（采矿工程专业论文）低阶煤煤层气吸附与解吸机理实验研究.pdf

论文题目：低阶煤煤层气吸附与解吸机理实验研究 专业：采矿工程 硕士生：谢勇强( 签名) 指导教师：黄庆享( 签名) 马东民( 签名) 摘要 长期以来，煤层气勘探开发大多集中在中、高煤阶含煤区，而低煤阶含煤区的煤层 气的勘探和开发及相应研究在我国尚属空白。低阶煤通常指最大镜质组反射率小于 o 6 5 的褐煤、长焰煤，这类煤的物理、化学性质和孔隙结构与中、高阶煤有较大的差 异，这样势必造成低阶煤煤层气吸附与解吸特性的特殊性。 本文主要以等温吸附与解吸实验为手段，对低阶煤煤层气进行吸附和解吸实验研 究。通过实验室的大量测定数据，结合对低阶煤的基本结构特征和吸附特征的理论研究， 对低阶煤储气特征进行了详细的分析，并分析了低阶煤煤层气的解吸特性。研究表明： 低阶煤孔隙结构特征以大孔和中孔为主，小孔和微孔为辅，这种结构特点导致低阶煤具 有高渗透性、低吸附性的特点；低阶煤吸附甲烷的能力相对中、高阶煤要低，但低阶煤 具有较好的游离气储集能力；低阶煤对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性。同时还对实 验误差进行了详细分析，以保证实验数据的准确性。 最后，根据低阶煤的储气特征和解吸特征，对原有计算临界解吸压力和理论采收率 的公式进行了修正，获得了适合计算低阶煤煤层气临界解吸压力和理论采收率的公式， 从而更好的指导低阶煤煤层气的开采。 关键词：低阶煤；煤层气；吸附；解吸；临界解吸压力；理论采收率 研究类型：应用研究 盏 s u b j e c t ：a ne x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h em e c h a n i s m o f a d s o r p t i o na n d d e s o r p t i o no fc b m o nl o w - r a n kc o a l s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：x i ey o n g q i a n g i n s t r u c t o r ：h u a n gq i n g x i a n g m ad o n g m i n a b s 霉r a c t o v e ral o n gp e r i o do ft i m e ，t h ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc b mw e r em o s t l y f o c u s e do nt h ec o a ld i s t r i c to ft h em e d i u m - h i g hr a n ko fc o a t h o w e v e r , t h ee x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n to fl o w - r a n kc o a la n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hs t i l lw e r et h eb l a n ki no i l r c o u n t r y t h el o w - r a n kc o a lu s u a l l yi sr e f e r st ot h el i g n i t e ，t h ef l a m ec o a l ，i t sd i pa n g l eo f m a x i m u mr e f l e c t a n c ei ss m a l l e rt h a n0 6 5 ，t h i sk i n do fc o a lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d t h ep o r es t r u c t u r eh a v et h eb i gd i f f e r e n c ew i t ht h em e d i u m h i g hr a n kc o a l + s oi ti si n e v i t a b l e t oc a u s et h ec b mo f l o w - r a n kc o a l ss p e c i f i c i t yi ni t sa d s o r p t i o n - d e s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sa r t i c l es t u d i e sm a i n l yt a k et h ea d s o r p t i o n - d e s o r p t i o ni s o t h e r me x p e r i m e n ta sa m e t h o d ，c a r r i e so nt h ea d s o r p t i o n - d e s o r p