文摘

为了研究不同等级的影响煤CH的位移₄由有限公司₂项目中,防止有两个和天然气有关灾害,进行了一系列的实验。为了这个目的,我们选择低秩褐煤原料从山西大同煤田,中级烟煤生从安徽省Xutuan煤田,和国内从山西省阳泉煤田无烟煤原煤。结果表明,(1)位移的形状混合气体的吸附曲线和形状的一维纯气体的吸附曲线都是陡峭的一开始,随着压力的增加,曲线变得越来越温柔。不同之处在于,它是低于一维气体吸附曲线。(2)煤炭样品的分离系数用于实验显示了先降低,然后增加的趋势与煤阶的减少。位移系数具有相同的趋势,因为每个煤阶的分离系数,这是 。(3)取代CH₄在位移/吸附过程强化与压力的增加,不同煤的趋势 。此外,位移显示顺序 。注射比烟煤和无烟煤的减少与压力的增加,而褐煤的增加后减少。(4)在注气驱替,长时间,高煤阶的位移效果优于低煤阶。

1。介绍

煤层气(CBM)提取,这被认为是一种高效的绿色技术,近年来引起了广泛的关注(1- - - - - -4]。然而,中国煤层气资源是深埋地下的和显示可怜的渗透率5]。出于这个原因,很难使用传统方法提高煤层气产量。不同的技术包括深孔爆破,注气提高煤层气复苏(ECBM),液压骨折,和液压铣槽等,提出了提高煤层气产量。然而,一些局限性已报告。例如,煤层气井通常显示大型生产速度在初始阶段的过程中,速降压力也减少。此外,中国的煤层渗透率很低。由于这些原因,相关的辅助手段在煤层气开采需要帮助。在这种情况下,现场试验结果表明,煤层气产量可以提高使用气体置换方法。,电源提供的连续注气保持一个常数煤层压力,因此,在煤层气井生产可以保持很长一段时间。

国内外学者做了很多研究在注气驱替6- - - - - -8]。注气驱替的第一件事,我们需要考虑的低渗透煤层在中国上面提到的。因此,许多学者做了大量研究渗透率。其中,Zhang et al。9- - - - - -15)进行了深入研究循环加载和卸载条件下渗透率变化特别是渗透率变化的完整,断裂和破碎的煤样不同粒径条件下。有效应力对渗透率的影响规律和循环加载条件下渗透率应力敏感性的变化在这种条件下。此外,一些学者进行了相应的实验研究煤的吸附特性在注气驱替。克拉克森et al。16)提出了一种多组分吸附煤层气吸附模型。该模型来源于Dubinin-Polanyi理论。应用包括多组分吸附和模拟增强煤层气复苏。菲茨杰拉德et al。17)利用朗缪尔扩展方程预测的混合气体的吸附能力,发现单一组件的朗缪尔参数导致重大的不确定性。巴楚et al。18)提出了气体扩散/吸附的物理数学模型,考虑非线性吸附在微孔隙,双峰孔隙体积分布和时变煤颗粒外气体压力。根据Busch et al。19),水分会极大地影响混合气体吸附在煤的数量。片(20.)报道,而N₂、有限公司₂开车时位移提供了更好的性能和更换气体在同一时间。国内学者研究混合气体的吸附和解吸(主要是有限公司₂,CH₄和N₂)。唐et al。21)进行二进制CH₄使用N的吸附和解吸实验₂和有限公司₂和确定煤吸附能力之后订单有限公司₂> CH₄> N₂。使用弱吸附气体的缺点在强烈竞争吸附,吸附气体使解除吸附将更加困难。因此,CH的位移₄使用N₂会降低公司相比₂。梁等。22研究了煤层CH的位移₄通过有限公司₂注入身体,发现煤的渗透率对有限公司₂超过2数量级高于CH₄。的有限公司₂煤体内存储与CO的体积比₂/ CH₄替换、体积应力和位移的压力。公司的影响₂/ CH₄位移是由CH₄含量煤层、储层结构、渗透率、注气压力、注气流量。Zhang et al。23]研究了渗透率的影响特点在孔隙压力注气和位移。Zhang et al。24混合CH)进行吸附和解吸实验₄和有限公司₂气体在不同浓度和确定,CO的浓度就越高₂越多,CH₄可以更换。Yu et al。25)进行了CH₄吸附实验金Cheng和路2号煤和使用8模型包括朗缪尔、扩展朗缪尔,打赌,dr,数字-模拟,托斯与SPSS符合实验数据。这些研究人员发现,这些模型显示良好的CH₄数据拟合。此外,拟合程度最高,产生的数字-模拟模型和临界饱和蒸汽压计算经验公式的选择模型。杨et al。26还研究了位移和CO的吸附₂ch₄。通过不同煤的煤样实验,发现煤阶越高,吸附容量越大CH₄和有限公司₂。位移能力和位移速率增加而增加的压力。然而,注入位移比当压力的增加而减少。郑et al。27)认为不同煤阶的煤吸附能力不同的气体。王X et al。28]在竞争吸附进行更高等级的位移效应煤是更明显比低等级的煤炭。李等人。29日)认为这是一个不对称气体解吸和u型关系最初的扩散系数和煤阶。你们et al。30.]研究单一气体和多气体吸附定律Xutuan煤矿。

