09016203-張良-液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響

1、（華東）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響學(xué)生姓名：張良學(xué)號(hào)：09016203專(zhuān)業(yè)班級(jí)：地質(zhì)學(xué)09級(jí)2班指導(dǎo)教師：劉長(zhǎng)江2013年5月31日中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)論文液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響摘要論文以IS-100等溫吸附解吸儀和MTS815型電液伺服巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為分析測(cè)試手段，選取了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)一一沁水盆地南部主力煤儲(chǔ)層樣品,重點(diǎn)對(duì)注水煤樣、平衡水煤樣、干燥煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比研究，探討了液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明：在朗格繆爾體積方面，注水煤樣的朗繆爾體積明顯高于平衡水煤樣，

2、也高于干燥煤樣；在朗繆爾壓力方面,注水煤樣的朗格繆爾壓力最大，其次為平衡水煤樣，干燥煤樣的最小；在模擬儲(chǔ)層的條件下，注水煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能反映實(shí)際情況；儲(chǔ)層條件下煤層中的液態(tài)水可以加強(qiáng)煤基質(zhì)吸附氣體的能力，吸附的規(guī)律更符合Langmuir模型。關(guān)鍵詞：煤儲(chǔ)層；甲烷吸附；液態(tài)水；機(jī)理EffectofliquidwaterontheabsorptivecapacityofcoalreservoirAbstractTlieIS-100isothermaladsorptionanddesoiptioninstnimentandMTS815typeelectro-hydiaulicseivorockex

3、perimentsystemforanalyzingthemeanstest,selectedforcoalbedmethaneexplorationhotspotsthesouthernQinshuiBasinmaincoalreseivoirsamples,mainlyconductedacomparativestudyoftheiiijectionofcoalsample,thebalanceofwater,diycoalcoalisothermaladsorptionexperiment,mechanismoftheeffectofliquidwateroncoaladsorption

4、capacityofreservoir.Researchresultsshowthat:comparedwithiiijectionofcoalsamplesandwaterbalanceofcoal,coaliiijectioncoaldiying,theLangmuirvolumewassignificantlyliiglierthanthatofequilibriumwatercoalsample,alsoliiglierthanthatofdrycoalsample;Langmuirpressure,themaximumiiijectioncoalsamples,followedbyt

5、hebalanceofwatersample,drycoalsampleisthesmallest,inreseivoirsimulationundertheconditionofwater,coalsampleexperimentalresultsrelativetotheequilibriumwatercoalsample,diycoalsamplecanreflecttheactualsihiation;liquidwaterunderreseivoirconditionincoalseamsignificantlyinfluencematrixofcoaladsorptioncapac

6、itygas,canstrengthenthematrixofcoalgasadsorbent,adsorptionismoreconsistentwithLangmuirmodel.Keywords:coalreservoir;methaneadsorption;liquidwater;mechaiiisin中國(guó)石油大學(xué)(華東)本科畢業(yè)論文目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 第1章引言1 HYPERLINK l bookmark16 第2章研究的工作基礎(chǔ)2 HYPERLINK l bookmark18 1煤儲(chǔ)層的三相特征2 HYPERLINK l b

7、ookmark20 2.2煤儲(chǔ)層的多重孔隙結(jié)構(gòu)3 HYPERLINK l bookmark22 第3章煤吸附氣體的固氣作用機(jī)理初探5 HYPERLINK l bookmark24 1煤吸附氣體的表面物理本質(zhì)及過(guò)程5 HYPERLINK l bookmark26 2朗格繆爾(Langmuir)單分子層吸附模型討論5 HYPERLINK l bookmark28 3.3等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究6 HYPERLINK l bookmark30 第4章液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響9 HYPERLINK l bookmark32 1平衡水樣、注水樣實(shí)驗(yàn)研究9 HYPERLINK l bookmark34 4.2

8、水分對(duì)煤儲(chǔ)層吸附的影響11 HYPERLINK l bookmark36 3固液氣相間作用的物理化學(xué)本質(zhì)12 HYPERLINK l bookmark38 第5章結(jié)論與問(wèn)題討論14 HYPERLINK l bookmark40 1結(jié)論14 HYPERLINK l bookmark42 5.2問(wèn)題討論14 HYPERLINK l bookmark44 結(jié)束語(yǔ)及致謝16 HYPERLINK l bookmark46 參考文獻(xiàn)17第1章引言第1章引言我國(guó)煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)試驗(yàn)己經(jīng)走過(guò)將近30年的探索歷程，2002年在晉城、阜新等地率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)性開(kāi)發(fā)，目前己進(jìn)入規(guī)模性開(kāi)發(fā)前夜，中國(guó)煤層氣工業(yè)正在形成。