t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h ec b mo fl o w - r a n kc o a t t h r o u g ht h el a b o r a t o r ym a s s i v ed e t e r m i n a t i o nd a t a ，u n i f i e st ot h el o w - r a n kc o a lb a s i c s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e a d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c f u n d a m e n t a l r e s e a r c h ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fr e s e r v eg a so nl o w - r a n kc o a lh a sb e e nc a r r i e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i s ，a n d t h ef e a t u r e so fd e s o r p t i o no fm e t h a n eo nl o w - r a n kc o a li sa l s oa n a l y z e d t h er e s e a r c h i n d i c a t e dt h a t ：l o w - r a n kc o a lh o l es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ct a k e m a c r o p o r ea n dm e s o p o r e p r i m a r i l y , a s c o p o r ea n dm i e r o p o r ea sa u x i l i a r y ，t h i sk i n do fu n i q u ef e a t u r ec a u s e st h e l o w r a n kc o a lt oh a v et h eh i g hp e r m e a b i l i t y , t h el o wa d s o r h a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c ；t h e a d s o r p t i o na b i l i 母o fm e t h a n eo nl o w r a n kc o a li sl o w e rt h a nt h em e d i u m - h i g hr a n kc o a l ，b u t t h el o w r a n kc o a lh a st h eg o o df r e eg a sa c c u m u l a t i o na b i l i t y ；t h el o w r a n kc o a td i s p l a y st h e 1 3 0 i 1 i n v e r t i b i l i t yt ot h ea d s o r p t i o n d e s o r p t i o np r o c e s so fm e t h a n eo nl o w r a n kc o a l i no r d e r t oa s s u r et h ea c c u r a c yo fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ee x p e r i m e n t a le r r o rh a sb e e nc a r r i e do nt h e d e t a i l e da n a l y s i si nt h i sp a p e r a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h el o w - r a n kc o a lg a ss t o r a g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，t h eo r i g i n a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o do f r i t i c a ld e s o r p t i o np 羚s s 瑾ta n dt h e o r e t i c a l r e c o v e r yr a t i ow a sr e v i s e d t h e r e f o r e ，i ti sa v a i l a b l ef o ra c q u i r i n gt h ee q u a t i o nf o r m u l at h a t s b i t sf o rc a l c u l a t et h ec r i t i c a l d e s o r p t i o np r e s s u r ea n dt h e o r e t i c a lr e c o v e r yr a t i oo ft h e l o w - r a n kc o a l ，t h u si ti sm o r ec o n v e n i e n tt od i r e c tt h ee x p l o i t a t i o no f c b mo n1 0 w r a n kc o a l 。 