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注入二氧化碳及氮气驱替煤层气机理的实验研究

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注入 二氧化碳 氮气 煤层气 机理 实验 研究
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2 卷   第 4 期2001 年 7 月      太 原 理 工 大 学 学 报 F N R S O F T Y  V o l. 32 N o. 4001文 章 编 号 : 100729432 (2001) 0420335204注 入 二 氧 化 碳 及 氮 气 驱 替 煤 层 气机 理 的 实 验 研 究马 志 宏 , 郭 勇 义 , 吴 世 跃(太 原 理 工 大 学 矿 业 工 程 学 院 )摘   要 : 论 述 了 我 国 开 采 煤 层 气 目 前 存 在 的 问 题 , 并 且 通 过 煤 对 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()、氮 气 (N 2) 吸 附 机 理 的 分 析 , 提 出 注 入 二 氧 化 碳 () 或 氮 气 (N 2) 提 高 煤 层 气 采 收 率 技 术 的 可 行 性 。并 从 其 注 气 驱 替 煤 层 气 的 作 用 机 理 的 不 同 , 从 理 论 上 和 实 验 中 得 出 注 入 二 氧 化 碳 () 的 效 果 要优 于 氮 气 (N 2)。关 键 词 : 煤 层 气 ; 吸 附 ; 机 理中 图 分 类 号 : 12+ 167      文 献 标 识 码 : 钻 孔 开 采 煤 层 气 美 国 从 20 世 纪 80 年 代 开始 , 我 国 于 90 年 代 初 刚 刚 起 步 , 目 前 还 处 于 试 验 阶段 。 我 国 开 采 煤 层 气 单 产 量 低 , 经 济 效 益 差 的 主 要 原因 是 我 国 煤 层 气 田 的 渗 透 性 差 。 目 前 国 内 试 验 激 励煤 层 的 主 要 措 施 是 石 油 天 然 气 开 采 中 使 用 的 液 压 压裂 法 , 但 由 于 中 国 和 美 国 煤 层 气 储 存 条 件 的 差 异 及储 油 气 的 砂 岩 或 石 灰 岩 层 与 储 煤 层 气 的 煤 层 性 质 具有 本 质 差 别 , 因 而 在 我 国 试 验 效 果 并 不 理 想 。 而 注 气驱 替 煤 层 气 被 认 为 是 一 种 具 有 发 展 前 途 的 新 措 施 ,但 对 于 注 气 开 采 机 理 上 的 具 体 探 讨 目 前 国 内 还 缺 乏深 刻 的 研 究 。 本 文 主 要 是 通 过 分 析 煤 层 对 已 经 大 量存 在 的 甲 烷 气 体 () 的 吸 附 , 然 后 从 吸 附 机 理 上对 比 煤 层 对 甲 烷 ()、 二 氧 化 碳 ()、 氮 气 (N 2)吸 附 的 不 同 之 处 , 同 时 比 较 混 合 气 体 吸 附 与 单 组 分气 体 吸 附 的 差 异 , 为 研 究 注 气 开 采 煤 层 气 机 理 过 程提 供 一 些 理 论 基 础 [1 ]。1  煤 层 对 甲 烷 ()的 吸 附煤 是 一 种 含 有 发 育 的 孔 、 裂 隙 的 固 体 介 质 。 瓦 斯气 体 在 煤 孔 隙 表 面 的 吸 附 是 物 理 吸 附 , 其 本 质 是 煤孔 隙 表 面 的 分 子 与 瓦 斯 气 体 分 子 间 相 互 吸 引 的 结果 。 煤 分 子 和 瓦 斯 气 体 分 子 之 间 的 作 用 力 是 由 德 拜诱 导 力 和 L 散 力 组 成 的 范 德 华 力 。 瓦 斯 在煤 体 中 的 运 移 一 般 被 认 为 是 线 性 流 动 、 分 子 滑 流 、 吸附 相 瓦 斯 的 表 面 流 动 及 其 在 固 体 中 扩 散 的 综 合 效应 。 