1. 引言
彬长与淮南正常产气的煤层气井,井底温度监测发现一些特征变化;同时,排采分析发现,排水与产气对煤储层渗透系数、压降半径、含气量等参数的反演显示出不确定性。分析认为,降压解吸热使煤储层局部温度降低,不规则压裂缝中流体导热差异,导致井底温度变化。进行排水与产气耦合分析,必须考虑煤储层温度降低对解吸作用的抑制,即温度对吸附量的影响–等压吸附特征。
对吸附等压特征的研究,《物理化学》 [1] 简单图示为二次函数;辜敏、鲜学福 [2] 2006年进行过煤的变压吸附实验研究,吴家全、周理 [3] 2006年对活性炭储存甲烷进行过研究,钟玲文、郑玉柱 [4] 等2002年对温度与压力综合影响煤储层含气量进行预测,秦玉金、罗海珠 [5] 2011年对地温梯度影响的深部煤储层含气量进行预测,唐书恒、韩德馨 [6] 2002年进行多元气体吸附实验,傅雪海、李升 [7] 2014年对排采中水的动态监测研究,但对温度对含气量的影响研究不多。由于等压变温实验条件较难控制,故本文设计不同温度点等温吸附实验,对所得实验结果分别在不同压力点的同一压力线上,取不同温度点的吸附量,从而进行等压吸附实验研究。
2. 研究思路
1) 实验样品涵盖不同变质程度的煤种。取彬长大佛寺4#长焰煤(CY)、佳县上高寨11#焦煤(JM)、寺河3#无烟煤(WY3)为代表;
2) 进行
25 ℃、
30 ℃、
35 ℃、
40 ℃、
45 ℃五
个温度点的吸附解吸实验,绘制等温吸附/解吸线,进行实验数据拟合获取数学式 [8] ;
3) 在不同压力点垂交横轴上,计算各压力点位置的吸附量,绘制温度–吸附量关系曲线;
4) 对温度–吸附量曲线进行不同函数拟合,取拟合度高的数学式表征温度–吸附量关系。
3. 等温吸附解吸实验与结果
3.1. 样品加工与实验仪器
煤样采自彬长矿区大佛寺煤矿4#煤40112采煤工作面、上高寨11#煤钻孔和晋城寺河煤矿3#煤东盘区。采集后包装运回实验室,除矸、破碎、筛分将原煤制成60~80目(0.25~0.18 mm)的空干基煤样。参照ASTM (American Society for Testing Material)标准制成平衡水煤样。
在 25 ℃
,
30 ℃
,
35 ℃
,
40 ℃
,45℃(分析计算换算为绝对温度,K)五个实验温度点,按照国家标准《煤的高压容量法等温吸附实验方法》,使用AST-2000型大样量煤层气吸附/解吸仿真实验仪进行实验,实验仪器及原理图见图1,图2。
3.2. 实验样品表征
1) 物质组成:工业分析(表1)挥发分含量与煤岩分析(表2) Ro值表明,实验样品初步代表了低–中–高煤变质序列。
2) 孔隙结构
利用扫描电镜以及美国贝克曼库尔特公司生产的ASAP2020比表面和孔径分析仪对三个样品进行孔隙结构分析,结果见表3与图3。
3.3. 实验结果
进行空气干燥基样与平衡水分样品的等温吸附/解吸实验,结果如图4~9。
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x9_hanspub.png)
Figure 1. Experimental instrument diagram
图1. 实验仪器图
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. The proximate analysis of experimental samples
表1. 实验样品工业分析结果
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Coal petrography analysis of experimental samples
表2. 实验样品煤岩组分分析结果
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. The pore structure analysis of experimental samples
表3. 实验样品孔隙结构分析结果
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x11_hanspub.png)
Figure 3. The analysis results of pore structure and specific surface area of experimental samples
图3. 实验样品孔隙结构与比表面积测试分析结果
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x12_hanspub.png)
Figure 4. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of CY
图4. CY空干基煤样等温吸附/解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x13_hanspub.png)
Figure 5. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of CY
图5. CY平衡水煤样等温吸附/解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x14_hanspub.png)
Figure 6. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of JM
图6. JM空干基煤样等温吸附/解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x15_hanspub.png)
Figure 7. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of JM
图7. JM平衡水煤样等温吸附/解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x16_hanspub.png)
Figure 8. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of WY3
图8. WY3空干基煤样等温吸附/解吸曲线
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Figure 9. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of WY3
图9. WY3平衡水煤样等温吸附/解吸曲线
3.4. 实验结果数据拟合
煤层气的等温吸附运用Langmuir方程 [9] [10] [11] (1)式,煤层气的等温解吸运用解吸式(2)表征拟合度高 [12] 。数据拟合结果见表4。
(1)
