吸附势理论在煤层气吸附／解吸中的应用

煤层气的吸附/解吸将导致煤层甲烷碳同位素以及煤层气多组分分馏,使得煤层气富集区预测成为可能;并为揭示注入CO2增强CH4产出提供依据。本文根据Polanyi吸附势理论和实测及收集的等温吸附试验数据,探讨煤层甲烷碳同位素和多组分气体的分馏。通过研究,得到如下两个结论:①13CH4在煤表面的吸附势普遍高于12CH4,也就是说13CH4与12CH4相比具有优先吸附、滞后解吸的特点。这种差异具有随压力增加而增加的特点。②煤层气吸附/解吸过程中CH4和CO2的分馏可归纳为以下3种情形:a.CO2和CH4的吸附/解吸等温线不相交,CO2的吸附势大于等于CH4,在CO2和CH4吸附势接近的中压阶段(1～2.5MPa)不利于注CO2驱CH4,高压、低压阶段均有利;b.因CH4的吸附/解吸等温线相交造成CH4和CO2的吸附特性曲线相交,在高压条件(>2.5MPa)下利于注CO2驱CH4;c.因CO2的吸附/解吸等温线相交造成CH4和CO2的吸附特性曲线相交,在高压条件(>2.5MPa)下利于注CO2驱CH4。吸附势理论的引入为定量评价注入二氧化碳驱甲烷工艺参数和有利储层的选择提供了方法,并揭示了在高压条件(>2.5MPa)下总是有利于向煤层注入CO2强化CH4产出。

基于吸附势理论的深部煤储层吸附气量研究

为了揭示深部煤储层煤吸附特性,量化表征煤储层吸附气量,以鄂尔多斯盆地东缘石炭—二叠系煤为研究对象,通过高温高压条件下煤的等温吸附实验研究,从煤级、温度及压力的角度解读高温高压条件下煤吸附特征。基于吸附势理论,建立了不同煤级煤的吸附特征曲线及吸附气量预测模型。应用预测模型对临兴地区石炭系8+9号煤层吸附气量进行了计算,结果表明:深部煤储层吸附气量受煤级、压力、温度的综合控制,煤级在0.77%~2.18%,即气煤—贫煤阶段,煤级和压力对煤吸附能力显示正效应、温度起负效应,且随着压力增大温度的负效应更为显著。不同煤级对应的煤吸附甲烷特征曲线不同,煤级越高则吸附势随吸附空间增大而减小的速度越缓慢。计算的绝对吸附量为19.6~31.1 cm^3/g,含气饱和度为37.8%~78.8%。

吸附势理论在甲烷临界温度以上吸附中的应用

使用吸附势理论对甲烷临界温度以上在微孔活性炭上的吸附平衡进行了研究。针对吸附势理论描述气体临界温度以上吸附所面临的问题,深入考察了各种计算吸附相密度和虚拟饱和蒸汽压的方法对吸附平衡预测结果的影响。研究表明,吸附势理论可以在较宽的范围内描述甲烷临界温度以上的吸附平衡,模型预测结果受吸附相密度计算方法的影响较小,但对于虚拟饱和蒸汽压的计算方法较敏感,其中Reich等采用的经验式更为准确。

基于吸附势理论的页岩吸附甲烷模型及其应用

根据实测的页岩等温吸附数据,以吸附势理论为基础,对等温吸附数据进行处理分析得到ε-ω吸附特性曲线及其数学表达式,推导出页岩吸附甲烷模型,在此基础上建立了地质条件下温度和压力共同影响的页岩吸附气量计算模型,并利用实测等温吸附数据进行了模型验证及应用分析。研究结果表明:页岩吸附气的ε-ω吸附特性曲线是唯一的且与温度无关,特性曲线的形态呈对数形态;文中推导吸附模型的预测结果精度较高,可预测不同温度和不同压力下页岩吸附气量,得到页岩吸附等温线;建立的地质条件下温度和压力共同影响页岩吸附气量计算模型,可预测页岩吸附气量随深度变化的趋势图;温度和压力对页岩吸附气量影响作用相反,在地质条件下的温度与压力对页岩吸附气量影响存在竞争关系,其中当页岩埋深小于页岩最大吸附容量对应埋深时,压力起到主要影响作用,反之温度起到主要影响作用。

