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煤层气解吸研究的现状及发展趋势

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煤层气 解吸 研究 现状 发展趋势
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煤层气解吸研究的现状及发展趋势范章群(煤炭科学研究总院西安研究院 , 陕西   710054)摘 要 : 本文基于对国内外在解吸研究方面的代表性学术论著的研究 , 从煤层气解吸的研究意义、煤层气解吸微观和宏观过程、解吸模型以及煤层气解吸研究的发展历程等方面 , 论述了解吸研究的现状 , 并通过对前人研究的分析总结 , 提出了在解吸研究方面还存在的问题并指出需要改进的地方和未来煤层气解吸研究的发展方向。关键词 : 煤层气  解吸  现状  模型  发展趋势i′ 10054) In on on on at to of of BM of as as By to be in BM BM in 引言我国对于地面煤层气开发研究工作始于 20 世纪 80 年代 , 在 80 年代后期开始 , 引进美国的现代煤层气开发技术 , 进行地面煤层气勘探开发试验 ,但至今历时已近 20 年仍没有达到产业化发展的程度 ; 1990 年煤层气产量达 55 亿 外 , 我国从20 世纪 50 年代就开始了煤矿井下瓦斯抽采工作 ,但煤矿瓦斯抽采效果不好 , 主要表现抽采总量低、抽采浓度低、瓦斯利用程度低。学术界普遍认为 ,造成我国煤层气开发难以产业化和煤矿井下瓦斯抽采效果不好的原因除了我国独特的复杂地质条件外 , 其最主要原因在于我们对煤层气的运移和解吸的一些规律认识不足。2  煤层气解吸含义及数学模型211  煤层气解吸的含义解吸是一个动态过程 , 它包括微观和宏观上的两种意义。在原始状态下 , 煤基质表面上或微孔隙中的吸附态煤层气与裂隙系统中的煤层气处于动态平衡 , 当外界压力改变时 , 这一平衡被打破 , 当外界压力低于煤层气的临界解吸压力时 , 吸附态煤层作者简介  范章群 , 女 , 1981 年生 , 硕士研究生 , 助理工程师 , 研究方向煤层气地质与勘探开发。第 5 卷 第 4 期                       中国煤层气                         11 月                                         1994 ———即微观解吸 ; 而后在浓度差的作用下 , 已经脱附了的气体分子经基质向裂隙中扩散 ———即宏观解吸 ; 最后在压力差的作用下 , 扩散至裂隙中的自由态气体 , 继续作渗流运动。这三个过程是个的有机的统一体 , 相互促进 , 相互制约。212  解吸模型煤层气气体分子从小孔隙扩散至大孔隙或裂隙系统中遵循扩散定理 , 根据诺森数 孔隙直径与分子平均自由程的比值 \[1 \]将气体在煤层中的扩散方式分为 : 菲克型扩散、诺森型扩散和混合型扩散以及气体分子在煤体表面的表面扩散和晶体扩散模型等 , 而本文所研究的宏观扩散属于菲克型扩散 ,遵循菲克扩散定律。为了能够很好地模拟煤层气解吸 —扩散 —渗流这一运移过程 , 自 20 世纪 60 代以来 , 人们提出了很多的模拟模型 , 大致可划分为以下三大类 : 经验模型 ; 平衡吸附模型和非平衡吸附模型。研究表明 , 前两种模型都不能很好地描述煤储层的特征和煤层气的解吸过程 , 而非平衡吸附模型是目前最适应于煤储层特征和吸附解吸特性的数学模型 , 其假设的前提条件是 : 煤储层为基质微孔隙 —裂隙双重介质 , 微孔隙为气体的储集空间 , 而裂隙系统为气体的运移通道 ; 煤层气的解吸为微孔隙中吸附态气体的脱附、以及由微孔隙向裂隙边界扩散的过程。