一 般 认 为 , 煤 层 瓦 斯 是 由 游 离 瓦 斯 和 吸 附 瓦 斯 组成 , 其 中 吸 附 瓦 斯 体 积 分 数 占 80%~ 90% , 游 离 瓦斯 体 积 分 数 占 据 10%~ 20% [4 ]。2  煤 层 对 不 同 纯 气 体 的 吸 附 比 较许 多 人 对 于 煤 层 吸 附 甲 烷 、 二 氧 化 碳 ()、 氮气 (N 2) 的 吸 附 能 力 只 是 从 实 验 中 得 出 的 吸 附 等 温线 来 形 象 对 比 , 而 很 少 有 人 具 体 的 分 析 对 比 煤 对 这三 种 气 体 的 吸 附 机 理 , 从 理 论 上 解 释 为 何 煤 对 它 们的 吸 附 能 力 不 同 。 下 面 我 们 将 由 浅 入 深 得 探 讨 这 个问 题 。不 同 气 体 组 分 的 吸 附 能 力 不 同 , 主 要 是 由 于 气体 分 子 和 煤 之 间 作 用 力 的 不 同 引 起 的 。 这 种 作 用 力与 一 个 大 气 压 下 各 种 吸 附 质 的 沸 点 有 关 , 沸 点 高 , 则吸 附 能 力 强 (表 1) , 由 此 对 于 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷()、 氮 气 (N 2)来 说 , 其 吸 附 能 力 依 次 降 低 。 但 从深 层 角 度 来 分 析 , 煤 分 子 和 瓦 斯 气 体 分 子 之 间 的 作用 力 是 由 德 拜 诱 导 力 和 L 散 力 组 成 , 由 此而 形 成 吸 引 势 , 即 吸 附 势 阱 深 度 由 于 吸 附 势 阱深 度 与 瓦 斯 气 体 分 子 的 极 化 率 和 电 离 势 有 关 , 而 且极 化 率 和 电 离 势 越 大 , 诱 导 力 和 色 散 力 越 大 , 势 阱 越深 。 对 于 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()、 氮 气 (N 2) 来说 , 它 们 的 极 化 率 和 电 离 势 依 次 降 低 , 吸 附 势 阱 也 依次 降 低 , 如 下 表 金 项 目 : 山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (202134)作 者 简 介 : 马 志 宏 , 男 , 1975 年 8 月 生 , 在 读 硕 士 , 研 究 方 向 : 安 全 技 术 , 太 原 , 030024收 稿 日 期 : 2000204204表 1  二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()和 氮 气 (N 2)的吸 附 能 力 与 一 些 物 理 化 学 参 数 的 关 系物 理 化 学 参 数 氮 气 (N 2) 甲 烷 () 二 氧 化 碳 ()沸 点 - 195. 81 - 161. 49 - 78. 48临 界 温 度 - 147. 0 - 82. 01 31. 04临 界 压 力p c M . 398 4. 6407 7. 386临 界 密 度m - 3) 314 426 466电 离 势I 3. 0 13. 79 15. 6有 效 直 径d . 374 0. 414 0. 456固 有 偶 极 矩L D 0 0吸 附 能 力 示 意 小                     大由 热 力 学 理 论 可 知 , 不 同 气 体 分 子 在 相 同 的 条件 (压 力 和 温 度 ) 下 热 运 动 剧 烈 程 度 不 同 , 气 体 分 子的 平 均 自 由 程 K= 2 R 式 中 : G— — 气 体 的 动 力 粘 度 ;t— — 温 度 ;R — — 瓦 斯 气 体 的 摩 尔 常 数 ;p — — 气 体 压 力 ;M — — 瓦 斯 气 体 的 分 子 量 。由 此 可 见 , 温 度 越 高 , 粘 度 越 大 , 气 体 分 子 的 无规 则 热 运 动 越 剧 烈 ; 压 力 越 低 , 气 体 分 子 量 M 越 小 ,气 体 分 子 的 无 规 则 热 运 动 越 剧 烈 。