吸附–解吸状态下煤层气运移机制_刘永茜.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean UtilizationChina Coal Research Institute, Beijing 100013, China Abstract The migration law of coalbed methaneCBM with adsorption has always been the focus of attention in the field of coalbed methane geology. In order to study the mechanism of CBM migration under adsorp- tion-desorption state, the deduction of gas adsorption-desorption equation and theoretical analysis of gas diffu- sion-seepage in porous media were carried out, and new viewpoints were put forward by means of experimental analysis of CBM migration. The results identified that 1 for the CBM migration, pore structure of coal body has the storage-resistance effect, the dual functions of gas storage and gas pressure drop the basic feature of coal matrix, 2 adsorption reaction time, adsorption rate, growth rate, adsorption equilibrium time and the maximum adsorption capacity are 4 key inds of the different gases, 3 diffusion and seepage coexist in the process of CBM migration. When the gas pressure in fracture and macropore is higher than that in medium-micropore system, the gas migration velocity is dominated by seepage, otherwise diffusion is dominant. Keywords the migration mechanism of CBM; adsorption and desorption; capacitive resistance effect; dynamic adsorp- tion; binary medium; molecular polarity 煤层气是煤的伴生物质，二者共生共储。而作 为典型多孔介质，煤体对煤层气具有吸附和解吸功 能[1]。煤与煤层气之间特殊赋存关系不但给煤矿瓦 斯治理带来了技术难题，而且严重制约煤层气资源 高效开发。 研究吸附–解吸条件下的煤层气运移规律 对于服务煤矿安全生产和资源高效利用具有重要的 工程意义。 R. M. Barrer[2]最早基于天然沸石对气体的吸附 作用，开展了带吸附作用的气体运移规律的研究。 大量实验数据表明[1,3]，煤层气主要以吸附形态赋存 于煤基质表面，M. Mastalerz 等[4]、S. Swanson 等[5] 通过实验分析认为，煤中孔隙主要由微孔和中孔组 ChaoXing 第 4 期 刘永茜等 吸附–解吸状态下煤层气运移机制 13 成，微孔为煤层气吸附提供的空间比例最高，并决 定其吸附气体的能力；马东民等[6]、刘永茜等[7]、 N. Skoczylas 等[8]等通过气体等温吸附/解吸实验及 煤岩煤质分析实验，认为煤体吸附甲烷能力与煤体 性质和孔隙结构有关。关于煤体性质变质程度和 孔隙结构对吸附态的煤层气运移影响，琚宜文等[9]、 姜波等[10]开展了微纳结构孔隙的吸附–解吸和渗流 实验，明确了微孔对气体吸附的贡献，指出了解吸 过程中煤层裂隙密度和尺度对解吸率的影响。 煤变质程度和孔隙结构综合影响其对甲烷的吸 附–解吸能力，而孔隙裂隙中的煤层气运移方式也 是学术界争论的焦点之一。秦跃平等[11]通过实验和 数值模拟分析指出，煤体内煤层气运移符合 Darcy 定律；张志刚等[12]提出了煤层气渗流非线性模型， 在一定程度上验证 Fick 定律的适用性； 魏建平等[13] 指出，煤体内部煤层气运移的适用条件需结合气体 通道尺度，裂隙通道内气体运移适合 Darcy 定律， 而在微尺度孔隙裂隙内的气体运移、扩散有多种形 式，因此，煤层气运移是扩散与渗流的联合作用。 实验统计发现[6,8-10]，不同气体在煤体中的吸附量差 异显著，为描述不同气体分子结构和极性大小对煤 层气运移的影响，文献[14]给出了气体动态扩散系 数和表面浓度流动系数两个关键表征参数，这最终 可以通过实验的方法进行数据拟合获得。