文摘
气体吸附发生在当地的吸附站点的动态吸附平衡条件被打破。在非常规天然气发电的整个过程,浓缩,存储,和生产,这种现象中起着重要作用。double-distribution格子玻尔兹曼模型求解运动耦合的广义的n - s方程和对流方程对气固动态吸附过程提出了多组分气体迁移的非常规储层。介绍了有效扩散系数模型的气体在多孔介质运输。朗缪尔吸附速率方程是用来控制气固吸附动力学过程的吸附/解吸。模型验证在两个步骤通过流体流动和气体diffusion-adsorption两平行板之间充满多孔介质,分别。仿真结果表明,与其他参数不变的情况下,气体扩散的速率在多孔材料和动态吸附equilibrium-associated区域的面积增加,基质孔隙度和渗透率。类似的结果将会发生更大的饱和吸附量或朗缪尔压力较低。几何对吸附的影响研究,发现更高的比表面积或自由流动区域可以提高气体运输和吸附的速率。
1。介绍
煤层气(CBM)是最重要的和潜在的能量被认为是替代石油和近年来取得了越来越多的关注(1]。不同与传统的天然气、煤层既是一种资源,煤层气储层和存储甲烷在纳米孔吸附的形式,导致煤层气开发的低恢复(2]。如今,理解气体储存和运输的机制在水库是至关重要的研究现状和实际应用。
煤是一种最复杂的固体,其物理性质随深度、水文地质、岩过程,等等,从而导致一个高度异构结构孔隙大小从几纳米到微米。根据分类方案提出的国际应用化学联合会(IUPAC) (3]和Hodot [4),毛孔分为三类基于大小:微孔隙(小于2海里),中孔(2至50 nm),和大孔隙(从50到104海里),以及裂隙(超过104海里)。在现有的研究(2),煤含有大量的微孔隙,中孔,小大孔隙。微孔隙和中孔提供空间用于存储的大部分吸附分子。大孔隙的吸附能力是毫无意义的,该区域的贡献相比非常小,通常可以忽略该地区贡献的作用/中孔;他们总是充当运输毛孔允许被吸附物分子从体相进入颗粒内部扩散5]。
一般来说,煤炭作为dual-pore系统特点是(6)包括微孔隙组成的基质孔隙度/间隙孔的煤炭矩阵(即。,the porous material region) and the fracture porosity composed of nonuniformly distributed macropores and microfractures (i.e., the free flow region) [7]。甲烷的吸附过程在水库可以分为两个部分:输入运动的不规则的大孔隙-裂隙系统对流;分散的纳米孔网络矩阵,然后吸附在孔的内表面。几何形状的非均质性,孔隙大小/分布的差异,涉及流体引起的多个传输机制研究的难度,导致储层中的流体流动和运输通常是在代表小学卷(牧师)规模实验和数值模拟8- - - - - -12]。最近,晶格玻尔兹曼方法(加快)已广泛应用于相关的领域在中尺度因为流体和气体运输的效率和有效性的实现多个颗粒间的相互作用和复杂几何边界条件(13- - - - - -15]。Nithiarasu et al。16)提出了一个广义等温不可压缩流体在多孔介质中,n - s方程,忽略了详细的多孔介质的结构包括一个额外的术语来考虑多孔介质的存在。郭和赵9)开发了一个磅模型,可以用来解决广义n - s方程。然后,陈等人。8)采用广义晶格玻尔兹曼(GLB)模型与页岩气的克林肯伯格效应为研究气体滑脱及其对表观渗透率的影响。宁等。12和王et al。11)使用一个类似的模型为研究表面吸附气体的影响明显基于2 d和3 d重建页岩渗透率,分别。刘和他(17)开发了一种非正交multirelaxation时间(捷运)LB模型与GLB方程研究在多孔介质对流传热。