基于 一定律和 二定律 , 此模型又划分为拟稳态的非平衡吸附模型和非稳态的非平衡吸附模型。3  煤层气解吸研究的国内外现状311  国外煤层气解吸的研究现状1951 年 ,英国剑桥大学巴雷尔 ( \[2 \]使用天然沸石作吸附剂 , 研究煤层甲烷在固体中的吸附解吸规律 , 研究认为吸附和解吸是可逆过程。气体的累计吸附量或解吸量与时间的平方根成正比 , 其表达式如下 : =2 1 - 1)式中   —— 从开始到时间 t 时的累计吸附或解吸气体量 , g ;Q ∞ ——— 极限吸附或解吸气体量 , g ;s ——— 单位重量样品的外表面积 , g ;V ———单位重量样品的体积 , g ;t ———吸附或解吸时间 , D ———扩散系数 , 从上式可以看出解吸率与时间的平方根成正比关系。塞文斯特 ( P. G. \[3 \]、萨特恩德拉和 菲 利 甫 ( 1\[4 \]通过大量研究计算结果得出 , 公式 (1- 1) 适合于区域吸附或解吸时间段 :0 ≤ t ≤ V π D , 当时间 t ≤ πD 时 , 随时间的增大 , 误差会越来越大。澳大利亚研究人员博特 \[5 \] (等人通过对不同变质程度的煤样的煤层气的解吸过程的试验测试 , 认为瓦斯气体在煤中的解吸过程和瓦斯在沸石中的扩散过程非常相似 , 其解吸气体量与时间之间存在如下的关系式 : Q ∞ (1 - λ t) (1 - 2)式中   A 、 λ ———经验常数 ;德国工学博士文特和雅那斯 ( \[6 \]研究发现 , 从吸附平衡中解吸出来的气体量取决于煤的瓦斯含量、吸附平衡压力、时间、温度和煤样的粒度等因素 , 解吸气体量随时间的变化关系可表示为 : 1 - 3)式中   —— t = 1 时的瓦斯解吸速度 , g ;—— 瓦斯解吸速度特征变化指数从上式可以看出 , 第一分钟的气体解吸速度非常大 , 用第一分钟的解吸速度来表述煤层气的解吸量 , 但是随着时间的延长 , 气体的解吸量会越来越少 , 这时用上式来计算煤层气的气体解吸量的误差会越来越大。1970 年 , 法国 首次进行井下水平孔获取钻屑测试含气量 , 测定兰格缪尔常数 a 和 得出煤层气解吸早期其解吸量与时间的平方根成正比 \[7 \]。但这里“早期”只是个模糊概念 , 没有给出具体时间。这一结论是损失气计算的基础。1973 年 , 美国矿业局在对前者进行变通、简化的基础上提出了美国矿业局法 ———直接法 \[8 \], 美国矿业局通过试验进一步得出解吸量在前 10 个小时与时间平方根成正比 (这比法国贝尔纳的研究更进了7第 4 期                煤层气解吸研究的现状及发展趋势© 1994 ) , 现今损失气的估算就是据此进行估算的。用于解释损失气含量和煤的扩散性能的公式如下 :Δ (20311 r2 t) - 1 - 4)式中   Δ ——试验测定的解吸气量 , t ;—— 煤样中初始的气含量 , 不包括残余气量 , t ;——损失气量 , t ;从式 1 - 4 中不难看出解吸气体量与时间的平方根成正比关系。这验证了前面直接法进行损失气估算所提出的模型。依据这一公式还可以计算出扩散系数。美国新墨西哥大学的 9 \]\[10 \]针对美国矿业局法 (存在的技术缺陷 , 提出了一种用于计算泥浆介质中的瓦斯气体的解吸规律计算公式 , 并建立了 吸法。 吸法是用类似于 吸法的步骤解吸钻孔煤屑的瓦斯含量。 义的地面时间比率和损失时间比率公式如下 : (岩芯密封时间 - 岩芯到达地面时间 ) / (岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间 ) (岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间 ) /(岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间 )式中  钻遇煤层时间 ——— 由钻揭煤层气到解吸气的 25 %解吸出来的时间。