9、煤層氣是一種新型潔凈能源，在煤儲(chǔ)層中的存在狀態(tài)可以是游離態(tài)、吸附態(tài)和固溶態(tài)，其最主要的存在狀態(tài)是吸附態(tài)，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)可以達(dá)到的開(kāi)發(fā)范圍內(nèi)，吸附態(tài)的甲烷可以達(dá)到90%。煤層氣的含氣量會(huì)受到煤吸附能力的顯著影響，煤基質(zhì)的等溫吸附曲線(xiàn)及特征，是評(píng)價(jià)煤層氣資源及其潛力的重要參數(shù)。煤儲(chǔ)層是由固體、液體、氣體組成的三相體系。其中，固相主要是有機(jī)大分子組成的煤基質(zhì)，它發(fā)育了大量微孔的，是一種多孔隙的復(fù)雜介質(zhì)；氣相中的主要成分是甲烷，其次還含有少量的氣態(tài)水、二氧化碳、氮?dú)狻⒅責(zé)龤獾?；液相的主要成分是液態(tài)的水，某些情況下也可能見(jiàn)到液態(tài)的燒類(lèi)。煤的三相體系之間存在著復(fù)雜作用：其中有固體與氣體之間的作用，主要是煤的有

10、機(jī)大分子基質(zhì)吸附和解吸氣體，此外，氣體的運(yùn)移、儲(chǔ)集都是由煤基質(zhì)中大孔隙來(lái)提供適當(dāng)?shù)目臻g；氣體與液體之間的作用主要表現(xiàn)是氣體在水中能夠溶解和逸出；而固體與液體之間作用主要是，水會(huì)對(duì)煤基質(zhì)表面進(jìn)行潤(rùn)濕，孔隙中存在著水的充填以及運(yùn)移。上述三種作用之間會(huì)相伴發(fā)生,相互彫響。對(duì)于煤儲(chǔ)層中固氣間的作用，液氣間的作用，前人有很多研究,但是，固體和液體間的作用對(duì)煤儲(chǔ)層吸附的影響，大家研究的比較少，本論文會(huì)以實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果為依據(jù)來(lái)進(jìn)行討論。第2章研究的工作基礎(chǔ) 第2章研究的工作基礎(chǔ)2.1煤儲(chǔ)層的三相特征煤儲(chǔ)層表示的是地層條件下儲(chǔ)集著天然氣的煤層，與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層相比，煤儲(chǔ)層的孔隙比表面積較大、吸附能力較強(qiáng)、儲(chǔ)氣

11、能力較大并且具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。煤基質(zhì)中的固態(tài)物質(zhì)是以固態(tài)的有機(jī)質(zhì)為主并且含有數(shù)量不等的礦物質(zhì)，他們共同組成了煤的基本骨架。從微觀上來(lái)看，煤基質(zhì)是一種大分子有機(jī)質(zhì)，其基本結(jié)構(gòu)單元是由縮合芳環(huán)體系組成，縮合芳環(huán)體系則是通過(guò)苯環(huán)縮合而形成的縮合芳環(huán)，縮合芳環(huán)之間的結(jié)合會(huì)形成平面碳網(wǎng)，平面碳網(wǎng)在垂向上疊加構(gòu)成芳香稠環(huán)體系或芳香核，各種煤級(jí)就是平面碳網(wǎng)的大小以及其在垂向上的疊加的不同來(lái)劃分。煤儲(chǔ)層中液態(tài)物質(zhì)主要是裂隙、大空襲中的自由水和存在煤基質(zhì)中的束縛水。在煤化學(xué)中，我們把煤中的水分劃分為了外在水分、內(nèi)在水分和化合水：外在水分指的是在實(shí)驗(yàn)條件下，煤樣與周?chē)諝膺_(dá)到濕度平衡時(shí)失去的水；內(nèi)在水分是指

12、實(shí)驗(yàn)條件下達(dá)到空氣干燥狀態(tài)時(shí)殘留在煤中的水分，煤在100%相對(duì)濕度下達(dá)到吸濕平衡時(shí)除外在水分以外的水分，稱(chēng)為最高內(nèi)在水分，在煤層氣的研究中常引入平衡水含量或臨界水含量的概念，其值會(huì)略低于最高內(nèi)在水分；化合水乂稱(chēng)結(jié)晶水，是以化學(xué)方式與煤中礦物結(jié)合的水，具有嚴(yán)格的分子化，高溫下才能脫除。煤儲(chǔ)層中的氣態(tài)物質(zhì)就是煤層氣，主要化學(xué)成分為甲烷、二氧化碳、氮?dú)狻⒅責(zé)龤獾?。甲烷在煤層氣中的賦存方式有游離態(tài)、吸附態(tài)、固溶態(tài)。不同賦存態(tài)甲烷在甲烷總量中比例取決于煤儲(chǔ)層孔隙一裂隙系統(tǒng)、煤大分子結(jié)構(gòu)缺陷、煤吸附能力等因素。正常情況下，煤儲(chǔ)層中游離甲烷約占甲烷總量的8%12%,但吸附甲烷均要通過(guò)解吸或置換才能被開(kāi)釆出來(lái)