k e y w o r d s ：l o w - r a n kc o a lc b m ( c o a lb e dm e t h a n e ) a d s o r p t i o n d e s o r p t i o n c r i t i c a ld e s o r p t i o np m s s 甜et h eo r e t i c a tr e c o v e r yr a t i o t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 要错技大学 学位论文独创性说明 y 9 2 3 0 4 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豫蓼呜日期：盆彳、 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者虢薅 勇哆指剥雠： 纷 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 1 绪论 随着国民经济的快速增长以及对能源的需求量日益增大，国内能源短缺的形势也同 趋严峻。而作为能源丰要支柱的石油的供给已难以满足国民经济的飞速发展。目前我国 原油年增长率仪为1 7 ，与为适应国民经济增长速度所需的4 0 o - 5 能源增长率相差甚 远。2 0 0 0 、2 0 0 l 两年我国原油纯进v i 量均超过6 l o7 t 川，预计这一数字在今后几年仍将 增加。这种现状直接影响到了我国的能源结构和经济的增长，而改变这一现状的根本途 径就是根据我国实际地质条件和资源环境，充分开发和利用国内其它资源，以减轻原油 供给的压力。 煤层气作为一种洁净而经济的资源，在美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等 许多国家已得到充分的重视，其中美国已在多个盆地投入大规模的开发，2 0 0 1 年煤层气 产量已达4 0 0 1 0 8 m 3 以上，约为我国同期天然气产量的1 3 倍 2 】。我国煤层气资源也很 丰富，据最新的煤层气资源预测结果，我国陆上烟煤和无烟煤煤田中，在埋深3 0 0 m 2 0 0 0 m 范围内的煤层气资源量约为3 1 4 6 1 0 1 2 m 3 l 。将煤层气作为原油的补充能源，对 我国的经济可持续发展和解决国家能源短缺问题具有重要意义。 另外，煤层中的煤层气不仅是宝贵的资源，也是煤矿地下开采中煤与瓦斯突出潜能 的主要组成部分。这种窒息性和爆炸性的气体同时也是造成煤矿井下发生重大事故的根 源。随着煤矿开采向深部的延伸，煤矿开采环境愈加复杂，瓦斯事故也日趋严重，近年 来接连发生数起一次死亡百人以上的特别重大事故中，其中瓦斯事故占到8 0 以上。给 人民的生命安全和国家财产造成了巨大损失1 4 j 。因此，预防瓦斯事故是我们面临的严峻 问题之一，针对这一采矿安全问题，2 0 0 5 年2 月2 3 日，温家宝总理亲自主持召开第8 1 次国务院常务会议，确定了煤矿瓦斯集中治理的七项措施，由国家煤矿安全监察局贯彻 国务院的总体部署。其中一条就是组织成立煤层气工程研究中心，国家发展改革委已开 展编制“十一五”煤层气产业发展专项规划和研究扶持政策，成立了煤层气工程研究中 心，进一步研究煤层气的应用领域，优化市场环境，确定了政府扶持、商业化运作的总 体思路，一方面搞好地面抽采的示范工程，另一方面抓好井下瓦斯的治理【5 j 。可见，开 发煤层气对改善煤矿瓦斯灾害问题己受到有关部门的高度重视。 二十世纪5 0 年代，我国煤炭系统就己开始了煤矿井下瓦斯抽放工作；二十世纪9 0 年代我国开始煤层气勘探开发，主要以沁水盆地等高阶煤含煤区为核心，后续淮南、淮 北矿区、阜新煤田也开展了大规模的煤层气勘探、评价、开发工作，建立了较大规模的 煤层气开发示范区。需要指出的是这些矿区的勘探开发主要以中、高阶煤为主，而对低 西安科技大学硕士学位论文 狳澡懿漾层气韵探开发_ 麦| 】缀少。覆困是低除媒生气量少，台气量低，在选区译徐孵，含 气量小于5 - 7 m 3 t ，对。小于o 7 的区块都未被列入规划区而舍弃【6 j 。然而，美阂、加 黎大等国家勘探实践表明：含气量高的古煤盆地并不一定都能获得高产气流，相反含气 爨鞍 氐( 当然不l 太低) 穰禽气饱和度较蠢匏含澡筮撼却获褥了囊渡瞧气滚，翅美国低 阶煤含媒区掰河盆墟，其煤层气勘探开发的裔监成功翁媒层气工照界以裰大的扁示，低 阶煤中不仅含肖相当可观的煤层气资源可开发，而且同样具有商业价值。