史密斯 —威廉姆斯法适用于低含气量、微量样品的测试。司的 11 \]等人针对 和 推算瓦斯损失量存在的缺陷 , 提出利用曲线拟合法 (利用地面解吸罐中气体全部解吸的测定来拟合取样过程中 , 损失瓦斯气体量 ) 。曲线拟合法推算取芯过程中瓦斯损失量的理论依据是 : ①煤中瓦斯解吸过程可用扩散方程来描述 ; ②取芯过程中提钻时 , 煤中瓦斯开始解吸 ; ③提钻过程中 , 泥浆作用在煤心上的压力呈线性递减 ; ④瓦斯损失量及其解吸速率可以用空气介质中的瓦斯全部解吸数据点来拟合。其计算公式为 : t) = 1 - 6π 2 e - π2 (1 - 8)式中   t) ——— 时间 t 时的累计瓦斯解吸量 ,g ;—— 时间 t 时的累计解吸量和损失量之和 , g ;——损失量 , g ;11 \]等人通过解吸试验数据对 和曲线拟合法所获得的瓦斯损失量的数据进行了对比分析 , 发现曲线拟合法更接近实际。当钻孔深度较大时 , 随孔深的增加 ,损失量的估算误差会越来越大 , 用这三种方法估算瓦斯损失量都会低估煤层瓦斯含量。 于 1991 年对美国直接法进行了改进 , 指出煤层气是一种混合气体 , 在煤层气解吸作用过程中 , 解吸出来的气体还可以与煤发生反应而重新吸附以及不同气体间存在相互作用等。1993 年 , 人指出解吸量与时间的平方根不是简单的线性关系 , 引入扩散理论后 , 提出了如下方程 \[12 \]: t) = [1 - t) - - 9)式中   ——解吸量 , g ;——损失气和解吸气量之和 , g ;——损失气量 , g ;D/ ——扩散速度 , s ,D ———扩散系数 , s ;r ———特征扩散距离 (煤粒的半径 ) , 12  国内煤层气解吸研究现状1977 年 , 抚顺研究所在美国矿业局法的基础上 , 进一步研究煤层气的解吸试验 , 制定了编号为煤炭工业部标准《煤层瓦斯含量和成份测定方法 (解吸法 )》。根据这一方法抚顺研究所将煤层瓦斯含量分为损失气、解吸气、粉碎前脱气和粉碎后脱气。1983 年 , 煤炭科学研究总院重庆分院用实验法研究了煤层气的解吸特性 \[13 \], 即解吸量、解吸率、解吸速率以及煤样粒度对解吸速率的影响 , 试验发现 , 在卸压后的某一时刻 , 累计解吸量与时间成幂函数关系 : a , i 是与煤层气含量和煤体结构相关的常8 中 国 煤 层 气                       第 4 期© 1994 ,该式适合于煤样粒度在 012~ 0125煤样颗粒在 卸压后 015~ 1 小时内的甲烷解吸量。实验还发现 ,同一煤样在不同压力下的解吸率是相同的。损失气量估算是气含量的计算误差的主要来源 , 多年来 , 损失气的估算问题一直是许多学者的研究的焦点 , 国外提出的用于损失气量的估算方法主要有三种 : 直接法、 和阿莫科法 , 目前普遍采用的也是被认为较准确的计算方法就是直接法。国内也进行了损失气量计算的相关研究 : 1994 年 , 范长生 , 杨民仓 \[14 \]在探讨利用解吸法计算瓦斯损失量时 , 详细地分析了煤芯瓦斯解吸机理 , 并给出了煤芯瓦斯开始解吸的“零时间”的计算公式。 2002 年 , 为了更准确地测定损失气量和气含量 , 周胜国设计了模拟试验装置 , 通过模拟煤层气全过程的解吸规律 , 研究变压条件下煤层气的解吸规律 \[15 \], 并对比分析了各种计算损失量的计算方法。随着煤层气勘探开发的大力开展和我国相关能源政策的实施 , 近几年来 , 特别是 2000 年以来 ,在煤层气解吸方面所作的研究更加深入 , 在煤层气解吸规律 , 煤层气的解吸机理、影响解吸的的因素、解吸的作用过程以及描述解吸的物理和数学模型等方面已经作了大量的研究工作 , 这为后人研究煤层气解吸提供了更深厚的基础。