基于气体 扩散的质量守恒， 考虑气体运移过程中扩散–渗流的 联合作用，笔者建立了含有吸附压力速度增项的气 体运移控制方程， 以此描述煤体内煤层气运移规律； 结合气体运移实验，研究准静压和动压条件下气体 在吸附与解吸过程中的差异，这对研究煤层气抽采 和煤层气资源开发具有一定的理论指导价值。 1 吸附–解吸动力作用下的煤层气运移 1.1 解吸动力学方程 煤层气吸附–解吸是一个动态平衡作用过程， 设 定在一定比表面积下煤层气吸附–解吸可逆， 且在一 定压力下有饱和吸附体积，煤中煤层气吸附体积与 吸附时间满足一定函数关系[15]，且气体吸附速率随 着吸附体积的增大而降低，在任意状态下，吸附速 率满足 1 a a d 1 d pp VV Kp tV      1 式中 Vp为压力 p 时煤中煤层气吸附体积；t 为吸 附或解吸时间；K1为吸附速率常数；Va为饱和吸 附体积。 解吸与吸附同步，在任意压力变化条件下，二 者此消彼长， 最终达到动态平衡， 解吸速率可描述为 2 a d d d pp VV K tV       2 式中 K2为解吸速率常数。联合式1和式2得到描 述吸附–解吸表达式 12 aa d 1 d ppp VVV KpK tVV      3 设定在任意压力 p 下达到平衡，利用初始条件 t0，Vp0，对式3积分得到   1 a12 12a 1exp p K V pK pK Vtt K pKV      4 当 t→∞时，式4可以简化为   12a 12 / /1 p KKV p V KKp    5 如果令 a Va   ， 12 /KKb，式5可表示为 Langmuir 形式 1 p abp V bp   6 高压吸附饱和以后， 吸附速率和解吸速率相近， 则 b≈1，aVp，则高压平衡下的 Langmuir 方程对于 气体吸附和解吸同时适用。 1.2 吸附动力作用下煤层气扩散 在双重介质中研究一维方向的煤层气运移，需 要分析孔隙和裂隙之间煤层气运移模式差异[15]。 Langmuir 方程描述的是特定压力或含量条件下的吸 附能力， 考虑到扩散过程中吸附压力增长率的影响， 在式6的左端增加关于压力的增速项。设定煤体的 孔隙率为 φ， 实体颗粒占据的体积为 1–φ， 而与之对 应的吸附面积为1–φS，则单位体积内的有效吸附 体积为1–φS/φ， 将有效吸附体积对时间求导就得到 吸附量增长率，则式6就转化为 2 s 2 1 p V ppp DvS xttx       7 式中 D 为气体表面扩散系数；S 为吸附表面积；vs 为气体流动速度。 结合式6和式7关于压力和时间求导可得  2 s 22 1 1 1 ppSabp Dv xtx bp          8 式8为二阶变系数偏微分方程，是煤层气解吸 –扩散计算依据。在不同的压力梯度条件下，左端 两项的权重有差异。当 D0，描述的是忽略扩散作 用条件；而当 vs0，式8描述的是淡化渗流作用； 在极端条件下，如果 b→0，则 K1 He；而 CO2流速最低的原因，可能是气体吸附体 积最大导致基质膨胀变形量显著， 从而降低了煤体 渗透率。 与岩石不同，煤体的吸附特性决定了其孔隙– 裂隙系统在气体交换过程中交换系数 ξ 较小，甚至 ξ0.5，这也是与常规天然气渗流量差异原因之一。 影响双重介质中气体交换的重要条件是两个系统本 身的结构特性，其中系统之间的连通性尤为重要， 气体运移过程中煤体结构的“容阻效应”正是孔隙– 裂隙系统功能的映射微孔和非连通型微裂隙是吸 附和容储气体的主要载体电容功能，而连通型大– 中孔隙和裂隙是气体渗流阻力通道电阻功能。 本实验中统计的吸附流速增加量和解吸扩散流 速变化量受实验系统和仪表测试精度的影响，部分 数据可能存在时滞误差，如 He 阀门关闭、CH4阀门 开启形成气体交替置换过程中，吸附开始的响应时 间、 最大吸附速率与累计吸附体积的时间同步性等。 与此雷同， 在关闭高压气体进行气体解吸–扩散速率 计量时，同样面临系统响应时间与流速变化的精准 对应等技术难题。总体而言，本实验数据解释了一 维条件下吸附动力学现象，验证了吸附气体动力学 理论，但对于深入剖析复杂的煤层气运移机制，需 要更多的数据样本。 6 结 论 a. 煤体内气体运移能力主要受煤体的孔隙–裂 隙结构控制，其次受气体本身的分子结构和极性特 性影响，煤体中气体运移速率由气体扩散速率和渗 流速率两部分组成；与密闭空间内的气体吸附实验 相比，动压作用下的气体吸附量下降、吸附平衡时 间缩短。 b. 对于煤层气运移，煤体结构具备“容”“阻”二 重特性，与电路元件类似，由一个电容和一个电阻 并联组成的通路构成了煤体的基本单元；在煤层气 运移过程中，煤体中微孔和非连通型微裂隙是吸附 和封存气体的主要载体电容功能，而连通型大–中 孔隙和微裂隙是气体渗流阻力通道电阻功能。 c. 气体运移过程中的吸附特性差异体现在吸 附响应时间、吸附速率增长率、吸附平衡时间和最 大吸附体积等4项指标； 相同条件下CO2气体较CH4 气体吸附速率大、吸附周期长、解吸效率低，这是 气体分子极性差异的宏观表现。 d. 煤层气运移速率，除了受煤岩组分和孔隙结 构影响外，还受控于煤层气压力梯度和煤层气赋存 状态 当裂隙及大孔内煤层气压力较中–微孔隙系统 煤层气压力高时，煤层气运移速率以渗流为主，否 则以扩散为主。 