温度/压力对甲烷超临界吸附能量参数的影响机制

煤层气在储层高温高压环境中主要以超临界吸附状态赋存,温度和压力是影响煤储层含气性的重要外部控制因素,温压条件改变意味着煤-甲烷吸附体系的原始平衡状态被打破,体系能量发生变化。基于无烟煤等温吸附试验数据,通过Gibbs方程对比了甲烷超临界与亚临界吸附的差异,从吸附热力学和吸附动力学角度,分析了温度和压力对甲烷超临界吸附过程中的能量参数的影响规律。结果表明:超临界条件下的煤-甲烷吸附体系绝对吸附量大于过剩吸附量,二者间的差异随平衡压力增大而增大,随温度升高而减小。对于特定的煤-甲烷吸附体系,吸附势与吸附空间在任意温压条件下呈现单一吸附特征曲线关系,且平衡压力增加引起吸附势减小,吸附空间增大,而温度升高引起吸附势增大,吸附空间减少。甲烷分子主要以菲克型扩散方式在煤岩中传质,由于分子平均自由程受温压控制,扩散系数随压力增大而减小,随温度升高而增大。气体分子吸附活化能本质为分子动能的体现,不受体系压力影响,但受体系温度影响,温度越高,吸附活化能越大。

超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验

查明超临界状态下煤岩对CO2的吸附/解吸特征,能为煤层气开采现场注CO2的注入参数选取提供理论依据。以山西屯留矿的瘦煤和寺河矿的无烟煤为研究对象,借助ISO-300型等温吸附实验仪分别进行了不同温度(35℃、45℃、55℃)、最高压力达到CO2临界压力以上时的吸附/解吸实验。结果表明:超临界状态下,随着压力升高,容量法测得的吸附量存在最大值,不代表煤样的绝对吸附量,而是Gibbs吸附量;根据煤岩在高压下吸附CO2的本质,计算出超临界状态下煤岩吸附/解吸CO2的真实量。超临界状态下煤岩吸附CO2的真实量与压力之间符合langmuir吸附曲线,随着吸附压力的升高,Gibbs吸附量与绝对吸附量之间的差值越来越大;随着温度的升高,煤样的饱和吸附量降低;同样条件下,高变质程度的无烟煤对CO2的饱和吸附量大于瘦煤;超临界状态下煤样对CO2的绝对吸附等温线和绝对解吸等温线是可逆的。

气源岩吸附试验的机理及吸附特征新认识

吸附常数是煤矿瓦斯防治、煤层气抽采、页岩气开发等工程必备的基础指标。然而,大量吸附试验却得出了两类特征迥异的吸附等温线:Langmuir型和"峰值型",普遍采用Langmuir模型拟合这些非Langmuir型等温线,不但得出了错误的吸附常数,而且带来了极大的生产安全风险。鉴于此,本文经过吸附试验机理推导、等温吸附试验、等温线校正和误差分析,得出:①等温吸附试验只能测出由Gibbs吸附量组成的"峰值型"等温线,出现峰值拐点的本质原因是等温吸附原理中减掉了Gibbs舍弃量ρv^a,并非负吸附、超临界吸附等原因造成的。②Gibbs吸附等温线出现峰值拐点的临界压力是由Gibbs舍弃量ρv^a决定的,其中,煤体结构决定了吸附相体积v^a的大小,试验温压条件决定了游离相密度ρ的大小。③煤和页岩吸附属于物理吸附,其实际吸附量等温线在达到饱和吸附压力后必然形成Langmuir型等温线。截距法根据Gibbs等温线的下降特征反推吸附相密度所得出的实际吸附量等温线完全符合饱和吸附的物理特征,是合理可靠的;液相法采用液相密度代替吸附相密度,不仅缺乏理论依据而且误差较大;Langmuir模型法运用LM算法拟合吸附相密度,需要人为设定各未知参数的初始值和边界值,存在较大的人为误差。④不能将实验室测试出的吸附等温线直接应用于吸附常数计算、非常规气资源量预测等,原因是体积法常因试验压力较低引起未饱和吸附、忽视Gibbs舍弃量等误差,而重量法在高压条件下测得的"峰值型"吸附等温线必须校正后才能使用。