至于煤气吸附过程,一般而言,这被认为是一个物理吸附过程,因为分子力量通常的范德瓦耳斯类型2,7]。许多研究,包括实验和数值模拟,主要集中在(等温吸附平衡)近年来没有关于中间状态和时间(11,18]。然而,等温吸附平衡只能提供静态吸附过程的信息在一个特定的阶段,这是不足以反映动力学行为的煤气储存在水库。在吸附动力学,浓度变化与吸附时间变量相关。因此,为了研究各种因素的影响,如气体含量、能力、孔隙度、渗透率,在吸附过程。最近,越来越多的研究集中在开发一个磅多重传输机制模型与多孔介质中的化学反应。他等。19)提出了一个磅与化学动力学反应模型流体diffusion-convection使用双重分布函数控制流体流动和扩散,它引入了扩散方程的源/汇项控制反应过程。田et al。10)提出了一种使用双耦合LB模型与GLB分布函数方程来描述地球化学反应在有限公司2注入。至关重要的是,小说不仅LB模型被开发为多个传输机制调查甲烷在水库移民也为实际储层升级技术用于非常规天然气开发。
在目前的工作,我们开发了一个double-distribution格子玻尔兹曼模型解决耦合的广义n - s方程,运动和对流方程提出了非常规天然气迁移包括气固吸附和解吸的水库,基于加速模型的郭先生和赵9和他的扩散反应模型等。19]。模型主要包含三个部分:(1)在转速范围内的流体流动是由广义n - s方程,(2)中的传质多孔介质的有效扩散系数和运动的源/汇项解决对流方程,和(3)气固吸附过程的多孔基质是由典型的朗缪尔吸附速率方程。其余部分组织如下:在部分2广义磅流体在多孔介质模型简要回顾。被动标量磅与吸附方程提出了部分3。数值结果和讨论部分4。最后,一个简短的结论部分5。
2。广义流体在多孔介质模型
等温流动的不可压缩流体在多孔介质的牧师,广义的n - s方程由Nithiarasu等人提出的模拟能力。
2.1。广义的n - s方程
广义的管理质量和动量方程可以由n - s方程 在哪里是流体的速度,在m / s;孔隙度;是流体密度,公斤/米3;是爸爸的压力,;是有效的运动粘度,在米2/秒, 和粘度比;和代表着全身的力量包括介质阻力和外力,可以给出的 在哪里是身体的外部力量,在N;是几何函数,在N;和多孔介质的渗透率,在m2。
这两个和孔隙度相关。固体颗粒组成的多孔介质,水系相关性给(水系1952) 在哪里固体颗粒的直径,m。
2.2。磅广义n - s方程的模型
郭先生与赵[9]构造一个LBE模型可以用来解决广义n - s方程;相应的粒子分布函数的演化方程 在哪里是离散密度分布函数,是当地的平衡方程,是离散的粒子速度,时间步长,弛豫时间,是单位矩阵,晶格的声速,加权系数。
作为标准LBE,流被定义为的密度和速度
因为力还包含了流速、速度可以显式地给出了 在哪里是一个临时的速度定义为 和参数和是由
通过使用查普曼豆科格技术与压力 和有效粘度 广义LB模型可以恢复(1)和(2在不可压缩极限。
3所示。控制方程与吸附/解吸气体运输
3.1。运动的对流方程的大规模转移
一般来说,天然气运输在多孔介质可以被认为是一个传质过程(20.- - - - - -22],它可以表示运动的对流方程 在哪里是气相的浓度,在摩尔/ m3;扩散系数,在米2/ s;资源/汇项,参与adsorption-desorption过程,在摩尔/ (m3·s)。
扩散系数是一个关键变量描述多孔介质中气体运输能力和是由多孔材料的物理性质决定的。自有机基体中孔隙大小在纳米的顺序,一般称为克努森扩散的扩散过程相当复杂而自由流动的气体扩散区域,应该单独考虑。通过考虑扩散散射对天然气运输在一个简单的几何毛细管长度和半径 ,康等。24估计克努森扩散系数 在哪里是煤的平均孔隙半径矩阵,在m;气体常数,在J /(摩尔·K);温度,在K;和气体摩尔质量,公斤/摩尔。