气 体 分 子 之 间 的 吸 引 力 是 微 不 足 道 的 , 构 成 气体 粘 度 的 主 要 因 素 是 气 体 作 无 规 则 (混 乱 ) 运 动 时 ,在 不 同 流 速 层 间 所 进 行 的 动 量 交 换 , 在 相 同 的 条 件下 , 对 于 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()、 氮 气 (N 2) 和氢 气 (H 2)来 说 , 其 粘 度 依 次 增 大 , 而 且 相 差 很 大 。 所以 对 于 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()、 氮 气 (N 2) 和 氢气 来 说 , 其 热 运 动 剧 烈 程 度 依 次 增 强 , 发 生 吸 附 的 可能 性 减 小 , 发 生 脱 附 的 可 能 性 依 次 增 强 , 其 扩 散 和 渗透 时 的 阻 力 依 次 增 大 。 从 上 式 看 出 , 随 着 温 度 、 粘 度的 下 降 , 压 力 的 升 高 , 气 体 分 子 量 的 增 加 , 气 体 分 子的 吸 附 能 力 增 加 。 综 合 上 式 , 煤 层 对 气 体 的 吸 附 除 与其 各 自 沸 点 有 关 外 , 还 与 吸 附 势 阱 、 气 体 分 子 的 热 运动 剧 烈 程 度 有 关 。 沸 点 越 高 , 吸 附 势 阱 越 深 , 气 体 分子 的 热 运 动 越 弱 , 煤 对 该 气 体 的 吸 附 性 越 强 ; 反 之 亦然 , 温 度 、 压 力 是 通 过 后 者 来 影 响 吸 附 的 。 对 于 二 氧化 碳 ()、 甲 烷 ()、 氮 气 (N 2) 来 说 , 其 吸 附 性依 次 减 弱 , 许 多 实 验 现 象 都 证 明 了 这 一 点 。3  注 入 二 氧 化 碳 或 氮 气 驱 替 煤 层 气 的作 用 机 理 与 实 验 研 究煤 层 是 一 种 典 型 的 二 重 介 质 , 煤 基 质 发 育 有 丰富 的 微 孔 隙 。 煤 层 在 煤 化 作 用 过 程 中 产 生 的 割 理 系统 形 成 了 一 种 近 似 正 交 的 裂 隙 网 络 。煤 基 质 的 微 孔 隙 除 对 甲 烷 具 有 极 强 的 吸 附 能力 , 煤 层 气 在 煤 层 中 的 赋 存 以 物 理 吸 附 的 形 式 吸 附在 煤 基 质 的 内 表 面 , 其 吸 附 量 与 煤 裂 隙 系 统 中 的 压力 成 非 线 性 关 系 , 符 合 L u 温 吸 附 定 理 。 裂隙 网 络 是 渗 流 的 主 要 通 道 , 一 般 认 为 , 煤 层 气 在 裂 隙中 的 流 动 服 从 线 性 达 西 定 律 , 如 图 1 所 示 。图 1  现 有 模 拟 甲 烷 在 煤 层 中 解 吸 、 扩 散 和达 西 流 的 流 动 模 型由 于 煤 对 氮 气 (N 2 ) 的 吸 附 能 力 比 其 对 甲 烷( ) 的 吸 附 能 力 弱 , 氮 气 (N 2 ) 是 不 能 与 甲 烷() 进 行 竞 争 吸 附 的 , 即 氮 气 (N 2) 不 能 从 煤 的 基质 孔 隙 中 把 甲 烷 ()“ 挤 ” 出 来 , 但 氮 气 (N 2) 注 入煤 层 后 , 在 等 压 条 件 下 通 过 降 低 甲 烷 () 的 有 效分 压 , 使 得 吸 附 甲 烷 () 的 平 衡 孔 隙 压 力 降 低 而解 析 出 来 。 但 置 入 二 氧 化 碳 ()后 , 可 同 时 起 到 竞争 吸 附 与 降 低 甲 烷 () 有 效 分 压 的 作 用 , 能 够 起到 更 好 的 置 换 效 果 [2 ]。本 文 对 西 山 矿 务 局 屯 兰 煤 矿 煤 样 在 等 容 与 等 压两 种 不 同 条 件 下 的 吸 附 容 器 内 分 别 将 二 氧 化 碳()和 氮 气 (N 2)注 入 , 进 行 驱 替 提 取 甲 烷 实 验 。 