注入位移包括多个物理场的耦合关系(温度场、应力场和渗流场),是一个复杂的吸附过程,混合气体的解吸、扩散。目前,大多数学者已经进行了大量的研究吸附和解吸在一排煤炭样本。然而,有一个缺乏知识的等级和煤特征对位移的影响。在目前的研究中,我们选择代表低级从山西大同煤田褐煤原料,代表中级沥青原煤从安徽省Xutuan煤田,和代表高档从山西阳泉煤田无烟煤原煤。进行了一系列的实验来研究吸附CH的位移₄通过注入股份有限公司₂。我们分析和讨论不同的参数包括分离系数的变化,位移因子,位移量和喷射率等。这里给出的结果将作为参考改善背后的理论位移的煤层气有限公司₂注入。

2。实验设计有限公司₂更换CH₄吸附在煤样不同的行列

2.1。煤炭样品和实验设备

为了研究煤阶对气体吸附的影响,三种原煤来源有不同的选择。(1)褐煤被从比分在山西大同煤田煤层,(2)烟煤收集从32安徽省Xutuan煤田的煤层,和(3)无烟煤起源于15号山西阳泉煤田的煤层。表1显示了煤样的工业分析的结果。

图1显示了图中使用的系统研究[31日]。该系统测量煤样的气体吸附容量减去游离气体的数量在气缸注入气体的总量。为此,样本测量圆柱的体积与氦(他)。后,气体吸附能力决定根据汽缸压力的变化,这是使用理想气体状态方程和SRK方程计算。

2.2。实验方案

在这个实验中,CH₄第一次喷入发动机气缸,直到完全吸收到煤炭样本。气缸是保持在恒温水浴。随后,公司₂喷入发动机气缸,保持着同一段时间CH₄。最后,在气缸收集废气,使用气相色谱及其浓度决定。具体步骤如图所示2。

3所示。实验结果和分析

3.1。纯气体吸附在煤样不同的排名

朗缪尔曲线和纯气体吸附的朗缪尔参数三个煤炭如图3。数据表明,CH₄和有限公司₂煤样吸附容量增加压力的增加。此外,在低压力值,吸附容量迅速增加,逐步减少和增加的压力。

数据在图3和表2表示良好的拟合。因此,朗缪尔方程正确描述了CO的吸附₂和CH₄在所有煤炭样本。一般来说,我们发现显著差异在CH₄不同煤的吸附能力。根据朗缪尔体积 ,随后的吸附容量订单无烟煤>烟煤>褐煤,表现出日益增长的趋势与煤阶的崛起。

3.2。比较位移吸附容量和纯气体吸附能力不同的煤

根据图4、纯气体和混合气体的吸附位移/吸附遵循了类似的趋势。在过程的开始,小压力变化引起的突然增加,吸附能力。后来,随着压力的增加,变化不太突然。然而,在三个煤样,纯气体的吸附能力大于位移/吸附在给定的压力。两个CH₄和有限公司₂遵循这种模式。此外,在一个给定的压力值,每个组件的混合气体的分压小于纯气体。压力越小,吸附能力越小。因此,每个组件在混合气体的吸附容量小于纯气体。这也是确定的总量之间的混合气体吸附CO₂和CH₄作为纯气体。此外,由于系统中所有的组件之间的交互,混合气体吸附在煤的总量至少高于纯气体吸附,并低于最纯气体吸附。数据表明,煤显示高吸附能力有限公司₂当这种气体混合了CH₄。因此,当CH₄和有限公司₂分子竞争,更容易为有限公司₂进入吸附在煤的网站。因此,CO的吸附能力₂在更换吸附过程远远高于CH₄。