然而,扩散系数的测量是一个表达式的结果来自一个毛细管孔隙,将面积略大于扩散系数获得的实验。通常情况下,天然气运输在多孔介质的孔隙度/曲折率应该与扩散系数有关。因此,我们可以大致得到有效扩散系数(24] 在哪里 有机/总容积比和吗是曲折的。
3.2。Adsorption-Desorption动力学速率方程
气体迁移通过固体媒体总是伴随着气固adsorption-desorption由于当地的变动分解吸附平衡浓度。为了揭示天然气运输行为与煤吸附气藏,本文采用典型的朗缪尔吸附速率方程是广泛应用于非常规天然气产业和适用于气体吸附在纳米尺度上(19,25,26]: 在哪里吸附速率常数,在米3/(摩尔·s);1 / s的解吸速率常数;是吸收,在摩尔/ m3;和的饱和吸附容量,摩尔/ m3。
吸附平衡吸附过程的信息是最重要的部分,什么时候 ;(13)可以恢复相当于朗缪尔等温吸附平衡方程 在哪里场的压力,在哪里 在宾夕法尼亚州,;Pl代表了朗缪尔压力, Pa。
朗缪尔动力学方程,的大小和修复了吸附/解吸率;与此同时, 决定了等温吸附曲线的斜率,因此其中任意两个可以确定第三。很明显,吸附的速率 是一个浓度参数和解吸率 吸附量的比例。
为了将气固吸附,他的方法等。19)是修改包括游离气和吸附气之间的自适应转换。在这种情况下,每个晶格节点对应于多孔介质被认为是well-adsorptive网站。因此,朗缪尔速率方程可以集成到源/汇项(10)如下:
在进化过程中,吸附量随着时间更新;新量可以获得使用一阶差分格式
必须提到一个广泛的各种各样的孔隙大小和分布存在于煤炭矩阵,从而增加流体的各向异性和复杂性,气体扩散,气固物理吸附。然而,对于升级和计算效率的目的,我们可以简化的多孔介质均匀化理论由于多孔介质材料,压力和浓度,就在几个波动范围在牧师的规模。
3.3。磅气体传输与吸附在多孔介质模型
二维模拟物种转移过程,通过忽略速度D2Q9对角线,模型可以减少D2Q5 LB模型和不会失去准确性;因此,以下D2Q5磅质量传递方程是用来控制: 在哪里是离散密度分布函数的传质,相应的局部平衡方程,是质量传递的弛豫时间。
4所示。结果与讨论
在调查之前,原理图显示在图中1解释储层煤层气的吸附过程。一般来说,天然气存储在煤炭矩阵主要包含三种形式:游离气、吸附气和溶解气。
煤层气气体分子的迁移与自由流动的流体区域,自由气体分子的一部分将被实体墙当他们到达自由流动区域的接口和多孔介质,和更多的分子进入孔道网络和吸附在孔的内表面。在这个过程中,气体吸附和解吸的变动存在局部浓度,导致气体分子毛孔和墙之间的交换。煤层气的详细信息存储在储层中可以看到图1。
4.1。流两平行板之间填充多孔介质
验证目前LB模型,我们两个平行板间模拟流体充满多孔介质是均质材料均匀的孔隙度和磁导率 。在仿真中,计算网格是100×100,弛豫时间0.8,粘度比吗被认为是团结。流是由压差,一个中性边界条件应用于顶部和底部墙。
首先,我们假设只有一个单一的组件流体在媒体上,然后非线性电阻部队[情商的第二个任期。3)可以忽略由于流体流动是软弱和惯性消失了。因此,在稳态流可以达西Brinkman-extended方程所描述的 与 和 ;可以给出解析解 在哪里字段的宽度,双曲函数 。
速度概要文件详细的图2(一个)。当孔隙度为1.0,两个板块之间的流体自由流动是由于多孔材料被缺席。结果与解析解一致的典型平面泊肃叶流动。由于多孔介质的存在,减少孔隙度、速度资料会更平,这是在良好的协议与达西Brinkman-extended方程的解决方案。