13、。吸附甲烷是指裂隙一孔隙表面及芳香層缺陷內(nèi)所吸附甲烷的統(tǒng)稱(chēng)，其與游離態(tài)呈動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而不斷運(yùn)動(dòng)和交換。2.2煤儲(chǔ)層的多重孔隙結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層是由孔隙和裂隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)。由于這一特性，才使得煤儲(chǔ)層具有儲(chǔ)氣的能力和允許煤層氣擴(kuò)散一滲流一運(yùn)移的能力。煤儲(chǔ)層中天然裂隙在國(guó)外被稱(chēng)為割理，在整個(gè)煤層中連續(xù)分布的割理稱(chēng)為面割理，終止于面割理或與面割理交叉的不連續(xù)割理稱(chēng)為端割理。鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)割理的定義不明確，多數(shù)研究者以面裂隙代替面割理，端裂隙代替端割理。有些難以用肉眼辨認(rèn)、必須借助顯微鏡等才能觀察的裂隙叫做顯微裂隙，其往往局限于一個(gè)煤巖分層內(nèi)、發(fā)育多組，方向零亂，是主要由流體壓力、收縮應(yīng)力等

14、形成的內(nèi)生裂紋，但也同樣可見(jiàn)由外應(yīng)力形成的構(gòu)造裂隙。煤的孔隙結(jié)構(gòu)具有高度不均一性，埃米到微米級(jí)孔徑的孔隙均有分布。對(duì)于煤孔隙大小，前人有不同的劃分，如表2-1。針對(duì)我國(guó)部分含煤盆地不同煤級(jí)煤，前人做了很多孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)表明：總體上，總孔容隨著煤級(jí)的增加，會(huì)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。其中，微孔呈高低高的“V“字型變化，與其相反，大孔則會(huì)呈現(xiàn)低高低的變化趨勢(shì)“切。張小東等研究發(fā)現(xiàn)，孔徑在60-1000nm的孔隙分布特別稀少，并且孔徑分布的連續(xù)性較差；在褐煤中，過(guò)渡孔、中孔含量較高，孔徑分布的連續(xù)性較好；中等變質(zhì)程度的焦煤中，大孔含量和孔徑分布的連續(xù)性介于前兩者之間。表2-1煤中孔徑結(jié)構(gòu)劃分比

15、較（直徑單位：nm）B.B.XonoT(1961)Dubinin(1966)IUPAC(1966)H.Gan(1972)楊思敬(1991)微孔，10微孔，2微孔，2微孔，1.2微孔,20大孔,50粗孔,30人孔，750孔容和表面積是孔隙的重要特征?？兹菁纯紫兜捏w積，常用比孔容表示，單位cm3/g,與煤級(jí)和煤物質(zhì)組成密切相關(guān)，隨著煤級(jí)增高，煤的總孔容先減小后增大，在焦煤中期階段達(dá)到極小值（如圖2-1）o煤的表面積包括外表面積和內(nèi)表面積，外表面積所占比例極少，兒乎全是內(nèi)表面積。內(nèi)表面積用比表面積表征，單位m7go由于氣體(如甲烷和二氧化碳)或液體能在煤的內(nèi)表面被吸附，因此可以用氣體或液體的灌注煤孔

16、隙的可進(jìn)度來(lái)估算內(nèi)表面積。如圖2-2為煤的N2和CO表面積隨煤級(jí)的變化規(guī)律，變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)凹狀。OoOtEO、他貳漫O7oooooO50505(JX2PX2、i1一0嵌4亠)0Cd,mmf/%圖2-1總孔容隨煤級(jí)的變化Cd,mmf/%圖2-2比表面積隨煤級(jí)的變化(據(jù)Levine,1992)第3章煤吸附氣體的固氣作用機(jī)理初探 第3章煤吸附氣體的固氣作用機(jī)理初探煤儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的吸附性，這是其與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層之間的根本區(qū)別，煤層氣主要是以物理吸附的方式儲(chǔ)存在煤基質(zhì)表面和孔隙內(nèi)表面，另有極少量的氣體以游離態(tài)存在于較大的孔隙或裂隙網(wǎng)絡(luò)中向。3.1煤吸附氣體的表面物理本質(zhì)及過(guò)程吸附作用表示物質(zhì)表面的氣體或者