实验 条 件 如 下 表 2, 3, 各 测 定 时 间 所 对 应 的 吸 附 缸 内气 体 压 力 见 表 4、 5. 实 验 数 据 由 国 际 上 流 行 的 M 据 处 理 软 件 进 行 处 理 , 回 归 曲 线 如 图 2, 图   等 容 状 态 下 注 入 或 N 2 置 换 的 实 验 测 试 项 目吸 附 容 器 煤 粒 附 温 度 ℃ 注 入 甲 烷 后 吸 附平 衡 压 力 M 重 吸 附 缸 0. 15~ 0. 25 30 216470 50注 入 N 2 吸 附 缸 0. 15~ 0. 25 30 216480 50633 太 原 理 工 大 学 学 报                                     第 32 卷  表 3  等 压 状 态 下 注 入 或 N 2 置 换 的 实 验 测 试 项 目吸 附 容 器 煤 粒 附 温 度 ℃ 煤 重 吸 附 缸 0. 15~ 0. 25 18 150注 入 N 2 吸 附 缸 0. 15~ 0. 25 18 150表 4  等 容 状 态 下 注 入 后 各 测 定 时 间 吸 附 缸 压 力 值测 定 时 间 m 入 后 吸 附 缸 内 气 体 平 衡 压 力 M . 518 290 3. 294 8180 3. 253 6270 3. 225 2360 3. 194 8450 3. 151 7540 3. 119 3630 3. 087720 3. 042 0表 5  等 容 状 态 下 注 入 N 2 后 各 测 定 时 间 吸 附 缸 压 力 值测 定 时 间 m 入 N 2 后 吸 附 缸 内 气 体 平 衡 压 力 M . 704490 3. 702 4180 3. 676 0270 3. 667 2360 3. 649 5450 3. 638 7540 3. 627 0630 3. 609 3720 3. 596 6在 图 2 中 , 吸 附 甲 烷 () 平 衡 的 容 器 中 当 注入 二 氧 化 碳 () 后 , 游 离 甲 烷 () 浓 度 明 显 增加 , 而 注 入 氮 气 (N 2) 后 , 其 浓 度 几 乎 不 变 。 在 图 2中 , 注 入 二 氧 化 碳 () 和 氮 气 (N 2) 吸 附 容 器 中 游离 甲 烷 浓 度 都 呈 上 升 趋 势 , 但 在 注 入 二 氧 化 碳()吸 附 容 器 中 游 离 甲 烷 () 浓 度 变 化 幅 度 较大 。 对 图 2、 3 分 析 我 们 可 以 得 出 , 这 是 由 于 煤 对 二 氧化 碳 ()和 氮 气 (N 2)的 吸 附 能 力 和 吸 附 速 度 的 不同 , 它 们 各 自 置 换 提 取 甲 烷 () 的 机 理 也 不 同 而造 成 的 。 当 注 入 二 氧 化 碳 ()后 , 它 就 会 与 煤 基 质微 孔 隙 中 的 甲 烷 () 发 生 竞 争 吸 附 , 将 吸 附 在 煤体 中 的 甲 烷 () 置 换 出 来 。 而 氮 气 (N 2) 只 能 在 等压 状 态 下 通 过 降 低 游 离 甲 烷 () 分 压 , 影 响 其 吸附 等 温 线 , 导 致 吸 附 甲 烷 ()被 提 取 出 来 。 但 从 图上 可 知 , 两 种 条 件 下 , 注 入 二 氧 化 碳 () 提 高 甲 烷的 回 收 率 要 优 于 氮 气 (N 2)。 从 理 论 上 , 我 们 也 知 道 ,测 定 煤 的 比 表 面 积 的 常 用 方 法 是 氮 气 、 二 氧 化 碳 吸图 2  等 容 状 态 下 注 入 或 N 2 驱 替提 取 实 验 曲 线 比 较 图图 3  等 压 状 态 下 注 入 或 N 2 驱 替提 取 实 验 曲 线 比 较 图附 法 。 