在目前的研究中,CH₄和有限公司₂吸附能力,有限公司₂/ CH₄比三个煤样不同的排名比较。结果显示在数字5和6。根据我们的结果,在相同的压力下,CO的吸附能力₂对煤炭远远大于CH₄。公司有一个大区别₂和CH₄煤吸附能力。此外,有限公司₂/ CH₄比率在不同等级煤样品也表现出极大的差异。随着煤阶增加,有限公司₂/ CH₄比率显示一个“V”形的趋势,高值观察褐煤和无烟煤和烟煤的低的值。的有限公司₂/ CH₄比率显示线性递减趋势越来越大的压力。最低的公司₂/ CH₄与烟煤比例,最高价值是只有2.8。此外,最高的公司₂/ CH₄比率是无烟煤值为5.3,与褐煤为4.8。结果表明,这两个远高于烟煤。这显然是与公司有关₂和CH₄煤的吸附能力样本。我们所知,公司的过程₂更容易吸附在煤比CH₄尚不完全清楚。一些学者假设气体的沸点越高,吸附能力越强。有限公司的沸点₂大约是80°C高于CH₄;这或许可以解释为什么煤提供了更强的吸附能力有限公司₂。

相对分子大小差异有限公司₂和CH₄也会影响煤的吸附能力和孔隙渗透率。的分子半径有限公司₂0.289 nm, CH₄是0.310海里。因此,自公司₂小于CH₄,它不仅可以达到大孔隙和微孔隙,而且超微孔隙。除了相对较小的分子直径,CO的吸附能₂也比甲烷在大多数孔隙大小。结果是,公司₂扩散到微孔煤比CH矩阵在一种更简单的方法₄。较小的分子直径和更大的吸附能有限公司₂使有限的扩散速度₂在煤基质显著高于CH₄。

股份有限公司的区别₂和CH₄吸附也会导致不同的两种吸附剂的吸附机制。换句话说,CH₄的主要机制包括吸附作用。在有限的情况下₂,这不仅气体吸附到微孔隙也溶解在有机物质存在于煤的结构。Milewska et al。32使用他们的模型)执行不同的计算。这些研究人员得出的结论是,尽管吸附和溶解发挥了重要作用这两种气体的存储,有限的程度₂溶解在纯气体吸附的相似。对CH₄纯气体,解散的水平远低于吸附。同样,Reucroft和Sethuraman [33)建议解散公司的数量₂在5 - 15 atm的范围,增加压力和总量的一半₂吸收溶解成煤有机质。

尽管人们普遍认为,中孔的贡献并不影响CH₄和有限公司₂吸附,这种假设可能不完全正确。克拉克森和参赛34还提出,当CH₄主要是表面的吸附作用,公司₂不仅能吸附作用,还有些间隙孔。这可能是更高的公司的原因之一₂吸附与CH₄。

3.3。分离因子和位移因子不同等级的煤炭样本

分离系数是用来描述吸附剂的吸附力混合系统(35]。在目前的调查,吸附力是用来表示程度的有限公司₂和CH₄吸附在煤。当吸附状态比自由状态的两种气体(有限公司₂/ CH₄)大于1,CO的吸附₂对煤炭强于CH₄。另一方面,如果结果是小于1,煤的吸附CO₂较弱的CH₄。朗缪尔方程,结合两种气体之间的分离系数可以表示为:

的公式,代表了吸附CO的体积分数₂在混合吸附;表明吸附CH的体积分数₄在混合吸附;自由CO的体积分数吗₂在混合吸附;的体积分数是CH有空吗₄在混合吸附;和是公司的分离系数₂对CH₄。

