低；两者的吸附速率均存在一个极大值且无烟煤吸附速率极大值较低，煤阶明显增高；但实验前期，褐煤吸附速率高于无烟煤吸附速率（图３）。
２
、一
星
营
掘
＊
莲
餐
Ｒ（％）
图２Ｒ。
值与吸附平衡时间的关系图
图３高、低煤阶煤吸附甲烷速率差异图
（褐煤Ｒ。
一Ｏ．４２％，无烟煤Ｒ。
一３．６８％）
笔者认为，这是因为在初始状态下，两者均处于吸附“饥饿’’状态，褐煤以大孑Ｌ为主，孔隙度大，吸附甲烷速率更快；达到一定吸附饱和度后，高煤阶煤体现出绝对吸附能力强的优势，其吸附速率超出褐煤。
二、解吸特征
采自北票煤层气藏及沁水盆地郑庄区块山西组的罐装煤样解吸结果表明：低煤阶煤心解吸时间较短，通常４０～６０ｈ解吸量超过总解吸体积的６８％（图４），相对解吸速率快；高煤阶煤心解吸时间长，解吸６８％的解吸气体体积的时间往往需要１００～１２０ｈ，相对解吸速率低；低煤阶煤心阶段解吸百分率变化大，高煤阶煤心阶段解吸百分率变化平缓，初始阶段解吸百分率大（图５）。
图４高、低煤阶煤层气解吸量达６８％的解吸时间差异图
图５高、低煤阶煤层气阶段解吸百分率对比图
注：阶段解吸百分率＝特定时间间隔内解吸量／总解吸量
由于高煤阶煤层气含气量高，平均解吸速率大。
因此，相对解吸速率更能体现高、低煤阶煤储层物性的差异。
消除含气量的差异，对高、低煤阶煤层气的相对解吸速率进行模拟测试。
分别选择尺。
一Ｏ．５８％、质量为９３５ｇ、长度１２．１ｃｍ的Ｉ煤心及Ｒ。
＝２．７８％、质量为９４０ｇ、长度１１．８ｃｍ的ＩＩ煤心。
将Ｉ煤心置于ＦＹ一Ⅱ煤层气藏模拟系统，注入９９．６％的甲烷气体，初始压力４ＭＰａ，２４０ｈ平衡后，平流泵注入蒸馏水，维持压力４ＭＰａ左右，计算含气量为３．７３ｍ３／ｔ。
同样，放置Ⅱ煤心的ＦＹ一Ⅱ煤层气藏模拟系统初始压力１．４ＭＰａ，３６０ｈ平衡后，维持压力１．４ＭＰａ左右，计算含气量为４．１ｍ３／ｔ。
降低系统压力至Ｏ，煤层气开始解吸，用排水法
・３】
・。