孫仁遠(yuǎn) 林 李 王 寧 張?jiān)?胡愛梅 陳 東

(1.中國石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院,山東 266555;2.中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院,江蘇 210000;3.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心,北京 100095)

在煤層氣吸附性能評(píng)價(jià)方面,國內(nèi)主要采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià),為滿足研究工作的需要,自行設(shè)計(jì)了一套煤巖吸附性能評(píng)價(jià)裝置,開展了不同氣體在煤巖中的吸附性能評(píng)價(jià),研究了煤質(zhì)、壓力、溫度、顆粒粒徑、含水量等因素對(duì)煤巖吸附特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)材料包括半煙煤、無煙煤、高純度氣體(氦氣、氮?dú)?、二氧化碳、甲?99.99%)、蒸餾水等。

煤巖經(jīng)破碎、粉碎、過篩、烘干制成實(shí)驗(yàn)用煤粉;煤粉經(jīng)壓制、砸實(shí)制成實(shí)驗(yàn)煤樣。

煤層氣吸附實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,它主要由氣瓶、恒溫箱、標(biāo)準(zhǔn)室以及樣品室組成。實(shí)驗(yàn)樣品基本參數(shù)如表1所示。

圖1 煤層氣吸附實(shí)驗(yàn)裝置

表1 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)原理及步驟

2.1 吸附量計(jì)算

采用吸附-平衡-再吸附實(shí)現(xiàn)吸附過程。根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程,第一次吸附平衡時(shí)的吸附氣體體積為：

第n次平衡時(shí)的吸附氣體體積為：

吸附量為：

式中：P,P(n)——第1(n)次平衡壓力,MPa;

P1,P1(n)——標(biāo)準(zhǔn)室第1(n)次壓力,MPa;

P2,P2(n)——樣品室第1(n)次壓力,MPa;

Psc——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,MPa;

V1——標(biāo)準(zhǔn)室體積,cm3;

Vφ——樣品室孔隙體積,cm3;

V,V(n)——第1(n)次吸附體積,cm3;

Z1,Z1(n)——對(duì)應(yīng)壓力P1,P1(n)的氣體壓縮系數(shù);

Z2,Z2(n)——對(duì)應(yīng)壓力P2,P2(n)的氣體壓縮系數(shù);

Z,Z(n)——對(duì)應(yīng)壓力P,P(n)的氣體壓縮系數(shù);

Q(i)——吸附量,cm3/g;

M——煤樣質(zhì)量,g。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)連接實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)系統(tǒng)抽真空;(2)向標(biāo)準(zhǔn)室中充入實(shí)驗(yàn)氣體至初始?jí)毫c(diǎn)P1; (3)連通標(biāo)準(zhǔn)室與樣品室進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),待吸附達(dá)到平衡時(shí),讀取壓力值P;(4)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)室與樣品室的連通閥,再次向標(biāo)準(zhǔn)室中充入一定量實(shí)驗(yàn)氣體,重復(fù)步驟 (3),至最高吸附壓力點(diǎn),吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓力對(duì)煤巖吸附的影響

圖2 甲烷吸附等溫線

不同煤巖吸附甲烷特性曲線如圖2所示。由圖2可見,煤對(duì)甲烷的吸附量隨壓力增大而增大,吸附量增幅隨壓力增大而變緩;無煙煤吸附量高于半煙煤,這是因?yàn)闊o煙煤的煤化程度深,含碳量高,吸附性強(qiáng);此外,二者吸附曲線符合Langmuir方程。Langmuir擬合參數(shù)如表2所示。

表2 Langmuir方程擬合參數(shù)

3.2 氣體類型對(duì)煤巖吸附的影響

由圖3可見,煤樣對(duì)三種氣體的吸附能力由強(qiáng)到弱依次為二氧化碳、甲烷和氮?dú)?。分析可?煤巖對(duì)氣體的吸附取決于煤巖對(duì)不同氣體吸附熱的大小,吸附熱越大,吸附強(qiáng)度就越大。煤巖對(duì)二氧化碳的吸附熱較大,其次為甲烷及其同系物,對(duì)氮?dú)獾奈綗嵝　?/p>

圖3 不同氣體的吸附等溫線

3.3 溫度對(duì)煤巖吸附的影響

由圖4可知,甲烷的吸附量受溫度影響較大,隨溫度的升高而降低。煤層氣吸附是一個(gè)放熱過程,溫度越高越不利于吸附,即溫度升高,煤對(duì)甲烷的吸附呈規(guī)律性的降低。

圖4 不同溫度下甲烷吸附等溫線

3.4 粒徑對(duì)煤巖吸附的影響

由圖5可見,煤粉粒徑越小,煤樣比表面積越大,吸附量越大。顆粒粒徑對(duì)吸附量的影響主要表現(xiàn)為比表面的大小,相同體積煤樣,隨顆粒粒徑的減小,總比表面積增大,吸附量增大。

圖5 不同粒徑煤樣吸附等溫線

3.5 含水量對(duì)煤巖吸附的影響

煤層含水不利于煤層氣的吸附。從圖6中可以看出,煤巖含水量越大,甲烷氣吸附量越小,但煤樣含水8%與含水15%的吸附量相差不大。

圖6 不同含水量下煤樣吸附等溫線

當(dāng)煤樣含水時(shí),水分子與煤樣表面的結(jié)合力要強(qiáng)于甲烷氣體在煤巖表面的附著力;同時(shí),煤巖中的水會(huì)占據(jù)裂縫和大孔洞中的一部分表面,甲烷分子在煤巖中的可吸附表面減小,吸附量減小。并且含水量越高,占據(jù)的表面積越大,吸附量越小。

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