頁巖氣吸附機(jī)理研究..教學(xué)文稿

1、頁巖氣吸附機(jī)理研究.一、吸附解吸理論固體對(duì)氣體的吸附主要由范德華力與剩余化學(xué)鍵力產(chǎn)生范德華力物理吸附 發(fā)生于任何固體表面，不需活化能，很快達(dá)到飽和 無選擇性，可吸附不同類型的氣體，但吸附量差異較大 既可在固體表面發(fā)生單層吸附，也可發(fā)生多層吸附化學(xué)鍵力化學(xué)吸附 吸附與解吸速度較低，不易達(dá)到吸附平衡。需要一定的溫度產(chǎn)生活化能 具明顯選擇性，針對(duì)某種特定氣體吸附 只可發(fā)生單層吸附物理吸附與化學(xué)吸附特點(diǎn)對(duì)比參 數(shù)物理吸附化學(xué)吸附吸附力范德華力化學(xué)鍵力吸附熱較小，近于液化熱較大，近于化學(xué)反應(yīng)熱選擇性無選擇性有選擇性吸附穩(wěn)定性不穩(wěn)定，易解吸比較穩(wěn)定。不易解吸分子層單分子層或多分子層單分子層吸附速度較快，受

2、溫度影響小，一般不需要活化能較慢，溫度升高則速度加快，一般需要活化能等溫吸附模型研究表明等溫條件下吸附量與壓力之間的關(guān)系曲線（即吸附等溫線）具有六種類型煤對(duì)煤層氣的吸附，頁巖中的有機(jī)質(zhì)和粘土礦物對(duì)于天然氣的吸附屬于單分子層物理吸附不同類型的吸附等溫線 Langmuir單分子層物理吸附理論要點(diǎn)當(dāng)氣體分子在固體表面上覆蓋滿一層后。導(dǎo)致吸附的固體表面原子力場(chǎng)不飽和性消失，因此吸附只針對(duì)單分子層吸附熱為常數(shù)，不隨覆蓋度變化吸附質(zhì)分子間無作用力吸附達(dá)平衡時(shí)，吸附與解吸依舊同時(shí)進(jìn)行，且速度相同bpbp11以下3種形式的Langmuir吸附等溫式，很好的表征了該理論的要點(diǎn) b為吸附系數(shù) ，與吸附劑特性有關(guān)代

3、表了固體吸附氣體的能力Vm為每克吸附劑的表面覆蓋滿單分子層時(shí)的吸附量，即最大吸附量V是每克吸附劑在氣體壓力為p時(shí)吸附氣體的吸附量 bpbpVVm1bpbpVVm1 設(shè)：k1及k-1吸附與解吸速率常數(shù)；A氣體；M固體表面；AM吸附狀態(tài) k1 A(g)十M(表面) = AM k-1 設(shè)：固體表面被覆蓋的分?jǐn)?shù)，稱覆蓋率，即 =已被吸附質(zhì)覆蓋的固體表面積/固體總的表面積，則 （1-）固體表面上空白面積的分?jǐn)?shù) 以N固體表面有吸附能力總晶格位置數(shù)，簡(jiǎn)稱吸附位置數(shù)。吸附速率與A的壓力p及固體表面空位數(shù)(1-)N正比，所以 吸附速率k1p(1)N 解吸的速率與表面被覆蓋吸附位置數(shù)，或N成正比 解吸速率k-1N

4、 達(dá)吸附平衡時(shí)， k1p(1)Nk-1N 可得蘭式=bp/(1+bp) 式中，bk1k-1，稱吸附系數(shù)，與吸附劑、質(zhì)本性及溫度有關(guān)。b愈大，吸附能力愈強(qiáng)，b有壓力倒數(shù)的量綱等溫吸附式探討三種不同壓力條件在壓力足夠低或吸附較弱時(shí)，bp1，則V=Vm。這時(shí)V與p無關(guān)，吸附達(dá)到單分子層飽和。如圖中的壓力較高部分當(dāng)壓力適中時(shí)，V與p是曲線關(guān)系，如圖中的彎曲部分從此可知，Langmuir 吸附等溫式適用于第種吸附等溫線類型 煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)等溫吸附式ZRTPVn n氣體的數(shù)量； P氣體的靜態(tài)壓力； V氣體的體積； T氣體的絕對(duì)溫度；R氣體常數(shù)； Z氣體的壓縮因子。mmVpbVVp1理想氣體定律為 根