根据方程(1),分离系数来源于朗缪尔方程只与朗缪尔压力和朗缪尔体积。不同煤的分离因素等级如表所示3。

根据我们的数据,在初始阶段,显示的分离系数与减少煤阶递减趋势;后,分离系数增加。这表明,CO的吸附₂无烟煤是强于CH₄。因此,最强和最弱的公司₂分别吸附与无烟煤和烟煤。然而,分离因素的三个煤炭等级大于1。在混合系统吸附结果表明,有限公司₂吸附在煤样品强于CH₄。然而,平衡压力的变化也将影响分离系数的大小。图7介绍每个煤样在不同的分离因子平衡压力值。这个数字表明,随着平衡压力的增加,位移吸附的分离系数也增加。虽然分离系数不是一个固定值,仍有一定差距测量分离因子和分离系数来自朗缪尔方程。特别是当压力较低,差距很大,当压力高,它们相对较近。

位移的因素是用来表示一个天然气来取代另一个气体的能力在混合吸附和显示的能力两种气体的吸附竞争网站。在此,我们确定的能力有限公司₂取代CH₄在煤炭样本。因为这种位移的能力也受到气体的分压的影响,混合吸附体系的吸附的程度受到相互干扰的吸附强度和气体的分压。分离系数是计算中只考虑煤的吸附强度的身体来有限公司₂和CH₄,没有气体的分压组件的影响。通过比较公司的比率₂/ CH₄吸附平衡与纯气体吸附在同一公司₂分压和CH₄位移/吸附和结合朗缪尔方程和扩展的朗缪尔方程,位移的因素可以表示为方程(所示2)[36]:

结果如图所示8,他们表明每个煤阶的替代因素都大于1。因此,有限公司₂能够取代CH₄从煤炭样本。同时也发现,随着压力的增加,替代因素也会增加。这意味着压力越高,越容易为有限公司₂取代CH₄从煤炭样本。一般来说,无烟煤的位移因子比褐煤和烟煤,一样是每个煤阶的分离系数的趋势。当煤样吸附混合气体,一个组件影响其他和在吸附与分压。然而,由于公司的比率₂和CH₄是1:1、分压的影响是不明显的。因此,每个煤阶的位移因子和分离系数样本显示出高度的一致性。

3.4。位移和喷射率不同等级的煤炭样本

为了分析公司的替代效应₂在CH₄在本节中,我们评估了数量和注入比所取代。纯粹的吸附气体的数量之间的差异和CH的位移₄是流离失所的数量CH的₄:

注射比位移比注射有限公司₂:

不同煤的位移和喷射率排名计算使用纯气体吸附和CH的位移₄。数据如图9。

数据在图9表明取代CH₄在驱替过程中增加压力的增加。此外,一个倒“V”形趋势观察随着煤阶的增加。值后的顺序 。此外,在低压力值,大量的气体取代的三个煤不同等级是相同的。然而,随着吸附压力增加,取代天然气的数量在烟煤显著增加速度比无烟煤、褐煤。也确定,随着煤级的增加,注射率提出了一个“V”型趋势,取代量的对立面。注射比之前订单 。此外,注射比烟煤和无烟煤的增加而增加的压力。相反,在褐煤,注入比先增加,后下降。

根据研究结果提出了部分3.2,在CH的主要区别₄和有限公司₂煤的吸附能力与不同的吸附机制。在CH₄,所涉及的主要机制吸附到微孔隙。另一方面,有限公司₂被吸附到煤作用和溶解在煤炭有机质。在竞争吸附的情况下,只有有限的一部分₂与CH₄。褐煤显示高有机质含量;因此,更多的公司₂可以溶解,因此,更少的公司吗₂参与竞争吸附。另一方面,褐煤显示高CH₄吸附能力。在此,低数量的CH₄被取代。此外,低有机质含量在烟煤和无烟煤。由于这个原因,公司少₂是溶解,更多的公司吗₂参与竞争吸附。在这种情况下,更少的CH₄吸附和CH₄被替换。根据注入率结果,为了替换给定的CH₄在褐煤,有限的数量₂需要的是几次烟煤和无烟煤。