但 用 二 氧 化 碳 测 定 的 比 表 面 积 比 用 氮 气 的 要大 出 十 多 倍 [3 ], 其 主 要 原 因 是 二 氧 化 碳 () 有 较高 沸 点 和 临 界 温 度 , 它 能 很 快 进 入 到 微 孔 并 达 到 平衡 , 而 氮 气 (N 2) 则 主 要 进 入 大 孔 和 过 渡 孔 。 实 验 还证 明 , 在 低 压 下 , 煤 样 对 二 氧 化 碳 () 气 体 的 渗 透率 超 过 了 对 甲 烷 ()气 体 的 渗 透 率 , 对 甲 烷 ()气 体 的 渗 透 率 超 过 了 对 氮 气 (N 2)气 体 的 渗 透 率 。与 注 入 氮 气 (N 2) 相 比 , 二 氧 化 碳 () 具 有 许多 潜 在 的 优 点 。 自 然 高 压 的 二 氧 化 碳 () 与 必 须低 温 从 空 气 分 离 并 加 压 的 氮 气 (N 2) 相 比 自 然 是 一种 成 本 低 的 注 入 剂 , 而 且 二 氧 化 碳 () 的 穿 透 力比 氮 气 (N 2) 更 平 缓 , 并 能 保 证 在 地 层 中 更 高 百 分 率地 回 收 煤 层 气 。二 氧 化 碳 () 注 入 煤 层 中 能 提 高 煤 层 气 回 收率 , 理 论 上 可 达 本 煤 层 气 的 100%。 美 国 新 墨 西 哥 州圣 胡 安 煤 田 首 次 多 井 示 范 性 实 验 方 式 的 最 初 结 果 表明 , 二 氧 化 碳 ( ) 提 高 煤 层 气 回 收 率 (— —在 技 术 上 是 可 行 的 。4  结   论1) 根 据 我 国 目 前 开 采 煤 层 气 所 面 临 的 问 题 和技 术 上 、 理 论 上 的 证 明 , 将 二 氧 化 碳 ( )、 氮 气(N 2) 等 注 入 储 层 , 以 提 高 煤 层 气 的 抽 出 率 和 单 产量 , 是 一 种 具 有 发 展 前 途 的 新 措 施 。2) 通 过 煤 层 对 二 氧 化 碳 ()、 甲 烷 ()、 氮气 (N 2) 三 种 气 体 吸 附 机 理 的 分 析 , 得 出 煤 层 对 气 体的 吸 附 除 与 其 各 自 沸 点 有 关 外 , 还 与 吸 附 势 阱 、 气 体733  第 4 期                           马 志 宏 等 : 注 入 二 氧 化 碳 及 氮 气 驱 替 煤 层 气 机 理 的 实 验 研 究分 子 的 热 运 动 剧 烈 程 度 有 关 。3) 采 用 氮 气 (N 2) 和 二 氧 化 碳 () 提 高 煤 层气 回 收 率 的 机 理 是 完 全 不 同 的 。 通 过 对 其 机 理 的 分析 比 较 , 从 理 论 上 和 实 验 中 得 出 注 入 二 氧 化 碳()的 效 果 要 优 于 氮 气 (N 2)。参   考   文   献[ 1 ]  吴 世 跃 , 郭 勇 义 . 煤 层 气 运 移 特 征 的 研 究 [J ]. 煤 炭 学 报 , 1999 (1) : 65269.[ 2 ]  钱 凯 , 赵 庆 播 , 汪 泽 成 等 主 编 . 煤 层 甲 烷 气 勘 探 开 发 理 论 与 实 验 测 试 技 术 [M ]. 1997. 1252127.[ 3 ]  陈 昌 国 , 鲜 学 福 . 煤 结 构 的 研 究 及 其 发 展 [J ]. 煤 炭 转 化 , 1998 (2) : 1~ im en n a Zh i,W u Sh e ng U T )T he cu t m p s of lo m in ou r of in o r n to m m s to of m is po in ou t on rp m of to t m o r n A nd on th en ts au rs of in is of n on of t m of in t to m m m rp m 辑 : 张 爱 绒 )833 太 原 理 工 大 学 学 报                                     第 32 卷  
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