煤層氣技術(shù)總結(jié)

1、傳統(tǒng)的煤層氣地質(zhì)學(xué)理論認(rèn)為，煤層氣有三種基本形式：游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)，三種狀態(tài)處在一個動態(tài)平衡過程中，其中以吸附狀態(tài)為主可占70～95%，游離狀態(tài)約占10～20%，溶解狀態(tài)極小。（1）游離狀態(tài)煤層氣以自由氣體狀態(tài)存在于煤的割理和其他裂隙孔隙中，可以自由運動，其動力是壓力。（2）溶解狀態(tài)煤層氣儲集大多是飽和水的，在一定的壓力條件下必定有一部分煤層氣要溶解于水中。（3）吸附狀態(tài)煤的內(nèi)表面上分子的吸附力，一部分指向煤的內(nèi)部，已達(dá)到飽

2、和；另一部分指向空間，沒有飽和，從而在煤的表面產(chǎn)生吸附場，吸附周圍的氣體分子。吸附是指一種組分或多種組分在相界面處的富集（正吸附）或貧化（負(fù)吸附）。被界面分開的兩相如果是氣相與固相，我們稱其為氣體固體吸附。吸附現(xiàn)象的發(fā)生是由于在相界面處異相分子之間的作用力與同相分子間的作用力不同，從而存在剩余的自由力場。根據(jù)氣固吸附理論，普遍公認(rèn)的事實是吸附相密度接近或超過飽和液體密度，在此基礎(chǔ)上建立了許多經(jīng)典的吸附平衡模型：（1）Langmuir方程

3、適用于無孔固體，用于描述單分子層吸附。（2）BET方程適用于無孔或含有中孔的固體，用于描述多分子層吸附。（3）DR（DA）方程DR（DA）方程是Polanyi吸附勢理論（吸附就是吸附分子掉進(jìn)固體表面勢場中的過程）的推導(dǎo)。適用于微孔固體，其基本理論為微孔容積填充理論。（4）Gibbs方程Gibbs方程是把被吸附氣體處理成二維的微觀流體，將經(jīng)典熱力學(xué)應(yīng)用于吸附平衡。（5）毛細(xì)管填充理論毛細(xì)管填充理論是基于熱力學(xué)Kelvin方程的分析模型，即

4、毛細(xì)凝聚所需壓力與孔的尺寸密切相關(guān)。目前的吸附理論主要有單分子層吸附理論、多分子層吸附理論、吸附勢理論等。藺金太、郭勇義、吳世躍等認(rèn)為煤巖中甲烷、二氧化碳和氮氣的吸附均為物理吸附但在煤層條件下的吸附形式不同甲烷和氮氣的吸附描述可用Langmuir吸附模型二氧化碳則要用B.E.T.吸附模型來表征。但是，各類研究對氣體分子與煤巖顆粒間的吸附作用力以及氣體在煤巖表面空間分布研究較少。研究表明，影響煤層氣含量的因素非常復(fù)雜。煤階（煤的微觀組分、

5、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)）是影響煤層氣含氣量的關(guān)鍵因素之一，同時灰分、水分、儲層溫度、壓力等因素的影響不可忽視。唐巨鵬，潘一山，李成全，董子賢在煤層氣吸附解吸實驗研究中發(fā)現(xiàn)加載過程中解吸量、解吸時間均與孔隙壓力呈拋物線關(guān)系變化。一般認(rèn)為，隨著溫度的減小、壓力的增大，煤對甲烷的吸附能力增強。煤層氣的吸附能力與煤基總孔容、總比表面積以及微孔的比表面積呈正相關(guān)關(guān)系，而與大孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系并不明顯，但這種影響關(guān)系因煤級的不同而具有一定的差異。解吸是

6、甲烷煤基吸附體系由于影響吸附解吸平衡的條件發(fā)生變化，吸附氣體轉(zhuǎn)化為游離態(tài)而脫離吸附體系，吸附解吸動態(tài)平衡體系中吸附量減少。煤層氣開采過程中，解吸作用主要通過壓力降低來實現(xiàn)。絕大部分煤層氣以物理吸附的形式賦存于煤的基質(zhì)孔隙中，當(dāng)煤儲層壓力降至臨界解吸壓力以下時，煤層氣即開始解吸，由吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)或溶解態(tài)。近些年來，國內(nèi)外對煤吸附多元混合氣體的研究增多，普遍認(rèn)為多元氣體吸附時，每種氣體不是獨立吸附的，之間存在著吸附位的競爭。辜敏、陳昌國

7、、鮮學(xué)福等在利用擴展Langmuir吸附模型模擬煤層氣注氣開采過程中的多組分氣體吸附方面進(jìn)行了探討認(rèn)為組分氣體間具有競爭吸附混合氣的吸附與組分含量密切相關(guān)。煤層氣組分的吸附能力由大到小依次為H2O、CO2、CH4、N2。吸附競爭力的強弱與吸附質(zhì)分子的極性有明顯的關(guān)系，吸附和解吸是可逆的，但由于煤樣中水分的作用，可能出現(xiàn)不可逆的現(xiàn)象。1、部分文獻(xiàn)認(rèn)為煤層氣吸附為物理吸附，部分認(rèn)為主要為物理吸附（百分之百還原）。初步懷疑部分殘余氣來源于化學(xué)

8、吸附（化學(xué)吸附變到物理吸附需要翻越能壘，化學(xué)吸附的氣體難以解吸），也有說是因為水。煤層氣吸附為物理吸附、化學(xué)吸附同時存在（張遂安老師《有關(guān)煤層氣開采過程中煤層氣吸附作用類型的探索》）。2、煤層氣吸附以多層吸附為主，厚度可達(dá)0.2um。目前廣泛用于煤層氣吸附的狀態(tài)方程為單分子吸附理論——蘭氏方程。在B.E.T方程中在較高壓力下（單分子層吸附理論適用性受局限），多分子層吸附存在的可能性更大。多層吸附為主為什么單分子層吸附理論在一定條件下廣泛

9、適用？3、吸附與解析不是可逆的過程。4、欠飽和、飽和、過飽和問題。煤不同位置的吸附能力不同。5、注入CO2的原理是：競爭吸附，用CO2置換甲烷6、注入氮氣的原理是：在等壓狀態(tài)下通過降低游離甲烷的分壓影響吸附曲線7、解吸過程中是因為何種原因而使分子受力改變進(jìn)而從煤基質(zhì)中脫離？煤層氣的吸附為物理吸附，吸附是可逆的。吸附的甲烷分子在界面上不斷的進(jìn)行吸附和脫吸附，當(dāng)吸附的量和脫附的量在統(tǒng)計學(xué)上（時間平均）相等時，或者經(jīng)過無限長時間也不變化時就叫