5、據(jù) 用p/V對(duì)p作圖是一條直線，從其截距和斜率求得Vm和b值Vm就是某一煤樣對(duì)于該種氣體的最大吸附量（或稱a值），相當(dāng)于Langmuir體積VLb值即相當(dāng)于Langmuir壓力PL的倒數(shù)，從而即獲得了Langmuir等溫吸附方程PPPVVLL頁巖不同組分對(duì)氣體的吸附作用吸附態(tài)頁巖氣對(duì)頁巖資源潛力評(píng)價(jià)尤為重要需要研究頁巖不同組分對(duì)氣體的吸附作用 有機(jī)質(zhì)組分Nuttall（2005）頁巖中有機(jī)質(zhì)作為吸附氣的核心載體，TOC值的高低會(huì)導(dǎo)致吸附氣發(fā)生數(shù)量級(jí)變化 。李劍（2001）認(rèn)為有機(jī)質(zhì)對(duì)氣的吸附量遠(yuǎn)大于巖石中礦物顆粒對(duì)氣的吸附量，占主導(dǎo)地位 粘土礦物組分Ross（2008）認(rèn)為粘土礦物往往具有較高

6、的微孔隙體積和較大的比表面積，吸附性能較強(qiáng) Schettler等（1990）甚至認(rèn)為頁巖中的吸附態(tài)甲烷主要分布在伊利石表面，其次才吸附于干酪根之中 VS 與共同影響著頁巖的吸附能力。影響頁巖吸附能力的其他因素還有待進(jìn)一步的研究。頁巖含氣性評(píng)價(jià)成果王廣源等（2010）利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)遼河?xùn)|部凹陷古近系8塊泥頁巖樣品進(jìn)行了吸附測(cè)試樣品：古近系沙三段碳質(zhì)泥頁巖，TOC達(dá)16.33%， Ro為0.511%實(shí)驗(yàn)結(jié)果：每噸泥頁巖的吸附氣量為0.511.98m3，平均為1.24m3，表明樣品吸附甲烷能力較強(qiáng)樣品：長(zhǎng)芯1井龍馬溪組，8個(gè)頁巖巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果：每噸巖石含氣量為0.080.25m3，平均為0.15

7、m3/t （解吸溫度70 ）王社教等（2009）認(rèn)為該頁巖樣品成熟度過高（Ro達(dá)到3.26 %）已進(jìn)入過成熟階段可能是導(dǎo)致其吸附能力較低的主要原因 頁巖含氣性評(píng)價(jià)成果蒲泊伶（2010）對(duì)龍馬溪組頁巖開展了等溫吸附試驗(yàn)頁巖Ro值約為2.3 %3.4 %，最高吸附氣含量為1.121.74 m3 ./t，平均為1.28 m3/t 四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖等溫吸附曲線（蒲泊伶，2010）五、主要結(jié)論與建議結(jié)論游離態(tài)氣體估算的關(guān)鍵是確定頁巖的有效孔隙度和含氣飽和度，而吸附態(tài)氣體的估算需要對(duì)頁巖的吸附能力進(jìn)行評(píng)價(jià)頁巖中的有機(jī)質(zhì)和粘土礦物對(duì)于天然氣的吸附屬于物理吸附。頁巖的吸附能力可以通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得，它通常受到多種因素的影響，如有機(jī)碳含量、礦物成分、含水量、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度和壓力等建議目前開展的頁巖氣含氣性分析均參照煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)技術(shù)和含氣量測(cè)試技術(shù)，但頁巖