参考文献 [1] 张子敏. 瓦斯地质学[M]. 徐州中国矿业大学出版社，2009. [2] BARRER R M. Diffusion in and through solid[M]. Cambridge Cambridge University Press，1951. [3] 孟召平，刘珊珊，王保玉，等. 不同煤体结构煤的吸附性能及 其孔隙结构特征[J]. 煤炭学报，2015，4081865–1870. MENG Zhaoping，LIU Shanshan，WANG Baoyu，et al. Ad- sorption capacity and its pore structure of coals with different coal body structure[J]. Journal of China Coal Society，2015， 4081865–1870. [4] MASTALERZ M，DROBNIAK A，STRAPOC D，et al. Variations in pore characteristics in high volatile bituminous coalsImplications for coalbed gas content[J]. International Journal of Coal Geology，2008，76205–216. [5] SWANSON S，MASTALERZ M D，ENGLE M，et al. Pore characteristics of Wilcox Group Coal，U.S. Gulf Coast Region Implications for the occurrence of coalbed gas[J]. International Journal of Coal Geology，2015，13980–94. [6] 马东民，李来新，李小平，等. 大佛寺井田 4 号煤 CH4与 CO2 吸附解吸实验比较[J]. 煤炭学报，2014，3991938–1944. MA Dongmin，LI Laixin，LI Xiaoping，et al. Contrastive ex- periment of adsorption-desorption between CH4 and CO2 in coal seam 4 of Dafosi coal mine[J]. Journal of China Coal Society， 2014，3991938–1944. [7] 刘永茜，张浪，李浩荡，等．含水率对煤层气渗流的影响[J]. 煤炭学报，2014，3991840–1844. LIU Yongqian，ZHANG Lang，LI Haodang，et al．Effect of moisture content on CBM seepage[J]. Journal of China Coal So- ciety，2014，3991840–1844． [8] SKOCZYLAS N，DUTKA B，SOBCZYK J. Mechanical and gaseous properties of coal briquettes in terms of outburst risk[J]. Fuel，2014，13445–52. [9] 琚宜文， 林红， 李小诗， 等. 煤岩构造变形与动力变质作用[J]. 地学前缘，2009，161158–166. JU Yiwen，LIN Hong，LI Xiaoshi，et al. Tectonic deation and dynamic metamorphism of coal[J]. Earth Science Frontiers， 2009，161158–166. [10] 姜波，琚宜文. 构造煤结构及其储层物性特征[J]. 天然气工 业，2004，24527–29. JIANG Bo，JU Yiwen. Tectonic coal structure and its petro- physical features[J]. Natural Gas Industry，2004，24527–29. [11] 赟秦跃平，王健，郑，等. 煤粒瓦斯变压吸附数学模型及数值 ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 47 卷 解算[J]. 煤炭学报，2017，424923–928. QIN Yueping， WANG Jian， ZHENG Yun， et al. Coal particle gas adsorption mathematical model and numerical solution under variable pressures[J]. Journal of China Coal Society，2017， 424923–928. [12] 张志刚， 程波. 含瓦斯煤体非线性渗流模型[J]. 中国矿业大学 学报，2015，443453–459. ZHANG Zhigang，CHENG Bo. Study of a nonlinear seepage model of coal containing gas[J]. Journal of China University of Mining Technology，2015，443453–459. [13] 魏建平，王洪磊，王登科，等. 