17、液體分子聚集的現(xiàn)象，它屬于一種傳質(zhì)過(guò)程，物質(zhì)內(nèi)部分子和周?chē)肿佑谢ハ辔囊?，但物質(zhì)表面分子相對(duì)物質(zhì)外部的作用力沒(méi)有充分發(fā)揮，所以液體或者固體物質(zhì)表面可以吸附其他的液體或者氣體，尤其是表面積很大的物質(zhì)。吸附過(guò)程有兩種，第一種是物理吸附，吸附過(guò)程中物質(zhì)不會(huì)改變?cè)行再|(zhì),吸附能小，被吸附的物質(zhì)很容易再解吸，例如對(duì)煤中吸附的氣體升溫，即可以將被吸附的氣體驅(qū)逐出煤孔隙壁表面；第二種為化學(xué)吸附，吸附過(guò)程中會(huì)改變?cè)瓉?lái)物質(zhì)的性質(zhì)，除存在引力外，還存在化學(xué)鍵，吸附能較大。對(duì)于煤層氣來(lái)說(shuō)，其主要以物理吸附方式存在于煤儲(chǔ)層中。3.2朗格繆爾（Xngmuir）單分子層吸附模型討論朗格繆爾模型建立于1916年，他有

18、四個(gè)基本假設(shè)：固體表面具有吸附能力是因?yàn)楸砻嬖恿?chǎng)欠飽和，但是氣體分子只有碰撞到尚未被吸附的空白表面時(shí)才能被吸附，當(dāng)固體表面排滿(mǎn)一層分子之后，這種力場(chǎng)會(huì)達(dá)到飽和，因此吸附是單分子層的；固體表面是均勻的，各處的吸附能力相同，吸附熱不隨覆蓋度變化，是一個(gè)常數(shù)；已被吸附的分子，當(dāng)其熱動(dòng)能足以克服吸附劑引力場(chǎng)位壘時(shí)，乂會(huì)重新回到氣相，再回到氣相的機(jī)會(huì)不受臨近其他吸附分子的影響，即被吸附分子之間無(wú)作用力，吸附與解吸是一對(duì)可逆的過(guò)程；吸附平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，吸附的同時(shí)解吸也在進(jìn)行，即使吸附達(dá)到平衡，也只是吸附速度等于解吸速度而己叭朗格繆爾吸附等溫方程表述為:VbP0=vm1+bP或者VmbPabPVLP

19、1+bP1+bPP+Pl式中：e一一煤孔隙表面被氣體分子覆蓋的百分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為覆蓋度；V”，a一一煤孔隙表面覆蓋滿(mǎn)單分子層時(shí)的吸附量，即最大吸附量；VL一一朗格繆爾體積；b一一吸附系數(shù)，是溫度和吸附熱的函數(shù)；V一一氣體壓力為p時(shí)的吸附量；Pl一一朗格繆爾壓力（等于l/b）o溫度升高，b值減小或戌值增大，故吸附量隨溫度的升高而降低。朗格繆爾方程能夠很好地描述像煤一樣的微孔吸附劑對(duì)氣體的吸附。當(dāng)壓力非常小時(shí)可以演化為：V二VmbP,由此可見(jiàn)，低壓下吸附量與氣體壓力成簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。在壓力非常大時(shí)，吸附氣兒乎充滿(mǎn)所有的微孔隙，吸附量達(dá)到最大值，該值即吸附常數(shù)Vm。當(dāng)前，朗格繆爾吸附模型在煤層氣吸附研究及

20、勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用很普遍。很多人對(duì)Langmuir吸附模型的適應(yīng)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為:不同煤巖類(lèi)型中，鏡煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果最符Langmuir等溫吸附曲線(xiàn)，而不同煤級(jí)煤中，高煤級(jí)煤和中、低煤級(jí)煤相比，Langmuir方程的擬合程度較高3.3等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)儀器:美國(guó)TerraTek公司生產(chǎn)的IS-100型等溫吸附解吸儀。實(shí)驗(yàn)原理:釆用體積法，Langmuir單分子層吸附模型，用Langmuir方程擬合等溫吸附曲線(xiàn)以得到相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)溫度為25C；干燥煤樣、平衡水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)最大初始?jí)毫?2MPa,注水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)的最大初始?jí)毫?12MPa；實(shí)驗(yàn)氣體為純度99.99%