研究煤层气的解吸机理 , 能够更直观地来理解煤层气的解吸过程 ,2003 年 , 张群 \[16 \]已对煤层气的解吸机理作了较为详细的论述 , 即依据储层压力和临界解吸压力大小关系 , 根据兰缪尔等吸附曲线来分析煤层气解吸的不同阶段。同年 , 李前贵等 \[17 \]对煤层气解吸 —扩散 —渗流过程的影响因素进行了研究 , 指出影响解吸、扩散的的因素主要有温度、压力、基块尺寸、煤岩孔隙分布以及水分含量等。 2004 年 , 煤炭科学研究总西安分院依据前人的成果对煤层气含量测试进一步改进 , 再次制定了编号为 2004 煤 层 气 测 试 标 准《煤 层 气 含 量 测 定 方法》———自然解吸法 , 在解吸和残余气测定的过程中 , 样品罐总是置于恒温水浴 (温度设为储层温度 ) 中 , 则这一解吸过程中 , 保证了储层温度条件。有了这一自然解吸法的标准 , 并根据前人在影响煤层气解吸因素方面所作的研究 , 2004 年 , 李小彦 , 司胜利 \[18 \]通过对大量煤层气勘探井试验测试 , 和对我国各时代不同煤级煤在储层温度条件下进行气体解吸试验的研究 , 指出自然解吸过程与时间和气体的分压有关 , 气体解吸随时间推移压力降低 , 解吸量与时间、压力之间呈非线性变化 ; 同年 , 霍永钟 \[19 \]基于解吸 ———扩散 ———渗流的相互联系 , 研究了不同基质孔隙结构煤的解吸规律 , 研究指出 , 微孔和小孔的分布是影响煤储层气体解吸阶段性、解吸效率和解吸量的重要因素 , 煤级和显微组分组成通过影响微孔与小孔的分布 , 进而影响气体的解吸特征。为了更好更直观地来描述解吸过程 , 张冬丽、王新海 \[20 \]通过建立解吸的数学模型来研究煤层气的解吸机理 , 详细探讨了在降低储层压力过程中(降至临界解吸压力以上 , 临界解吸压力以下 ) 气体的解吸方程。解吸是吸附的逆过程 , 吸附等温线和解吸等温线应该是完全吻合的 , 很长一段时间 , 人们都是利用吸附等温线来描述解吸过程 , 但是 , 张遂安 , 叶建平等 \[21 \]在 2005 年进行煤层气吸附 ———解吸可逆性研究时明确指出 , 吸附与解吸从作用过程 , 作用时间作用类型和作用条件方面存在很大差异 , 相对吸附来说 , 解吸存在某种程度的滞后现象 , 这一现象取决于吸附剂和吸附质的物理特性 , 所以建立解吸等温线来描述解吸过程更为符合实际。2005 年 , 徐成法等 \[22 \]在进行煤芯样品全过程解吸模拟试验研究时发现 , 煤样全过程的解吸特征曲线呈不对称的“ S”型 , 再次修正了煤样在解吸初期 , 煤层气的解吸量与时间的平方根成线性关系的传统观念。以上前人在解吸方面所作的大量研究工作为以后的解吸研究奠定了坚实的基础 , 但是其工作的基础大多是基于地勘解吸法 (或美国直接法 ) 或自然解吸法而获取的实验结论 , 模拟了储层的温度 , 但是脱离了储层压力这一重要条件 , 要更准确地反映储层条件下的煤层气的解吸规律 , 除了考虑温度还要考虑压力条件 , 而储层温度和压力条件下 , 煤层气 (瓦斯 ) 的解吸规律和变化特征如何 , 需要进行进一步的试验研究 , 从而更好地为煤层气的开发和煤矿的瓦斯治理提供更准确的理论依据。4  煤层气解吸研究存在的问题及发展趋势从解吸研究现状来看 , 国内外在解吸研究方面存在的问题大致归纳为以下几个方面 :9第 4 期                煤层气解吸研究的现状及发展趋势© 1994 (a) 损失气的估算误差问题 : 损失气量的估算是利用钻孔取芯过程中获取的相关参数 , 通过地面恒温常压下吸罐中的煤层气的解吸规律来推算提钻过程中的损失气量 , 这一估算存在一定的误差 , 随着钻孔深度的增加 , 误差在不断增大。