(一)
(b)
然后,扩散场与吸附效果添加验证的耦合系统。在这种情况下,扩散系数是1/3,和一个常数浓度 设置在进口;其余的字段的初始浓度为0,饱和吸附容量是3,解吸速率常数设置为0.005,0.01,0.015,0.02,0.05和吸附速率常数是固定的。值得一提的是非线性电阻部队应包括由于系统涉及通过流固界面传质。
图2 (b)显示浓度之间的关系和耦合流动的吸附量与流体流动和气体扩散。固定值的浓度,朗缪尔压力越高,吸附量越低,可以支持的解决方案的一个典型的朗缪尔吸附等温方程。
很明显,所有的仿真结果与解析解吻合较好,在图2,确保当前模型的验证。
4.2。几何煤炭矩阵对吸附过程的影响
的孔隙结构的固体煤储层这么复杂,我们要模型(理想化)结构,以便它可以在数学上,这使得扩散和吸附的数学处理。另一方面,至关重要的是,应该合理足够复杂多孔介质固体的特性和对扩散和吸附的影响。方便实现的数值调查,煤炭矩阵特征通常是通过多孔介质在两个方面:一个矩阵与定期分布式广场固体块和pseudorealistic场随机除以几个不规则的楔子。第一个是足够简单的忽略几何形状的影响,第二个是一个通用的方法,通过非均匀多孔介质模拟流体流动。实际上,煤层包含有机和无机问题,气固吸附总是发生在有机部分,和无机媒体只作为流体的微通道。本文忽略了影响无机部分由于计算域的规模相对较小。
在现实中,输出浓度参数我们总是关注在实际应用和工程;与此同时,methane-coal吸附是一个浓度的过程由于内在的吸附率通常比扩散速度(快得多5]。因此,接受评估的影响几何和朗缪尔吸附参数对浓度分布的变化。在本节中,g - 1(级的多孔结构 , ),g - 2 ( , ),三大( , ),G-4 ( , ),还有( , )被用来研究裂隙孔隙度的影响和比表面积的有机基体动态diffusion-adsorption流程。为了保持2 d重建结构的连接,实现经济计算时间,而不丢失物理解释,假设一个相对较高的裂缝孔隙度(27]。
请注意,在我们的模拟有两种孔隙度:矩阵孔隙度和裂缝孔隙度 ,前一个是静态平均数据反映的有机基质的纳米孔,另一个是自由流动区域的面积的比值(裂隙)和面积,代表裂隙面积的大小,而忽略了多孔材料内的空白。的比表面积的长度和面积之间的比例是多孔固体。
在模拟域离散,200×200点阵,分辨率为80海里;吸附能力的参考温度选为303.15 K。流体流动过程,无滑动边界条件用于墙壁和顶部和底部之间的接口自由流动区域和固体矩阵,和一个压差设置入口和出口之间的关系。两种边界条件用于甲烷传输:常数浓度( 在进口和诺伊曼边界条件() ),其他三个边界。域的初始浓度为0。其他输入参数详细表1。必须提到的影响矩阵孔隙度(孔隙度的多孔材料)、粒子大小、和分布在多孔介质由于使用统计平均参数被忽略,这可以归因于水库升级技术包含在我们的模型中。
图3显示了浓度分布剖面不同断裂疏密度和比表面区域,分别。G1 G3的结构有不同的特定的表面区域但相同的峰值。增加比表面积,自由流动之间的浓度差地区和多孔材料是平滑,这意味着天然气完全进入煤炭矩阵和动态吸附平衡消耗更少的时间,由于体积小,广泛分布的多孔块。G3, G5的结构有不同的断裂疏但相同的特定的表面区域。增加孔隙度、浓度大小分布的差异在多孔的每个块结构并不重要;然而,气体传输的速率在整个领域更有效,由于裂缝孔隙度越高代表更广泛的自由流动区域,从而导致的降低吸附/时间和总吸附量的多孔固体。此外,多孔介质的总面积下降可能会导致一个相对较小的介质阻力天然气运输。这些现象也可以确认图4。