式中:Vads——压力为p时的煤层气吸附量,ml/g;a——煤样最大吸附量,ml/g;b——吸附、解吸速度与吸附热的综合参数。
(2)
式中:Vdes——煤层气解吸到p压力时煤层气的吸附量,ml/g;a——煤样最大吸附量,ml/g;b——吸附、解吸速度与吸附热的综合参数;c——煤层气解吸到匮乏压力时的残余吸附量,ml/g。
4. 等压吸附/解吸特征
利用数学拟合式,计算升压(吸附)与降压(解吸)过程0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点的吸附量,绘制温度–吸附量曲线,即等压吸附线。
4.1. 升压(吸附)过程各压力点的吸附特征
1) 在0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点作垂线,与等温吸附线相交,计算升压吸附过程的吸附量。计算结果见图10,图11,图12;
2) 对每个压力点下五个温度的吸附量进行多数学式关系拟合,发现温度–吸附量线性相关,均满足Q = aT + b的一元函数关系(Q为吸附量,T为绝对温度)。九个压力点下的温度–吸附量线性拟合结果见表5。拟合度R2最低为0.67;
3) 煤层气升压(吸附)过程,平衡水样温度–吸附量线性拟合度绝大多数大于0.99,个别低压点大于0.93;干燥基样温度–吸附量线性拟合度多数大于0.85,低压时线性拟合度最小0.67,同时拟合度稍低的情况仅出现在高煤阶、空干基的低压点处。
4.2. 降压(解吸)过程各压力点的吸附特征
1) 同4.1,在0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点作垂线,与等温解吸线相交,计算降压解吸过程的吸附量。计算结果见图13,图14,图15;
2) 对每个压力点下5个温度的吸附量进行多数学式关系拟合,发现温度–吸附量线性相关,均满足Q = aT + b的一元函数关系(Q为吸附量,T为绝对温度)。9个压力点下的温度–吸附量线性拟合结果见表6。拟合度R2最低为0.69;
3) 煤层气降压(解吸)过程,平衡水样温度–吸附量线性拟合度绝大多数大于0.99;干燥基样较温度–吸附量线性拟合度低。
4.3. 小结
1) 无论煤层气升压吸附过程或降压解吸过程,温度–吸附量显示高度的线性相关,即等压吸附线为直线;
2) 煤层气吸附解吸平衡系统,平衡水样品等压吸附较空气干燥基样等压吸附关系显著得多。对比平
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Table 4. The fitting results of adsorption-desorption experiment
表4. 吸附解吸实验拟合结果
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Table 5. The fitting analysis data of air-dry basis and equilibrium water samples in booster process of adsorption
表5. 升压吸附过程空干基样和平衡水样的拟合分析数据
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Table 6. The fitting analysis data of air-dry basis and equilibrium water samples in booster process of desorption
表6. 降压解吸过程空干基样和平衡水样的拟合分析数据
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Figure 10. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of CY at different pressures
图10. 不同压力点CY空干基样与平衡水样等压吸附曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x21_hanspub.png)
Figure 11. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of JM at different pressures
图11. 不同压力点JM空干基样与平衡水样等压吸附曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x22_hanspub.png)
Figure 12. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of WY3 at different pressures
图12. 不同压力点WY3空干基样与平衡水样等压吸附曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x23_hanspub.png)
Figure 13. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of CY at different pressures
图13. 不同压力点CY空干基样与平衡水样等压解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x24_hanspub.png)
Figure 14. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of JM at different pressures
图14. 不同压力点JM空干基样与平衡水样等压解吸曲线
![](//html.hanspub.org/file/3-1770553x25_hanspub.png)
Figure 15. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of WY3 at different pressures
图15. 不同压力点WY3空干基样与平衡水样等压解吸曲线
衡水分含量分析结果与孔隙结构、比表面积分析结果,认为是CH4—H2O在煤孔隙内表面作用方式造成的,润湿性研究应受到重视。
5. 结论与建议
1) 尝试了气–固界面吸附解吸中温度与吸附量关系的研究的合理实验方法;煤层气等压吸附/解吸中,温度–吸附量显示高度的线性相关,即煤储层含气量变化与地温梯度成比例关系;
2) 煤层气排采分析中,等压面上,原始储层温度与井底监测温度之差可以确定含气量变化,是煤层气排采井产水与产气耦合的关键,也是确定关键参数–解吸半径的有效方法;
3) 空干基煤样等压吸附量大于平衡水煤样等压吸附量,煤的润湿性与H2O-CH4-煤界面关系研究、煤层气井底温度监测应受到重视。