21、的甲烷氣體。樣品的制備與原理：樣品的選擇：等溫吸附實(shí)驗(yàn)的樣品既可以是巖屑，也可用巖心。巖屑樣品的缺點(diǎn)是不能確切知道其原始深度，其結(jié)果是所選樣品可能不代表整個(gè)生產(chǎn)層段的儲(chǔ)層性質(zhì)。通常是根據(jù)深度和灰分含量來(lái)選擇樣品，為了使非煤物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響減至最小程度，盡可能選擇灰分含量少的樣品；樣品的制備：用不同煤層或者不同灰分含量的煤制成合乎要求的平均樣品;如果灰分高于要求，可采用沉浮比重分離方法從部分破碎煤樣中除去。對(duì)非煤物質(zhì)，這種比重分離可選用比重合乎要求的聚氯乙烯(1.6g/cm,25C)、二澳甲烷(2.48g/cm3,25C)混合液，釆用頂部浮選煤樣的方法來(lái)完成。工業(yè)分析：將樣品破碎，進(jìn)行篩分分

22、析，確定樣品的粒徑分布。平衡水分含量的確定：首先將樣品稱(chēng)重，精確到0.2mg,把預(yù)濕煤樣或干燥煤樣放進(jìn)裝有過(guò)飽和氐S0,溶液的真空干燥器中，該溶液可以使相對(duì)濕度保持在96%-97%o干燥器內(nèi)真空度為30mm汞柱，并浸在30C水浴內(nèi)或?qū)α骱嫦渲蟹胖?8h,然后把樣品拿出，再稱(chēng)重。水分含量用1減去干煤重與平衡煤重的比值來(lái)確定氣體吸附容量測(cè)定過(guò)程：校準(zhǔn)儀器，確定實(shí)驗(yàn)缸的容積；基準(zhǔn)缸充氣的壓力要大于現(xiàn)時(shí)等溫階段實(shí)驗(yàn)缸要求的最終壓力；打開(kāi)基準(zhǔn)缸和實(shí)驗(yàn)缸之間的閥門(mén)，讓兩者壓力相等，然后再關(guān)閉閥門(mén)；實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)缸的壓力，以確定現(xiàn)階段在什么時(shí)候達(dá)到壓力穩(wěn)定，也就是達(dá)到吸附或者脫附平衡；重復(fù)階段2到階段4,當(dāng)達(dá)

23、到實(shí)驗(yàn)最終壓力時(shí)可以停止。實(shí)驗(yàn)可以得到煤的等溫吸附曲線(xiàn)。如圖3-1,圖3-2。對(duì)同一煤級(jí)不同粒度的煤做了干燥樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)可以得到數(shù)據(jù)，如表3-1o對(duì)比表中不同粒級(jí)的干燥煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種粒級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的朗格繆爾體積差別不是很大，可以認(rèn)為，樣品粒級(jí)對(duì)等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果的Langmuir體積基本沒(méi)有影響，這為增大實(shí)驗(yàn)樣品的粒度和結(jié)果的可比性提供了依據(jù)。表3不同粒度煤的實(shí)驗(yàn)參數(shù)比較粒度（mm）朗格繆爾體積Vl（m3/t）朗格繆爾壓力Pl（MPa）平衡水灰分10532.210.333.3S%5.64%S231.210.383.29%6.74%2131.210.323.2S%6.74%105

24、31.210.103.29%6.74%0.50.331.210.253.29%6.74%0.30.128.380.023.19%7.84%（初始?jí)毫?2MPa,平衡壓力為lOMPa,實(shí)驗(yàn)溫度為25C）圧力（MPa）壓力(MPa)圖31煤吸附甲烷的等溫吸附曲線(xiàn)（干燥樣，粒度l-Zinm，試驗(yàn)溫度25C）圖3-2煤吸附甲烷的等溫吸附曲線(xiàn)圖（干燥樣，粒度O.3-O.5mm,試驗(yàn)溫度250但是，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的Langmuir壓力，可以發(fā)現(xiàn)，粒度在1mm-10mm之間時(shí),Langmuir壓力差別比較?。?mm-10mm的Langmuir壓力比1mm-5mm的還要?。?dāng)粒度lmm時(shí)，Langmu

25、ir壓力的差別比較大。所以在進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，制備煤樣時(shí)，要選用合適的粒度。通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以知道，為了盡量減小粒度對(duì)Langmuir圧力的影響，應(yīng)該選擇5mm-10mm粒度級(jí)的煤樣。第4章液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響 第4章液態(tài)水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響4.1平衡水樣、注水樣實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)樣品取自沁水盆地的無(wú)煙煤，對(duì)于同一煤樣，我們將其分成了若干份,做不同的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)不同粒度的煤，我們均對(duì)其干燥煤樣、平衡水樣和注水樣進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)樣品特征：宏觀煤巖組分主要是亮煤，含有少量鏡煤線(xiàn)理，剔除了一條暗煤條帶，沒(méi)有見(jiàn)到絲碳層；顯微煤巖組分含量組成如下圖4-1。鏡質(zhì)組86%悟質(zhì)組9%殼質(zhì)