截止l9 9 6 年， 粉河盆地己钻煤层气井1 9 3 口，平均单井产量达7 0 7 5 m 3 , d 一。预计在今后1 0 年内，粉河 妥蓦篷蕊媒垂气链劳鼗海达到5 0 0 0 日。嚣於夔牙采实裁表明，不 叉在中毫漾除，薅显在 低阶煤中同样存在着具有商业价值的煤朦气。甚至在一些低阶煤煤鼷气生产区内煤层气 的产量已超出可采储量【7 1 。 虽然我国低除煤资源丰襄，而且匡外对低酚煤煤鼷气资源勘探开发已取褥了较好的 缀济效益，毽楚在国内由予对低除媒碾鬻寸与解啜理论研究仍不够完薷，秀羁之低除潆自身 含气性能的特殊性，造成对低阶煤煤层气研究至今仍未得到足够的黛视。如何正确认识 这一宝贵资源，并使这一宝贵资源得以合理开发和利用，是我国爆艨气工作者面临的难 题。可见，耋灏试罄 糕玲漾瓣壤气特薤，掌握羝除媒滚屡气啜礁籍啜气薅的变纯援簿， 并完善煤层气资源评价方法，是下一阶段我国低阶煤煤层气开发研究的重要内容之一， 同时也是本论文选题的主要依据。 1 , 2 国志外掰究动态 1 2 1 国内外低阶煤煤层气开发动态 ( 1 ) 国乡 低除漾煤凄气开发费态 美国是世界上煤层气勘探、开发和生产最活跃的潮家。在勘探初期，美国政府投入 大餐的资金，由美国地调局和美国天然气研究所牵头，组织有关公司和科研机构，开展 煤层气资源评价和开发技术的研究，这一切为美国煤鼷气产业的形成和发展起到了巨大 豹维魂捧蠲。鑫1 9 8 7 年戳来，美鹫每瑟年召开一次缣藩气专题蒌署讨会，澳太弱巍秘欧 洲也不定期召开煤层气研讨会【8 j 。 美国商业性的煤层气开发活动始于二十世纪八十年代，由于税收优惠政策的推动以 及技术剑毅鲍雩 葫，美鐾煤层气量由1 9 8 5 年的2 3 8 x 1 0 8 m 3 迅遮建增热至l1 9 9 5 年 2 7 6 x 1 0 ”m 3 ，十年内煤瑟气产量增加了1 0 0 倍，其中近9 6 的煤层气产自圣胡安和黑勇 士箍地，同时煤层气生产井数也由2 1 3u 增加到6 7 0 0 口【w 。 理论研究的深入和技术条件的改善，促使美国煤朦气勘探开发的领域不断拓展。粉 潺瓮遥煤垂气瓣开发便是其中竣为龚鍪静l 表。粉溽鑫建疆转鹣逡凌条 譬帮爨镰震特 征，以及全新的完井技术使该衙地成为个蓬勃发展的煤层气开发区。在开发的最初两 1 绪论 年( 1 9 9 7 1 9 9 8 年) ，在耱露筮遥共链8 4 0 叠媒凄。i 势；鏊蘧大致有7 5 家巍模不等蕊公 司在该盆地参与煤层气开发，单在2 0 0 0 年，盆地内完钻的煤层气井达4 7 0 0 口，在2 0 0 1 年上半年，每天的煤层气产履约1 7 0 0 1 0 4 m 3 1 9 1 ，这些数据充分表明了低阶煤煤层气开发 的价值所在。 除了粉河皴建辩，美滏犹因塔盆遗东部豹低除媒鸯煤区的煤罄气开发同样获褥了巨 大成功。在d r u n k a r d sw a s h 项目区，在f e r r o 组煤层中获得了商业性的煤层气产凝，4 8 0 删井中每天可生产出6 0 0 1 0 4 m 3 的煤层气【1 0 l 。 一k 述逮嚣 羲| 羚潆潆蘑气姿澡开发熬菠功豢动了美嚣其瞧惩狳艨区麴潆墨气麓搽与 歹j ：发。美国融开始了在大绿河盆地( t h eg r e a tg r e e nr i v e rb a s i n ) 、风河盆地( t h cw i n d r i v e rb a s i n ) 和哈纳盆地( t h eh a n n ab a s i n ) 的煤层气勘探工作。蓑国德士古公司与中 联公司合作勘探鄂尔多斯盆地东j e 缘的低盼煤煤层气汝源。 魏努，魏拿大耪澳大稠驻也开始了 蕊除媒层气魏深与评汾工 笮。印度尼嚣疆氇在萁 圈内开展了低阶煤煤层气资源的评价和勘探开发的凇铸工作【1 1 】。 ( 2 ) 国内低阶煤煤层气开发动态 二卡世纪年伐，我鬻煤炭系绞藏已开始了潆露“势下琵簸热效二终，到1 9 9 7 霉瘫， 煤层气抽放总蕊已达7 2 9 1 0 8 m 3 - d - 1 。8 0 年代中期开始将煤层甲烧作为能源资源进行研 究和认识，“七五致关成果正式明确我国陆上埋深2 0 0 0 m 以浅的煤层7e 资源总量达3 0 3 5 万亿m 3 u 2 j 。 按慧传统豹认识，鬣狳漾其有含。t 鬣 毳的特点，赣逮小于5 搦3f 1 ；在美鏊潆瀑气选 区评价过程中，普遍接受的镜煤反射率的下限为r o m 。一0 7 ，含气孱下限为7 m 3 t - 1 ，而 在国内普遍接蹙下限为r o m 。= o 5 ，含气量下限为5 m 3 t 。在这种认识的影响下，人们 忽毒芟了低除爆鼹气兹资源潜力。 然两，近年来属低煤阶含煤区静美翻粉河盆地煤滋气勘探开发的商业成功给我国煤 层气工业界以极大的启示，低阶煤中不仅含有相当可观的煤层气资源可开发，而且同样 疑有商业价值。 中国煤瓣薅蔟慈弱完躐靛全国漾旋资源颈溺结聚表暖，在全餮2 0 0 0 米以浅戆 5 5 6 x 1 0 ”t 煤淡资源中，低阶煤资源量( 含h m ) 占总鼹的5 5 1 3 ，而且主要分布在我 圈的西部地区。 