考虑渗流–扩散的煤层瓦斯流 动修正模型[J]. 中国矿业大学学报，2016，455873–878. WEI Jianping，WANG Honglei，WANG Dengke，et al. An improved model of gas flow in coal based on the effect of pene- tration and diffusion[J]. Journal of China University of Mining ＆Technology，2016，455873–878. [14] 刘永茜， 张玉贵， 张浪. 煤层瓦斯运移机制的关键参数表征[J]. 岩石力学与工程学报，2017，3651145–1151. LIU Yongqian，ZHANG Yugui，ZHANG Lang. Key parameters for gas migration mechanism in coal seam[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，3651145–1151. [15] KING G R. Numerical simulation of the simultaneous flow of methane and water through dual porosity coal seams during the degasification process[D]. PennsylvaniaThe Pennsylvania State University，1985. [16] BOYER C M. Methane modeling-predicting the inflow of meth- ane gas into coal mines[R]. Final Report，DOE Contract Number DE–AC22–80PC30123，1982. [17] 张东明，齐消寒，宋润权，等. 采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流 动的耦合机理[J]. 煤炭学报，2015，404774–780. ZHANG Dongming ， QI Xiaohan ， SONG Runquan ， et al．Coupling mechanism of rock mass stress and gas flow in coal mining fissures[J]. Journal of China Coal Society，2015，404 774–780. [18] 尹光志，黄启翔，张东明，等. 地应力场中含瓦斯煤岩变形破 坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学 报，2010，292 336–343. YIN Guangzhi，HUANG Qixiang，ZHANG Dongming，et al. Test study of gas seepage characteristics of gas-bearing coal specimen during process of deation and failure in geo-stress field[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2010，292336–343. [19] 姜德义，袁曦，陈结，等. 吸附气体对突出煤渗流特性的影响[J]. 煤炭学报，2015，4092091–2096. JIANG Deyi， YUAN Xi， CHEN Jie， et al. Effect of adsorptional gases on permeability of outburst coal[J]. Journal of China Coal Society，2015，4092091–2096. [20] 周动，王辰，冯增朝，等. 煤吸附解吸甲烷细观结构变形试验 研究[J]. 煤炭学报，2016，4192238–2245. ZHOU Dong， WANG Chen， FENG Zengchao， et al. Experiment on the deation of the meso-structure of coal during the methane adsorption and desorption[J]. Journal of China Coal So- ciety，2016，4192238–2245. [21] 侯泉林，雒毅，韩雨贞，等. 煤的变形产气机理探讨[J]. 地质 通报，2014，335715–722. HOU Quanlin，LUO Yi，HAN Yuzhen，et al. Gas production mechanism in the process of coal tectonic deation[J]. Geo- logical Bulletin of China，2014，335715–722. 责任编辑 范章群 ChaoXing