煤层瓦斯解吸扩散过程中甲烷碳同位素分馏动力学模型

甲烷在多孔介质煤层中运移时,会发生显著的同位素分馏,目前的模型和机制并不能完全解释瓦斯运移过程中的同位素分馏现象。以不同分子间的竞争吸附作用、扩散能力差异性以及碳同位素分馏解吸-扩散成因等理论为基础,构建了煤层甲烷碳同位素分馏动力学模型。研究结果表明,在解吸过程中,甲烷碳同位素逐渐变重。瞬时同位素值在解吸后期呈指数级变重,累计同位素值随时间的变化与气体的累计脱气量随时间的变化相似。在气体扩散过程中,扩散系数比值(D_(1)/D_(2))对同位素分馏具有显著的控制作用。煤心中吸附气的体积分数占到90%以上,吸附/解吸引起的同位素分馏变化与耦合作用下引起的同位素分馏变化相近,该模型较好的预测了煤心瓦斯解吸中碳同位素分馏试验。甲烷在孔隙中的解吸、扩散是碳同位素发生分馏的重要原因,在此过程中游离气和吸附气引起的同位素分馏具有阶段性。通过该模型的参数与煤心的参数匹配后,可以获得煤心吸附气含量、游离气含量,进而评价煤层瓦斯含量。将该模型应用到煤层钻孔瓦斯抽采过程中,结合现场测试和实验室测试确定模型参数,建立煤层钻孔抽采瓦斯碳同位素值与瓦斯抽采情况的关系。可以判断煤层瓦斯抽采所处的阶段,并计算残余瓦斯含量,为评价煤层瓦斯抽采效果的潜在应用提供理论基础。

四川志留系龙马溪组页岩等温解吸及甲烷碳同位素分馏特征

本文选取四川志留系龙马溪组页岩,对所采样品进行了地球化学、岩石矿物组分及含气性分析。在实验室内采用磁悬浮天平进行质量法等温解吸实验,通过页岩气解吸过程中甲烷碳同位素(δ^(13)C_1)组成变化研究甲烷碳同位素分馏过程,比较不同温度下甲烷碳同位素分馏特征;同时赴现场收集页岩岩心解析气,进行气体组分和甲烷碳同位素分馏分析。结果表明,随着压力降低,样品中气体逐步解吸,甲烷碳同位素出现分馏特征,δ^(13)C_1值呈现增大的趋势;页岩储层性质影响甲烷碳同位素分馏,有机碳含量相对越高,δ^(13)C_1值越大,矿物组分和扩散运移也会影响甲烷碳同位素的分馏结果;温度影响甲烷碳同位素分馏,低温时甲烷碳同位素容易分馏。现场测定的甲烷碳同位素分馏变化明显,气体组成随解析时间发生规律性变化。

煤层气吸附/解吸分馏的从头计算研究

根据13CH4与12CH4在煤表面吸附势能的差异性合理解释煤层气吸附/解吸过程中的碳同位素分馏效应,为煤层气运移聚集过程的预测提供了有效途径.根据已建立的甲烷在煤表面的吸附模型,采用量子化学从头计算的方法计算煤表面甲烷吸附势能,绘制煤吸附甲烷的势能曲线,发现13CH4在煤表面的吸附势能普遍高于12CH4,也就是说13CH4与12CH4相比具有优先吸附、滞后解吸的特点.这一研究结果与Polanyi吸附势理论的研究结果一致.从而合理解释了煤层气解吸过程中发现的先解吸δ12C甲烷、后解吸δ13C甲烷的现象,也解释了煤层甲烷碳同位素深部重、浅部轻的地质现象;同时计算结果还表明,甲烷在煤表面是以单分子层吸附的.