鄂尔多焱懿缝是一令典型盼含低除煤锭缝，煤炭瓷源总量达戮1 5 4 x 1 0 1 2 t ，其中， 绦罗纪煤炭资源量为1 1 2 x 1 0 轮t ，石炭一二叠系煤4 1 l x l o n t 。若按煤类分，低阶煤资源 鬣可达1 0 4 x 1 0 1 2 t ，占盆地煤炭总资源量的6 7 3 。 重新认识低阶煤储层性质，并完善煤层气资源评价方法已成为一项亟待开展的课 爨。 西安科技大学硕士学位论戈 1 2 2 国内外煤层气吸附与解吸实验装备研究动态 鉴于煤层气主要以吸附状态储存于煤中，研究煤层气主要是对煤吸附甲烷性能研 究。目前，磺究煤吸瓣甲熄气 奉主要依事毫等温吸孵实验方法。 自2 0 雀掰5 0 年代开麴绦索至今，其实验装置可分为两类：一突是重量法，该方法 实验精度要求比较高，相对设备成本和实验成本较高，目前仅有美圈一所大学( 阿拉巴 马大学) 自己研制的一套设备；另一类则是容积法，该方法得到了广泛的应用。 旱在2 0 髓纪8 0 年代之麓，我蚕媒淡工篷赛簌漾矿瓦蘩治理爨发，漾炭癸攀疆究葱 院抚顺分院和熏庆分院分别研制出“瓦斯吸附仪”。这两家的产品主要是采用玻璃试管 组成的一套实验装置，但其精度和实验最高压力受到了限制。因此，目前这两家的产品 仪用于煤矿琵燃研究。 自2 0 氆魏年 弋以来，煤炭辩学磷究总院西安分麓、原建矿帮华北石漓圭| 煞矮弱研 究院、中国石油勘探开发研究院廊坊分院、中国矿业大学( 徐州) 、焦作理工大学等单 位陆续从美国日i 进了几台煤层气等温吸附仪。这些吸附仪分别由两家公司研制( 也并非 麓藏熟载囊菇纯仪器) ，一容是t e r r a t e k 公霹，要一家是r a v e n r i d e g r e s o u r c e 公霹。遥 十年的使用发现，这两家的吸附仪存在精同样的缺陷，实验样品赞少，实验重爱性差。 慎得注意的魁，以上容量法实验装备只测试吸附等温线，而不测试解吸等温线。 l 。2 t 3 国内砖藻层气基础理论研究动态 ( 1 ) 煤层气赋存状态 煤层作为煤层气的天然储层，是煤层气储存的主耍场所，其中煤层气主要以下列方 式存在。 其一是以暇附状态存在。各种煤中，吸附状态甲烷均是媒中串烷的主要部分，所占 比例变化在6 0 , 一9 5 之间。特别是在1 0 0 0 以浅，其含髓占煤层甲烷含量的8 0 以上【1 3 l 。 同时煤中的甲烷决定了煤层甲烷总含量的水平。煤是有机质，煤中微孔隙的内袭厩有吸 瓣气薅豹髓力。潆接气戆黢力可以是豢系砂岩镶气熊力熬置| 一莹警至冗香绩。菇_ 争 潆瑷 附甲烷的能力随煤级的增商而增大，随水分含量和温度的增加而降低。一定温度下，煤 屡甲烷在一定压力下的储集量可用数学公式来表示。在实验室恒温条件下改变压力实测 甲烷量褥出啜瓣等温线，稷据暇甄毒等漫线可以计算出漾中最大吸醛麓f 1 ”。 其二是以游离获态存在，一定压力下煤层气呈游离状态赋存予煤的封理、耧隙中， 当压力降低游离气很容易离开煤层而排出。另外以溶解方式储存于水中也是煤层气的又 一种储存方式，苏联学者a c 涅斯托洛夫斯基认为在地下水潜水面以下煤中呈吸附状态 黪擎烷与在东申呈溶解浚态熬警靛舔接蛰乎 ：羹 。漫度变纯不大时泽烧豹啜辩量与麓泰压 力成正比，不遵守气态定律。当动水压力减小时，煤中吸附和溶解于水中的甲烷就会转 4 l 绪论 变成游离状态并沿着压力减小的方向运移出去。 不同成因类型的甲烷在煤层中的赋存状态也不同，生物成因气和二氧化碳大多溶解 于煤层水中，因为泥炭松散，孔隙表面积大，含水程度高而压力低，水分子占据了孔隙， 所以生物成因气不容易呈吸附状态存在i l ”。次生生物成因气的产生和水进入煤层有关， 主要呈溶解于水中的气存在。热成因气是煤层被埋藏后因地温增高从有机质中裂解产生 出的气，多以吸附状态( 或部分为游离状态) 储存于煤层中【l 6 j 。 ( 2 ) 国内外煤层气吸附解吸研究动态 1 ) 煤层气吸附机理研究 吸附是一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面的界面现象，其研究最早可追 溯到十九世纪，吸附在化学、工业中的提纯、干燥、分离、脱色以及催化等方面起到举 足轻重的作用。等温吸附实验是研究物质吸附过程的重要手段之一，由此得到的吸附等 温线是表征吸附特征和研究吸附机理的基础。较系统地研究煤的吸附行为，可追溯到上 世纪中期，早期的研究主要是围绕解决矿井瓦斯灾害问题而进行的，例如利用吸附参数 预测瓦斯突出危险性等。自2 0 世纪7 0 年代起，美国率先把煤层气当作一种资源进行研 究并取得了成功开采以来，对煤吸附气体的研究爿逐渐深入。瓦斯或煤层气是以c 1 4 为主，还伴有少量重烃类气体以及h 2 、n 2 、c 0 2 等i l “，因此煤对c h 4 的吸附成为煤层 气吸附研究的重点，国内外学者在此方面己做了大量的科研工作，具体研究发展情况如 下： 早期的研究主要为煤矿安全生产服务，内容集中在考察实验条件对某一特定煤吸附 甲烷性能的影响上，包括实验温度、压力等，并利用实验获得的l a n g m u i r 参数预测瓦 斯突出的危险性。在机理方面主要借鉴化学、化工领域的吸附成果和方法，如利用己有 的吸附模型模拟煤对甲烷的吸附行为等。当认识到煤的性质差异会对煤吸附性能造成显 著影响时，研究内容逐渐和地质因素结合起来。