荆门地区页岩储层吸附特征及吸附势理论应用

通过有机碳含量测试、干酪根同位素测定、镜质体反射率测定、X射线衍射和低温CO_2+N_2吸附等手段,对荆门地区页岩样品常规地化性质和孔隙特征进行了考察,结果表明,所取页岩样品有机质含量和成熟度均较高,孔隙结构发育完善。采用重量法对页岩样品进行了等温吸附实验,建立了等温吸附模型并考察了水分和温度对吸附过程的影响,结果表明,页岩样品吸附性能较好,平均吸附量为2.52 mL/g。Langmuir方程可对吸附过程进行较好拟合计算,水分含量越高,温度越高,越不利于吸附行为的发生。采用吸附势理论解释影响页岩吸附性能因子的作用,结果表明吸附势越大越有利于吸附行为的发生。

基于吸附势理论的页岩气藏吸附平衡预测

选取四川盆地下寒武统牛蹄塘组黑色页岩在35℃,50℃和65℃下进行了高温高压等温吸附实验,基于吸附势理论,对吸附平衡数据进行处理,计算甲烷气体在页岩上的吸附势和吸附空间体积,绘制页岩对甲烷的吸附特性曲线,建立页岩高温高压吸附等温线预测模型。研究表明,尽管温度对页岩气吸附影响较大,但由于页岩吸附甲烷为物理吸附,作用力主要为与温度无关的色散力,因此页岩对甲烷的吸附特性曲线具有温度不变性,不同温度下的特性曲线互相重合。基于吸附势理论的预测模型只需要一个温度下的吸附平衡数据即可对其他温度、压力下的气体吸附量进行预测,预测结果与实验数据非常吻合,平均相对误差小于3%.

应用吸附势理论研究氢在沸石上的超临界吸附

针对吸附势理论描述气体超临界吸附所面临的问题,采用经验方法求取了临界温度以上且较宽的压力范围内氢在微孔沸石上吸附的虚拟饱和蒸汽压和该吸附体系的亲合势系数εi,j,并通过对ln(W/W0)与(εi,j/εi,j)(W,W0分别为吸附相体积及吸附剂的饱和吸附容量,εi,j为吸附势)的相关性分析得到了一般吸附函数的表达式.研究结果表明,εi,j与吸附热qi,j具有线性关系,因此可将吸附热作为一般吸附函数的参数应用于吸附势理论的研究.利用一般吸附函数对本实验条件下的吸附数据的拟合分析证实该函数可较好地表述氢在微孔沸石上的超临界吸附.

基于吸附势理论的SF_6高压电器设备气体绝缘状态预测

SF6气体的相对湿度可以直观地反映SF6高压电器设备的绝缘状态。因为相对湿度值随温度变化,所以不同温度的离线相对湿度要根据在线监测得到的相对湿度换算得到,这一过程必须考虑设备对水分的吸附作用。文中在吸附势理论的基础上,采用吸附势与吸附空间的关系曲线作为描述SF6高压电器设备对水分吸附作用的特性曲线,并给出了曲线的制定方法及流程。在实时在线监测的基础上,利用特性曲线推导了温度变化时SF6气体相对湿度的离线计算算法。以离线相对湿度作为预测气体绝缘状态的依据,并在实验室进行了模拟实验。

吸附势理论推算混合气在载铜活性炭上的吸附平衡

本文根据吸附势理论,预测了CO/CO_2和CO/N_2两种二元混合气在载铜活性炭（C/Cu)上的吸附平衡数据,该数据与实测结果的比较表明,上述理论误差较小,并且适用于CO/CO_2这类共沸体系,从而推广了这一理论的应用范围.相应的比较结果还表明,Flory-Huggins空穴溶液模型和负荷比夫联方程均不能描述CO/CO_2的共沸行为.

吸附势理论在煤层夹矸型黏土矿物吸附甲烷中的应用

通过两种不同方法对实验条件下夹矸型及非煤型黏土矿物甲烷吸附的相关数据进行了推导,通过拟合计算分别推得各样品对应的不同温度下吸附量与压力关系式。结果表明,在吸附量相同时,吸附势大小顺序为:NH4-I>Kao-I>Ill>Phl;表明运用吸附势理论推导出的各样品甲烷吸附能力大小顺序和实测的结果一致,该方法存在一定的可行性,为预测不同埋深温压下的甲烷吸附状态提供了一种方法手段,为探索深部煤储层气体吸附提供了依据。

吸附势理论在10K低温吸附器设计中的应用

以氢气在活性炭中22 K、27 K、32 K、37 K、77.3 K、89 K温度下的吸附数据为基础,根据Polanyi吸附势理论得到了跟温度无关的吸附特征曲线,并利用特征曲线反推对应温度下的吸附等温线;发现吸附势理论对氢气在活性炭中临界温度以下温区较低压力下(小于0.01 MPa)吸附量的预测跟实验数据吻合较好;并根据吸附势理论得到了10 K下氢气在活性炭上较低压力下(小于0.01MPa)的吸附等温线,并设计了250 W@4.5 K氦制冷机工作于10 K温度下的吸附器。