(b) 试验条件 : 大多数的研究成果或研究结论都是利用地勘解吸法或自然解吸法试验来获取的 ,这两种试验方法都是建立在恒温常压下进行的 , 脱离了储层压力条件。(c) 描述解吸的数学模型 : 描述煤层气的解吸的数学模型其假设条件之一是 , 边界条件恒定 , 而在实际解吸过程中 , 煤基质的外边界条件是在不断变化的。(d) 临界解吸压力的获取问题 : 一直以来 , 人们都是利用吸附等温线来推算临界解吸压力 , 而研究表明 , 利用这种方法 , 其结果普遍偏低。基于以上几方面的问题 , 煤层气解吸研究的发展趋势归纳为以下几个方向 :①研究储层条件下 (储层温度和压力 ) 的煤层气的解吸规律 , 减少损失量的估算误差 ;②研究储层条件下 , 描述煤层气解吸过程的数学模型 ;③精确获取临界解吸压力值 , 对比分析不同煤级煤的解吸差异。参  考  文  献\[1 \]   聂百胜 , 何学秋 , 王恩元 1 瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式 \[ I\]1 中国安全科学学报 . 2000 , 12 :10 (6) 1\[2 \]   in 2 f 19511\[3 \]   19591\[4 \]   1 at 19751\[5 \]   8 , 19591\[6 \]   of 7 \]   1 1970 :“ , , 3 - 651\[8 \]   1 , 1 1 1973 :“ , 1 767 , 179 \]   1 A of 19811\[10 \]   1 3 , 19841\[11 \]   1 3025 , 19911\[12 \]   , of 1993 : 203 - 2181\[13 \]   煤炭科学院重庆研究所 1 煤样解吸瓦斯泄出的研究及突出煤层煤样瓦斯解吸的特点 \[ A \]1 煤炭工业部煤炭科学研究院重庆研究所 1 煤与瓦斯突出机理和预测预报第三次科研工作及学术交流会议论文选集 \[ C\]1 重庆 : 煤炭工业部煤炭科学研究院重庆研究所 , 19831\[14 \]   范长生 , 杨民仓 1 解吸法计算瓦斯损失量方法探讨\[ I\]1 中州煤炭 , 1994 , 41\[15 \]   周胜国 1 煤层含气量模拟试验方法及应用 \[ I\]1 煤田地质与勘探 1 , 2002 , 30 (5) 1\[16 \]   张群 1 煤层气储层数值模拟模型及应用的研究 \[ I\]1 煤炭科学研究总院博士学位论文 120021\[17 \]   李前贵 , 康毅立 , 罗平亚 1 煤层甲烷解吸 —扩散 —渗流过程的影响因素分析 \[ I\]1 煤田地质与勘探 ,2003 , 31 (4) 1\[18 \]   李小彦 , 司胜利 1 我国煤储层煤层气的解吸特征\[ I\]1 煤田地质与勘探 , 2004 , 32 (3) 1\[19 \]   霍永忠 1 煤储层的气体解吸特性研究 \[ I\]1 天然气工业 , 20041\[20 \]   张冬丽 , 王新海 1 煤层气解吸机理数值模拟研究\[ I\]1 天然气工业 , 2005 , 25 (1) 1\[21 \]   张遂安 , 叶建平 , 唐书恒 1 煤对甲烷气体吸附 —解吸机理的可逆性实验研究 \[ I \]1 天然气工业 ,20051\[22 \]   徐成法 , 周胜国 , 郭淑敏 1 煤层气含量测定方法探讨 \[ I\]1 河南理工大学学报 , 2005 , 24 (2) 1(责任编辑  桑逢云 )01 中 国 煤 层 气                       第 4 期© 1994
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