26、組1%礦物質(zhì)4%圖4-1樣品顯微煤巖組分含量表注水實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程：實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備：為本次實(shí)驗(yàn)所加工的各種用品。破碎煤：將煤樣破碎至厘米級(jí)，分為8份：1份(CZ8)作為備用，其余7份分別破碎至：10mm5mm(CZ1)、(CZ2)、(CZ3)、1mm0.5mm(CZ4)0.5mm0.3mm(CZ5)、0.3mm0.lmm(CZ6)、0.1mm(CZ7)o將CZ1-CZ7進(jìn)一步各分為6份，1份制備為干燥煤樣，1份制備為平衡水樣，4份制備為注水煤樣，每份質(zhì)量要大于100g。對(duì)干燥煤樣，平衡水煤樣，注水煤樣分別釆取下述操作。烘干：將煤樣置入105C恒溫的干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干24小時(shí)，使煤樣充分干燥并稱(chēng)重，得

27、ml。抽真空:對(duì)每個(gè)煤樣用真空泵進(jìn)行抽真空，每次抽真空的時(shí)間均為8小時(shí)，以保證所有煤樣的真空度相同。大氣壓注水：將抽真空后的煤樣直接放入到蒸懈水（為保證實(shí)驗(yàn)的可比性,蒸鎘水均為同樣方法制取）中，用大氣壓進(jìn)行注水，每次放入蒸係水的時(shí)間均為15小時(shí)，稱(chēng)重，得大氣壓下注水量m2。加壓注水：在伺服儀（電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，MTS815.02）上用不同的壓力（8MPa、12MPa、16MPa和20MPa）對(duì)煤樣進(jìn)行注水，注水時(shí)間均控制在3小時(shí)。稱(chēng)重后可以得到此時(shí)的注水量m3。將從伺服儀上拿回的煤樣裝入IS-100型等溫吸附解吸儀進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)。下表是在實(shí)驗(yàn)溫度為25C、初始?jí)毫?2MPa、平衡壓

28、力為lOMPa的條件下，分別對(duì)粒度為5mm10mm的干燥樣、平衡水樣和水壓為8MPa、12MPa、16MPa和20MPa的注水樣所做的等溫吸附實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)。從表4-1中我們可以看出，在三種煤樣中：1、干燥樣的最大飽和吸附量大于平衡水樣和注水樣；2、注水煤樣的最大飽和吸附量要大于平衡水煤樣；3、對(duì)于注水樣，不同壓力下的最大飽和吸附量各不相同。4、水壓16MPa時(shí)的最大飽和吸附量在四種水壓下是最大的，然后依次為8MPa20MPa12MPa。表4-2煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)成果表樣品朗格繆爾體積Vl（m3/t）朗格繆爾壓力Pl（MPa）平衡水干燥煤樣33.080.33-平衡水樣25.001.875.47%

29、注水樣水壓SMPa34.103.4911.14%水壓12MPa30.732.649.72%水壓16MPa34.893.8613.02%水壓20MPa31.652.7112.17%（等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，初始?jí)毫?2MPa,平衡壓力為lOMPa；煤樣粒度為5mmlDmm；實(shí)驗(yàn)溫度為25C）對(duì)注水煤樣、平衡水煤樣、干燥煤樣的等溫吸附曲線(xiàn)進(jìn)行比較（如圖4-1）,在壓力5MPa時(shí)，注水煤樣的等溫吸附曲線(xiàn)和平衡水煤樣的比較接近，吸附量大體相當(dāng)，但是明顯低于干燥煤樣；壓力在515MPa時(shí)，注水煤樣的等溫吸附線(xiàn)和平衡水煤樣開(kāi)始顯著分離，注水煤樣的吸附量大于平衡水煤樣，小于干燥煤樣;在壓力15MPa時(shí)，注水煤樣的

30、等溫吸附線(xiàn)逐漸逼近并超越干燥煤樣，最終飽和吸附。干燥煤樣大約在6MPa時(shí)達(dá)到最大飽和吸附量，平衡水煤樣約在1OMPa時(shí)接近最大飽和吸附量，而注水煤樣會(huì)在30MPa時(shí)左右到達(dá)最大飽和吸附量。三種煤樣的等溫吸附曲線(xiàn)在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度方面，干燥煤樣的最差，注水煤樣的最好，而平衡水煤樣的等溫吸附曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合介于兩者之間。(E)矣拴荃蘭圖4-2注水煤樣、平衡水煤樣、干燥煤樣等溫吸附曲線(xiàn)（粒度25*04.2水分對(duì)煤儲(chǔ)層吸附的影響傳統(tǒng)理論認(rèn)為，水分對(duì)煤的吸附能力起抑制作用，這是因?yàn)榕c甲烷相比，水分子具有極性，煤會(huì)優(yōu)先吸附水分子，占據(jù)了甲烷的有效吸附位，從而使甲烷飽和吸附量減少。但是，當(dāng)煤中的水分超過(guò)