一个更大的比表面积意味着均匀分布的多孔固体将导致更高的介质阻力;因此,输出浓度保持在较低水平,可以看到图4然后增加由于广泛分布的多孔块的尺寸都很小,使吸附达到平衡态在更短的时间。然而,正如上面提到的,一个大的裂缝孔隙度代表了更高的裂隙,导致输出浓度增加 。此外,由于研究区域相对较小,finite-adsorption限制,所有情况下的输出在稳态浓度与输入浓度相同。
为进一步研究吸附多孔块的尺寸效应,系统三种类型的多孔块不同地区也在调查中。可以看出不同的数字5(一)和5(b);不吸附( ),气体扩散的速度是否存在一个最佳的纳米孔的连通性。这也证实了图6假设其他因素不变,输出浓度率(图6(一)),浓度变化率多孔块中心(图6 (b))减少而增加 。吸附的速率 ,如预期的13),总是随饱和吸附容量之间的区别和吸附量 ,导致总吸附量的增加。吸附量每种情况下有不同的区别会随着时间变得更小,但它将持续很长时间。比较左列和右列在图5随着多孔块的大小增加,所以气体完全分布式的难度在媒体、建议的形式快速气固吸附、气体扩散可能会在多孔介质消耗更多的时间。
(一)
(b)
(c)
朗缪尔压力对吸附的影响如图6 (c)。朗缪尔压力变化直接与吸附速率常数,和一个更大的朗缪尔压力、吸附量下降,吸附强度将会变得越弱的朗缪尔压力增加时,解吸速率常数是固定的,如预期的14)。因此,两个输出浓度和中央浓度与朗缪尔压力增加。
4.3。气体迁移重建煤炭矩阵
为了获得更深入洞察与吸附气体运输行为煤炭气藏,在本节中,甲烷气体流重建二维结构进行了研究。煤是一种双重介质孔隙和裂隙介质组成的矩阵。纳米孔煤基质中煤层气的来源,和矩阵之间的断裂为天然气运移提供了通道。图7(一个)显示了煤的微观结构从文献复制(从图复制1在[31日])。它可以观察到,许多煤炭矩阵与不同大小、形状和分布已经除以断裂系统。煤炭矩阵的大小和骨折范围从几纳米到几个微米。事实上,无数的纳米孔也分布在矩阵。气孔的分布和几何与煤阶、有机成分,和局部压实,因此,很难获得一个通用模型的重建。本文重构一个多孔介质如图7(b)基于matrix-fracture分布特征的系统(如示意图所示图的红盒子7(一)),这大约是煤的微观结构组成的裂隙(白色)和有机基质(黑)。除此之外,许多有机基质的纳米孔,在coal-methane吸附起着重要的作用,也被认为是在媒体上。它可以在(11)和(12)的有效扩散系数成正比的孔隙度、平均孔隙半径;因此,调整任何一个可以实现不同的多孔介质的扩散系数。陈古时和勇32)报道,煤的孔隙度与煤阶、变化范围是0.02 ~ 0.25。此外,通过煤炭在中国25个样本地区,Fu和魏33)发现,平均孔隙半径范围从3.8到15.2纳米。在本节中,平均孔隙半径是一个统一的价值( ),矩阵疏密度选为0.05,0.1,0.2和0.4。注意,0.4的孔隙度可能不会遇到煤炭样本,选择这里进行比较。在仿真中,边界条件和输入参数是相同的4.2(表1)。
图8展示了速度大小分布。当多孔材料的孔隙度很小( 左边),流体沿着强烈首选途径在自由流动区域的存在是由于当地的流动阻力。随着孔隙率的增加,达西阻力项的大小(3)将减少,导致局部阻力减少。因此,流体可以通过这个条件下的多孔介质。当孔隙度相对较高( 右边),简化几乎出现沿直线路径。的结果与仿真结果是一致的8],进一步说明我们的模型的有效性。
图9总结了影响矩阵的孔隙度和朗缪尔吸附量的压力大小分布。多孔固体的疏密度的图像从左到右列是0.05,0.1,0.2,和0.4,分别。相对高孔隙度( 右边的列)使有机物强的有效扩散系数,增加了传质速率。因此,多孔材料中气体扩散的速度更重要和动态吸附equilibrium-associated地区更广泛。