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。

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(5cm3/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。

基于吸附势理论的煤—甲烷吸附等温线预测

将吸附势理论应用于煤—甲烷固气吸附体系,介绍了吸附特征曲线的获取方法;根据不同温度下的等温吸附实验数据,由40℃的等温吸附数据建立了吸附特征曲线及其数学表达式,并预测了30℃、50℃的吸附等温线;结果表明,预测的平均相对误差仅为1.72%和0.92%,预测效果较好。

气相吸附平衡的推算——吸附势理论和微孔吸附容积充填理论 缅怀前苏联著名科学家M.M.杜比宁院士

微孔吸附容积充填理论是当今描述微孔吸附剂,特别是碳微孔吸附剂(活性炭和活性炭纤维)气相吸附行为的最为成熟、完整和实用的理论。它是前苏联著名科学家M.M.杜比宁院士及其学派在经典吸附势理论基础上,积近60年的实验研究和理论分析工作予以创立和不断完善起来的。本文试图对此理论作全面、概略地论述和探讨。

气相吸附平衡的推算——吸附势理论和微孔吸附容积充填理论（缅怀前苏联著名科学家M．M．杜比宁院士）

微孔吸附容积充填理论是当今描述微孔吸附剂，特别是碳微孔吸附剂(活性炭和活性炭纤维)气相吸附行为的最为成熟、完整和实用的理论。它是前苏联著名科学家M．M．杜比宁院士及其学派在经典吸附势理论基础上，积近60年的实验研究和理论分析工作予以创立和不断完善起来的。本文试图对此理论作全面、概略地论述和探讨。

基于不同类型煤吸附甲烷的吸附势重要参数探讨

目前广泛使用的以饱和蒸汽压(P0)和吸附相密度(ρa)为重要参数的吸附势理论,在用于煤-甲烷吸附体系研究时,因求取虚拟饱和蒸汽压时参数k值选取随意,导致吸附行为描述精度不高。借助低中变质程度构造煤和共生非构造煤样品,通过开展煤对甲烷等温吸附实验,进行P0和ρa标定,获得相应的吸附特征曲线,并在较宽温域内对不同类型煤等温吸附曲线进行预测。研究发现,基于k值的P0计算对吸附特征曲线影响较大,不同煤样的最优k值分别为kP1N=3.2,kP1D=3.4,kP8N=3.1,kP8D=3.0。利用313 K下吸附数据预测了不同煤在243,283,303,323 K的等温吸附曲线,认为选用Amankwah公式并利用最优k值计算P0时所获得结果与实测值吻合最好。

基于吸附势理论的煤吸附CO超临界模型构建

受火成岩入侵以及埋深的影响,处于高温高压状态下的煤对CO吸附能力变化较大,处于远超过临界温度和压力条件下的CO以超临界状态附着在煤体表面,导致该环境条件下的煤层常常出现CO涌出现异常的现象,进而影响通过CO体积分数变化对煤层自燃进行预测的准确性。为研究环境压力超过CO临界压力时,煤体对超临界状态CO吸附能力的变化,并对不同温度压力下煤层对超临界状态CO吸附能力进行预测,基于Polanyi吸附势理论,从势能变化的角度,通过结合等温吸附实验数据,构建出压力,温度以及CO吸附量之间的关系模型,从而得以预测对不同温度不同压力煤体对CO气体的吸附量,进而为完善通过CO体积分数对煤层自燃进行预测的指标气体预测法提供有效的理论依据。

不同破坏类型煤的吸附势差异性研究

为弄清不同破坏类型煤吸附甲烷的规律,采用吸附势理论对不同温度煤的甲烷吸附量进行计算,得出不同破坏类型煤的吸附特征曲线及差异性。研究结果表明:随着煤体破坏类型的增加,各阶段孔容都增加,其增大了煤体吸附瓦斯的空间;同一温度下,煤体的破坏类型越大,其吸附量越大,吸附势能也越大;煤体的吸附势随着吸附空间的增加而减小;ε-ω吸附特征曲线与温度无关,吸附势ε与吸附空间ω满足ε=aω3+bω2+cω+d的关系,式中a、b、c、d为常数。

甲烷在煤颗粒表面吸附势的影响因素研究

基于大量文献调研,从吸附势的推导公式出发,总结和分析了甲烷在煤颗粒表面吸附势的影响因素及其作用过程。研究发现吸附势主要受平衡压力、煤孔隙结构类型、吸附气体体积、煤阶等因素控制。平衡压力越小,吸附势越大;孔径越小和孔隙曲率越大,吸附势越大;吸附势随吸附气体体积减小而增大。吸附势随着煤阶的升高呈先增大后减小变化趋势。