31、臨界水分，氣態(tài)水分飽和而出現(xiàn)液態(tài)水后，水分的增加對(duì)甲烷的吸附量不會(huì)有影響，也就是說(shuō)液態(tài)水對(duì)煤吸附能力不會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于水分對(duì)煤吸附能力的影響中，前人結(jié)論成立的實(shí)驗(yàn)條件和現(xiàn)實(shí)煤儲(chǔ)層的地層條件有很大的不同：實(shí)驗(yàn)條件下，煤基質(zhì)里的水分是干燥煤樣在常溫常壓下吸附氣態(tài)水或者浸入液態(tài)水而得到的，但是因?yàn)槭艿娇紫督缑鎻埩Φ淖饔?，液態(tài)水只能夠讓煤的外表面以及煤中的一部分比較大的孔隙得到潤(rùn)濕，而煤的外表面和比較大的孔隙表面對(duì)煤吸附甲烷能力的影響很小，對(duì)甲烷吸附能力影響較大的是孔徑比較小的孔隙，所以當(dāng)液態(tài)水在實(shí)驗(yàn)條件下，無(wú)法進(jìn)入孔徑比較小的吸附孔隙時(shí)，液態(tài)水就不會(huì)對(duì)煤吸附氣體產(chǎn)生較大影響；相對(duì)實(shí)驗(yàn)條件，現(xiàn)實(shí)煤儲(chǔ)層

32、的地層條件下，煤儲(chǔ)層的壓力和溫度完全可以使得液態(tài)水進(jìn)入孔徑很小的吸附孔隙中，這樣被潤(rùn)濕的孔徑較小的孔隙就會(huì)加強(qiáng)了對(duì)甲烷的吸附能力。4.3固液氣相間作用的物理化學(xué)本質(zhì)煤大分子有機(jī)質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元是由苯環(huán)組成的芳香核，第二級(jí)結(jié)構(gòu)成分是煤大分子間的橋鍵和交聯(lián)鍵，第三級(jí)結(jié)構(gòu)成分則是芳香核周?chē)罅康脑踊鶊F(tuán)，這些原子基團(tuán)中既有堿性的，乂有酸性的。除了上述之外，煤的有機(jī)結(jié)構(gòu)中還存在著由0、N、S雜質(zhì)原子形成的各種官能團(tuán)。煤有機(jī)大分子的原子基團(tuán)和各種官能團(tuán)中很多是極性的問(wèn)。當(dāng)甲烷分子和氣態(tài)水分子在煤基質(zhì)的表面競(jìng)爭(zhēng)吸附時(shí),由于水分子的極性，水分子與煤分子間的吸附力（范徳華力）以Keeson力為主，而煤層氣的主

33、要組分是甲烷、氮?dú)?、二氧化碳，它們的分子結(jié)構(gòu)是空間對(duì)稱(chēng)或者線(xiàn)形對(duì)稱(chēng)，是沒(méi)有極性的，這就使得煤分子與氣體分子間的吸附力主要是London力和Debye力。因?yàn)長(zhǎng)ondon力和Debye力要比Keeson力弱很多，所以氣態(tài)水分子與煤層氣分子在煤基質(zhì)表面競(jìng)爭(zhēng)吸附時(shí)粗在明顯的優(yōu)勢(shì)對(duì)于注水煤樣而言，在外力作用下，液態(tài)水進(jìn)入煤孔隙時(shí)，水會(huì)克服界面張力使煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面被潤(rùn)濕，形成水膜，這使得煤分子和第一層水分子間存在強(qiáng)的Keeson力，會(huì)形成連續(xù)的水分子吸附層。這樣，煤分子對(duì)第二層水分子的吸附力會(huì)同時(shí)受到第一層和第二層水分子之間氫鍵的反方向作用，使得煤分子對(duì)第二層水分子的吸附力顯著變小，煤分子對(duì)外層水分子

34、的吸附力就會(huì)變得越來(lái)越弱。這時(shí)，由于甲烷分子不具有極性，溶解和擴(kuò)散在液態(tài)水中的甲烷分子和煤分子間的吸附力與甲烷分子與第一層水分子之間的作用力方向相同，使得第一層水分子表面的吸附位可供甲烷分子使用，而基本上不能吸附水分子。煤基質(zhì)潤(rùn)濕表面會(huì)對(duì)甲烷分子的吸附能力增強(qiáng)，對(duì)自由水分子的吸附能力降低，這就導(dǎo)致了注水煤樣吸附氣體能力比平衡水煤樣要高。尤其是當(dāng)氣體壓力比較大的時(shí)候，氣體在水里的溶解度以及擴(kuò)散速度會(huì)增大，注水煤樣對(duì)氣體的吸附也會(huì)得到增強(qiáng)。注水煤樣與干燥煤樣相比，吸附能力增大，而吸附位置不會(huì)明顯減小，使得注水煤樣的Langmuir體積與干燥煤樣相當(dāng)或者略高，當(dāng)氣體壓力比較低時(shí)，氣體在水中的溶解和擴(kuò)