例如讨论不同煤级煤吸附性能的变化规 律、不同显微组分对吸附性能的影响、煤中矿物含量对煤吸附性能的影响、煤的孔隙结 构和煤吸附性能的关系等。自从人们认识到煤矿瓦斯也是一种资源以来，煤吸附气体的 研究才得以逐渐深入，研究成果也被应用到煤层气的勘探开发过程中。 上世纪9 0 年代初以前，国内的煤层气吸附研究主要是为煤矿安全生产服务，所采 用的设备和方法以煤炭科学研究总院抚顺分院研制的等温吸附仪为主。取得的研究成果 一方面应用于预测煤矿瓦斯突出的危险性；另一方面也应用于煤和煤层气的勘探开发研 究中。戴金星等在8 0 年代建立煤成气理论以来，促进了中国煤层气的研究工作，也带 动了煤吸附气体的研究。在当时的认识条件下，煤吸附研究的一个主要特点是采用干煤 样进行实验，曾涌现出一些重要研究成果。这期间，煤炭科学研究总院西安分院承担了 和煤层气有关的“六五”、“七五”、“八五”国家科技攻关项目和其它级别的科研项目。 在研究过程中，积累了丰富的吸附实验资料并取得了重要研究成果，为以后的煤层气研 西安科技大学硕士学位论文 究工作打下了坚实基础。 进入2 1 世纪以来，由于中国天然气发展战略的需求、煤矿安全生产的要求和对环 境问题的重视，中国煤层气工业迎来了新的机遇，相关学者们对于加强基础理论研究的 必要性己达成了共识。在煤吸附领域，更强调和实际应用的结合，如何使煤吸附研究更 好地服务于煤层。i 的勘探开发，是当前及今后煤吸附研究的方向。 2 ) 煤层气解吸机理研究 美国煤层气产业界依据排水一降压一解吸一采气理论【l 引，有力地推动了美国的煤层 气产业的形成与发展。然而长期以来，煤层气界普遍关注是关丁二吸附特征研究而忽略了 对煤层气开采过程中的解吸机理的研究。随着煤层气开采实践的深化和开采煤层气产层 类型的复杂化，系统深入地研究煤层气开采过程中的解吸过程和解吸机理迫在眉睫，尤 其是中国煤层气产业界。只有不断地深化煤层气开采过程中的解吸机理研究，才能有效 地指导不同类型产层的煤层气开采工作。 为深入系统地研究煤层气丌采过程中的解吸机理，国家9 7 3 计划煤层气项目“煤层 气开采基础理论研究”课题( 2 0 0 2 c b 2 1 1 7 0 8 ) ，从煤对甲烷吸附解吸的物化特性研究、 吸附解吸可逆性实验研究、多元气体竞争吸附与弱势解吸理论实验研究三个方面对煤层 气解吸机理展开研究。总结和分析了国内外有关煤层气解吸机理研究的主要进展和研究 现状，并指出了存在的问题与发展趋势。认为：国内外煤层气界对煤层气解吸机理的研 究仅仅停留在对吸附机理的研究和对吸附，解吸可逆性实验研究阶段，缺少必要的大样量 的煤层气解吸模拟实验；吸附解吸实验的不规范性导致实验结果千差万别，仅吸附解 吸可逆性实验而言，目前还不能确切地确定煤层气吸附解吸是否可逆。实验条件的差异 导致相反的结论。 3 ) 吸附解吸可逆性实验研究 长期以来，多数学者和专家主要是通过大量的单组分( 甲烷) 、多组分、不同煤阶 煤样的等温吸附实验，从其反向进行煤层气解吸机理探讨。考虑到吸附与解吸过程可能 会出现的差异，国内外一些学者和专家开展了煤层气吸附解吸可逆性实验，以探索煤层 气吸附解吸的可逆性。这种实验的过程都是在进行吸附实验完成之后，紧接着进行降压 解吸实验。然而，由于目前这种实验尚不规范，导致实验结果相差甚远，以至于得到不同 的结论。有人认为煤对甲烷的吸| i | 解吸过程基本可逆，而有学者认为煤层气的解吸滞后。 事实上，煤对甲烷的吸附解吸过程的可逆性与解吸滞后性是一个问题的两个方面，都是 物理吸附本质的体现【：1 9 】【2 0 川。 煤层气界普遍认同的观点是煤层气的吸附解吸过程基本可逆，并且多以等温吸附曲 线来表述开采过程中的煤层气解吸过程，并用l a n g m u i r 方程来描述 2 0 l 。目前的所有煤 层气储层模拟软件均是基于这一观点建立的解吸模型，如c o m e t 2 、c o n g a s 、g e m 等。 h a r p a l a n is 等研究发现，在煤中呈物理吸附的混合气体，吸附能力强的组分在解吸气中 6 1 绪论 较为富集，瞧勰啜是可逆豹，蒡且砉走为，啜辫稻惩蔽都符合相露豹压力与寝辩鬟关系噩垂 线。c h a b a c kj 、m o r g a nd 和y e ed 等f 2 2 1 的研究证实了h a r p a l a n j 等人的发现，即扩 展l a n g m u i r 方程可用于物理吸附气的吸附和解吸计算，物理吸附气体的吸附和解吸过 疆具有可逆悭。g r e a v e s 等刚1 在研究了混合气斡吸瓣鳃吸行为蜃，发理吸爨窝鳃吸过 程中压力与设附量的关系存在显著差舅，并将这静孑予为摇述为滞螽效应。 综上所述，半个多世纪以来，经过许多学者的努力，煤吸附气体理论研究已取得了 鼹著进展，研究成果也在煤层气的勘探开发领域得刘广泛应用。但是，长期以寐，煤层 气赛普速关注黠爨蕊暇瓣蛰筵豹磅究， 瑟忽臻了对漾屡气页采过纛中戆舞啜羧理麓磅 究。随着煤层气开采实践的深化和开采煤层气产层类型的复杂化，系统深入地研究煤层 气丌采过程中的解吸过程和解吸机理迫在屑睫，尤其怒中国煤层气产业界。只有不断地 深化煤层气开采过程中的髂吸辊理磅究，方能有效地搬导不同类型产层的煤层气开采工 稚。 