朗缪尔压力之间的比例比解吸常数和吸附常数,这是与多孔物质的吸附强度有关。假设其他参数保持不变,朗缪尔压力决定了动态平衡下的最大吸附量。在仿真中,我们可以改变朗缪尔固定解吸压力恒定为研究朗缪尔吸附量的压力的影响,这意味着只能讨论吸附常数。可以看到在右边列图9朗缪尔压力降低时,变得更大,这使得吸附强度大。结果是,最大吸附量下动态平衡朗缪尔压力增加而减小,以及吸附总额,也证实了图的结果6 (c)。
此外,介质阻力不仅存在于流体流动,也适用于天然气运输由于多孔材料的扩散系数远低于自由流动。因此,扩散曲线峰值将形成基于介质形状和分布在气迁移过程,这可能会影响当地的气固吸附的速率,也意味着比表面积和裂缝孔隙度的影响在吸附过程中发挥着关键作用。
5。结论
在这项研究中,我们提出了一种耦合的广义n - s方程和运动的对流方程的气体在多孔介质中迁移包括气固吸附和解吸。有效的克努森扩散系数引入模型有机基体的天然气运输煤炭。朗缪尔吸附速率方程是集成到运动的源/汇项对流方程控制气固吸附和解吸的吸附动力学过程。一磅模型求解耦合方程。
模拟array-distributed常规固体块不同比表面积,裂缝孔隙度,矩阵的大小,研究了饱和吸附容量。结果表明,吸附效果变得更强大的比表面积和裂缝孔隙度增加或矩阵的大小减少。此外,饱和吸附量的影响显示了相反的趋势随着裂缝孔隙度由于吸附速率的增加与饱和吸附容量和吸附量的区别,以及朗缪尔的影响压力和裂缝孔隙度显示了一个类似的趋势。重建的煤炭矩阵的仿真结果证实methane-coal吸附影响基质孔隙度、渗透率和朗缪尔压力,以及几何复杂性。基质孔隙度和渗透率更高或更低的朗缪尔压力增加吸附率和相应的影响区域。扩散曲线峰值的出现表明,几何复杂性,包括矩阵大小、形状、分布、adsorption-desorption过程中可能发挥重要作用。
我们的模型可以应用于广泛的模拟在非常规天然气开发。然而,未来的工作仍然需要包括更现实的影响煤瓦斯解吸和矩阵变形等。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
附加分
高光。(1)double-distribution格子玻尔兹曼模型求解运动耦合的广义的n - s方程和对流方程对气固动态吸附过程提出了多组分气体迁移的非常规储层。(2)介绍了有效扩散系数模型的气体在多孔介质运输。朗缪尔吸附速率方程是用来控制气固吸附的吸附动力学过程。(3)孔隙度和渗透率的影响,饱和吸附量,朗缪尔压力,methane-coal吸附动态过程的几何复杂性数值研究。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41472130)和中国国家重点研究和发展计划(批准号2016 yfc0600704)。
补充材料
(1)这个程序是一个2 d广义格子玻尔兹曼模型代码使用double-distribution函数来模拟煤储层天然气运输。(2)整个项目由1。和GLBM.f90不相上下。3所示。“1。票面价值”是一个头文件,定义了一些常见的块;所有的子程序都集成到“GLBM。法郎”,“子程序流”是用来重建图像二值化后的二维多孔介质通过MATLAB,“子例程进化”和“子例程扩散”实现治理液体散装流和扩散,分别和“子例程初始”和“子程序输出”是用来初始化流场仿真结果和记录,分别。(4)在运行这个项目之前,请创建一个新的子文件夹”“工作目录下。(5)模拟,所有的无量纲参数,输出数据可以dimensionalized使用相似的原则。(补充材料)