3.5。不同的位移效应煤炭样本

考虑不同的指标包括位移量和位移的因素,数据显示,最低的分离因子和位移因子与烟煤(37]。此外,这种类型的煤炭显示最高的流离失所。因为位移因子代表了公司的能力₂取代CH₄从煤样品,分离因子与煤的两种气体的吸附。从分子模拟的角度来看,随着变质程度的增加,羟基和含氧官能团的含量逐渐减少,和煤级煤的羟基含量显著高于中期和国内煤炭。此外,芳烃的含量逐渐增加,凝结的程度增加,而侧链降低了。因此,煤阶越大,其分子结构的对称性越高。当吸附达到稳定,有限公司₂和CH₄由褐煤分子吸附分子苯环上方的。此外,公司₂和CH₄分子吸附在沥青煤分子苯环羟基,附近和有限公司₂和CH₄分子吸附无烟煤分子附近的苯环。CH之间的距离₄分子和分子烟煤无烟煤、褐煤的远远大于公司的情况也是如此₂分子。因此,替代因素是观察到的最低的烟煤,取代CH和它的能力₄较弱的公司吗₂。然而,尽管烟煤显示替代能力薄弱,高总吸附能力被观察到。因此,CO的吸附₂和CH₄提出了高值。即使这种类型的煤炭的替代能力低于褐煤,整体替换能力仍相对较大。也观察到煤炭样本注入率的水平不同的煤炭等级符合分离因子和替换因子的变化。也就是说,他们都是高无烟煤、褐煤、烟煤但是低。关于更换类似的注入效率测定的两种类型的煤对。同时,观察显著相关,因为越强有限公司₂吸附在煤样,有限公司₂被要求代替等量的CH₄。

有限公司₂气驱过程本质上是一个位移和吸附CO的地方₂注入和CH₄煤结构中被取代。多孔介质具有较强的吸附能力,煤含有大量孔隙的矩阵,和一个清晰的系统形成正交裂隙网络生成coalization过程(图10)。气驱转换矩阵的气体从吸附状态通过位移和解吸自由州。之后,眠气体通过扩散进入微孔隙的正交裂隙网络,最后离开了煤的身体。这个过程可以大致分为两个阶段。在第一阶段,流离失所的CH₄主要是在自由状态,持续一段时间。在第二阶段中,气体是主要的气体取代,眠和解吸时间决定了位移。这一步花费的时间超过第一阶段。在第二阶段中,位移效应起着主导作用。根据这一分析,有限公司₂吸附的作用参与位移效应在注气驱,而不是公司₂溶解的有机物。因此,相当多的公司₂不是取代洪水过程中,这部分取决于煤的有机质含量样品。褐煤的替代能力比烟煤。当它完全可以取代,取代量较高。然而,由于其吸附容量低,CH的取代总额₄相对较小。此外,由于褐煤显示有机质含量高,更多的公司₂可以溶解,更少的公司吗₂实际参与替代效应。这也是其中一个原因在褐煤替代因素和注入率较高。当相同数量的有限公司₂注入,公司₂参与了褐煤的位移效应低于烟煤和无烟煤。沥青煤吸附更多的CH₄和可以继续取代CH₄。在长期,介质的位移和替代效应和高煤阶优于低煤阶。

4所示。结论

(1)在我们的实验中,发现煤排名下降,分离因子下降,后来增加了。然而,分离因子三个煤炭排名高于1。结果还表明,煤机构提出了一个更好的吸附能力有限公司₂与CH相比₄。每个煤样例,替代因素显示相同的趋势分离系数。因此,订单 。同时,每个煤阶的替代因素高于1,他们增加压力的增加。这表明,随着压力的增加,这是更容易有限公司₂取代CH₄从煤样(2)流离失所的CH₄在位移/吸附增加而增加的压力。不同煤阶的样品订单问_Z(烟煤)>问_Z(无烟煤)>问_Z(褐煤)。对注入率,减少订单 ,烟煤和无烟煤的注射率增加增强压力值。在褐煤的情况下,注入比先增加,然后降低(3)在注气驱过程中,有限公司₂吸附作用参与了位移效应,而不是公司₂溶解的有机物。因此,相当多的公司₂不为CH₄更换。在长远来看,媒介的位移和替代效应和高煤阶优于低煤阶

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(52174129)和独立研究项目的国家重点实验室煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM22X006)。