1 3 主要研究内容和研究方法 l 。3 1 研究内容 本论文研究涉及的主露工作及内容有： ( 1 ) 样晶的采集及制器方法。 ( 2 ) 对低除媒进行秘窳组藏、孔除特征分拆。 ( 3 ) 完潜高压容量法簿温吸附与解吸实验数据处理方法，并对实验误差进行周密 的分析，推学出误差公式，以保证实验数据的可靠性。 ( 4 ) 逶弦裹压容量法落潼吸融与解吸实验，溺爱 蕊验媒潆李莩等湛吸隧群吸瞧笺、 l a n g m u i r 体积和l a n g m u i r 压力。 ( 5 ) 通过实验结果数据，考察低阶煤煤层气的吸附特征，并分析其储气状态和储 气能力。 ( 6 ) 邋遥实验结莱鼗褥，磅究稳狳媒漾层气戆熬吸特 歪，考察蘸除潆媒瑟气蔽瓣 解吸可逆性。 ( 7 ) 结合低阶煤煤层气的储气特征和解吸特征，确定低阶煤煤层气开采参数。 1 3 。2 鼹究方法 本论文研究主要以等温吸附解吸实验为手段，瀚过揭示低阶煤煤层气的吸附性能 和解吸特征，并确定低阶煤煤层气开采参数，以指导低阶煤煤层气的开采。研究技术流 穆，魏蚕i 1 掇示。 西安科技大学硕士学位论文 实施方案 j 。样型壁型q 低阶煤物性分析 t 上 高压容量法等温吸附与解吸实验 一! 实验数据手处理与计算 ， 低阶煤煤层气吸附解吸特征分析 图1 1 研究路线流程略图 为确保课题的顺利实施和试验研究，本课题将紧紧围绕低阶煤煤层气吸附解吸这 一核心科学问题，按照研究流程进行大剂量、大批量的实验工作，并最终取得一定的成 果。 2 低阶煤物性特征分析 2 低阶煤物性特征分析 煤是一类由高分子有机化合物与矿物混合组成的可燃岩石。对于煤层气勘探开发而 言，煤不仅是气源岩，而且还是储集煤层气的储层。低阶煤在物质组成、化学结构和孔 隙构成上与中、高阶煤有较大的差异，这种差异性也使得低阶煤储集特性和低阶煤煤层 气吸附解吸机理与中、高阶煤有较大的差异。因此，分析研究低阶煤物性特征是开展对 低阶煤吸附解吸特性研究的基础。 2 1 1 氐阶煤的界定 本次研究的对象是低阶煤煤层气，低阶煤是煤层气赋存的储层，对于低阶煤的界定 是本论文研究的第一环节。在这里，借鉴煤地质学、煤有机地球化学以及煤层气勘探开 发实践来对低阶煤进行界定。 低阶煤这一概念与煤岩石学中的低煤级煤相对应，是煤化作用早期阶段形成的产 物，通常指碳含量低、挥发份高、发热量较低的煤【州。由于低阶煤的热演化程度低，煤 分子结构中含一定量的- - c o o h 、- - o h ，这些官能团主要包含于腐植酸中，其中褐煤 ( h m ) 中含4 0 6 0 的腐植酸，长焰煤( c y m ) 中含l 3 的腐植酸。 煤在热演化过程中在r o m a x = o 6 o 6 5 处发生第一次煤化跃变【2 5 1 ，沥青化作用开 始，煤发生巨大的物理化学变化，这是煤阶划分的重要指标。 从美国煤层气勘探开发实践来考查低阶煤的划分。传统上美国煤层气工业界将 r 0 。a x = 0 7 1 6 0 或r 0 。= o 8 1 3 的煤称之为适宜煤层气开发的烟煤，而煤阶低 于r 。x = 0 7 或o 8 的煤则称之为低阶煤。 表2 1 煤阶划分表 r 。一j i 0 2 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 1 2 - 一1 4 1 6 1 8 2 0 - 一3 0 4 0 胍 煤 茎 冀 h m 亚烟煤 高挥发分烟煤 罢翥篡 罢嘉篡 半毳烟 无烟煤 级备冀l h m c y m | 焦煤引i 篡l i 翟鬣 国l 炭l c l 气煤 肥煤l 焦煤 i 煤! 煤l 煤l 磊煤 因此，本次研究将低阶煤的上限暂定在r 0 。= o 6 5 ，也就是说，本文所研究的低 阶煤是指煤阶划分表中的褐煤( h m ) 和长焰煤( c y m ) 。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 低阶煤的物质组成分析 本次研究，利用工业分析法测试了具有代表性的低阶煤( h m 、c y m 等共5 个煤样) 煤样的水分、灰分和挥发分组成，同时，利用显微光度术测定了煤样的显微组分组成。 2 2 1 低阶煤的工业分析 低阶煤的工业分析，利用国产的工业分析设备，依据工业分析的国家标准 ( g b 2 1 2 9 1 ) 。分析结果见表2 2 。 表2 2 低阶煤工业分析结果表 从表2 2 中可以看出，煤中的水分( 空气干燥基) 的分布从7 7 0 1 1 4 6 。依据 统计资料，长焰煤( c y m ) 的空气干燥基水分的分布范围是3 1 2 ，褐煤( h m ) 煤样的空气干燥基水分分布在1 0 2 8 。褐煤( h m ) 样的空气干燥基水分为9 6 4 和1 3 6 ，由此可见，褐煤( h m ) 样品的水分含量大体上较低。此次分析的长焰煤( c y m ) 煤样的空气干燥基水分值差异较大，但其空气干燥基水分含量处在统计范围内，与全国 其他地区的长焰煤( c y m ) 的水分含量值基本相当。总体来看，所分析样品的干燥无灰 基挥发分数据分布在前人所做的统计范围内1 2 引。 煤样的狄分分布范围在5 0 8 7 1 9 之间，可见样品的狄分低，属特低灰煤；这 样低的煤的灰分含量利于提高煤的吸附和储集能力。