35、散相對(duì)就會(huì)很弱，干燥煤樣會(huì)比注水煤樣吸附氣體量要高一些。所以，注水煤樣對(duì)甲烷吸附能力增強(qiáng)，主要就是因?yàn)槊夯|(zhì)潤(rùn)濕表面對(duì)甲烷分子的吸附能力變強(qiáng)了。 第5章結(jié)論與問(wèn)題討論第5章結(jié)論與問(wèn)題討論5.1結(jié)論通過(guò)對(duì)干燥煤樣、平衡水煤樣、注水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)的對(duì)比和研究，我們可以得到以下結(jié)論：（1）注水煤樣吸附氣體能力強(qiáng)的主要原因是因?yàn)闈?rùn)濕煤基質(zhì)的吸附力會(huì)增大；（2）在現(xiàn)實(shí)儲(chǔ)層條件下，液態(tài)水對(duì)煤基質(zhì)吸附氣體的能力會(huì)有明顯的影響，可以使煤基質(zhì)吸附氣體的能力得到加強(qiáng)，等溫吸附規(guī)律會(huì)更符合朗格繆爾模型；（3）在模擬儲(chǔ)層條件下，注水煤樣、平衡水煤樣、干燥煤樣三者的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異：注水煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于平

36、衡水煤樣、干燥煤樣能更好的反映實(shí)際情況。在模擬儲(chǔ)層條件下，采用注水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法比平衡水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法更好，在以后可以取代平衡水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)。5.2問(wèn)題討論煤儲(chǔ)層能夠吸附氣體是煤儲(chǔ)層的基本特征之一。根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)行含氣量的預(yù)測(cè)、含氣飽和度計(jì)算、臨界解析壓力的估算、用于儲(chǔ)層模擬和煤層井產(chǎn)能預(yù)測(cè)、評(píng)估煤層氣釆收率等。通過(guò)注水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，我們可以知道，液態(tài)水能夠顯著影響煤儲(chǔ)層對(duì)氣體的吸附能力。模擬儲(chǔ)層條件下，注水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果比平衡水煤樣、干燥煤樣更加接近于實(shí)際情況。與目前普遍釆用的平衡水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法相比，注水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)煤層氣

37、資源評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)仍然存在影響：（1）儲(chǔ)層壓力25Mpa時(shí)，對(duì)于含氣飽和度的計(jì)算會(huì)低一些、煤層含氣量的預(yù)測(cè)會(huì)高一些、臨界解吸壓力的估算要低、煤層井產(chǎn)能要高、生產(chǎn)高峰會(huì)來(lái)的要晚、對(duì)煤層氣采收率評(píng)估要高；（2）儲(chǔ)層壓力5Mpa時(shí)，兩者的差別不太明顯。在5Mpa時(shí)，注水煤樣和平衡水煤樣的等溫吸附曲線(xiàn)開(kāi)始分離，對(duì)于不同地區(qū)或者不同煤層樣品來(lái)說(shuō)，可能會(huì)在不同的壓力發(fā)生分離。隨著氣體壓力的增大,平衡水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果和等溫吸附曲線(xiàn)與實(shí)際情況會(huì)差別變大，由此會(huì)帶來(lái)煤層氣資源評(píng)價(jià)工作的偏差。所以，開(kāi)展模擬煤儲(chǔ)層條件下，注水煤樣等溫吸第5章結(jié)論與問(wèn)題討論附實(shí)驗(yàn)是解決問(wèn)題的重要途徑之一。第5章中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)論文結(jié)束語(yǔ)及致謝時(shí)光荏苒，歲月如梭，驀然回首，己經(jīng)到了大學(xué)四年的尾聲。四年的大學(xué)生活中既有快樂(lè)也有艱辛，說(shuō)長(zhǎng)不長(zhǎng)，說(shuō)短不短，但它給我的影響卻不能用時(shí)間來(lái)衡量，這四年以來(lái)，我所經(jīng)歷過(guò)的事和人，都將是我美好記憶中的一部分。馬上就要離開(kāi)學(xué)校踏上工作崗位了，這將是我人生歷程的乂一個(gè)起點(diǎn)。在這里我要感謝我的父母，是