煤样的挥发分分布范围在3 0 以 上，和统计资料相符。 2 2 2 低阶煤的显微组分组成 利用l e i c a 公司产m p v 一3 显微光度计，依据推荐国标g b t 8 8 9 9 1 9 9 6 测定了煤样的 显微组分组成，结果见表2 3 。 2 低阶煤物性特征分析 表2 3 低阶煤显微组分组成分析结果表 由表2 3 可以看出，在所分析的长焰煤( c y m ) 样品中，镜质组是煤中的主要成分， 含量大多大于5 0 ，惰质组含量介于1 6 3 2 ，壳质组含量分布在1 2 1 8 。两褐 煤( h m ) 样品，其镜质组含量分别为7 2 1 、2 7 ，惰质组的含量分别为1 6 6 、6 2 6 ， 壳质组含量分别为1 0 6 、9 8 。所分析煤样品中的矿物含量均小于5 ，显微镜下的 分析结果显示，煤中的矿物主要由粘土类矿物构成，其次是碳酸盐类矿物，可见到氧化 物类矿物。 利用l i c a 公司产m p v - 3 显微光度计，依据推荐国标g b t 6 9 4 8 1 9 9 6 测定了煤样的 镜质体反射率。 依据我国的煤阶划分方案，长焰煤( c y m ) 的镜质组反射率值是0 5 0 0 6 5 ， 而美国亚烟煤的镜质体反射率o 4 0 0 ，6 5 ；褐煤( h m ) 的镜质组反射率值为o 3 0 5 0 。因此，所分析的长焰煤( c y m ) 样品的镜质组反射值为0 5 0 0 6 5 ，而褐煤 ( h m ) 样品的镜质组反射值为o 3 0 0 4 0 。 2 2 3 煤样的密度 本研究首先测定了真密度和视密度，并计算出煤样的孑l 隙度和孔容。 测定煤的真密度用比重瓶法，以水做置换介质，根据阿基米德原理进行计算。方法 要点：以十二烷基硫酸钠溶液为润湿剂，使煤样在比重瓶中润湿、沉降并排除吸附的气 体，根据煤样质量和它排出的纯水的质量计算煤的真密度。 煤的真密度计算公式如下： 妇。碧l = q + 生c = - g 式中：妇碟l 干基的真密度，g ( c m 3 ) ； q 干基煤样质量，g ； g 0 比重瓶、浸润剂及水的质量，g ； g ，比重瓶、浸润剂、煤样及水的质量，g 。 ( 2 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 干燥基煤样质量按下式计算； g a = g 等 z ， 式中：g 空气干燥煤样质量，g ： m a d 空气干燥基煤样水分，。 煤的视密度是指2 0 。c 煤( 包括煤中的孔隙) 的质量与同体积水的质量之比。测定视 密度的方法采用涂蜡法。其计算公式如下： a r d 2 嚣= 7 ! l f g 2 + q - g 3 一里凸1 。 prp sj 式中：一只磋：j i 某在2 0 。c 的视密度，g - ( c m 3 ) ； q 煤样的质量，g ； g ：涂蜡煤粒的质量，g ； g 3 比重瓶，涂蜡煤粒及水溶液的质量，g ； q 比重瓶，水溶液的质量，即空白值，g ； 以石蜡的密度，g ( c m 3 ) ； 所在t 。c 时十二烷基硫酸钠溶液的密度，g ( c m 3 ) ； 硝水在2 0 时的密度，g ( c m 3 ) 。 测定了煤样的真密度和视密度后，可以计算出煤样的孔隙率，计算公式为 即= 皆圳。 i 豫d 嚣l ， 式中：陋d 君l 干基的真密度，g ( c m 3 ) ： 爿月d 嚣煤在2 0 。c 的视密度，g ( e m 3 ) 。 然后根据，孔隙率计算出孔容，计算公式如下： v ： 翌 a r d 2 ：” 式巾：v 煤样的孔容，c m 3 f 1 ； ，7 煤样的孔隙率，： 爿r d 署煤在2 0 。c 的视密度，g ( c m 3 ) 。 利用上述测量方法，所采煤样实际测量数据如表2 4 。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 低阶煤物性特征分析 表2 4 低阶煤样品密度测试结果表 由表2 4 可以看出，样品的真密度分布在1 ，3 8 1 6 0 9 ( c m 3 ) ，视密度分布在1 3 1 1 4 3 9 ( c m 3 ) 。结合低阶煤煤样的显微组分分析发现，随镜质组含量增加，煤样真密度呈 下降趋势。煤样密度具有随矿物含量增加而增加的趋势。可见，煤中的物质组成是煤密 度的重要影响因素，并在此基础上影响煤中的孔容和孔隙率。可以说，煤中的物质组成 从煤样的密度以及孔隙组成两个层面上对煤储层性质以及煤层气的赋存产生影响。通过 分析，还可进一步认识到，由于镜质组在煤中所占比例高，它所产生的影响是可能是由 数量效应产生的，虽然煤中的矿物含量较低，其影响仅次于镜质组的影响，可见其影响 方式的差异性，镜质组的影响表现在数量上，而矿物质的影响则表现在质量上。 2 3 低阶煤子l 隙特征分析 2 3 1 低阶煤孔隙形态 煤中的孔隙存在不同的形态。依据煤的开放性，可将煤的孔隙分为开放孔、半开放 孔和封闭孔。在电镜或光学显微镜下观测可以看到其孔隙结构，如图2 1 所示。 幽2 1 不同形态的孔示意图 a 1 一开放孔；b 一半开放孔；c 一封闭孔 西簧科技大学硕士学位论文 根