川南煤层甲烷解吸动力学影响因素实验研究_李相臣.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.四川省煤田地质局，四川成都610072 摘要为了系统研究煤层气（甲坑）解吸动力学的影响因素，选用川南地区的元烟煤，设计了不同压 力、温度、粒度和温度下的煤层气解吸动力学实验．采用高温高压煤层气吸附／解吸测试系统进行 实验，并拟合实验结果获得了不同条件下的扩散系数．研究表明压力和温度越高，甲坑解吸量 和解吸速率越大；粒度越大，甲炕解吸量和解吸速率越小；低于平衡水含量时，温度增大，甲炕 解吸量和解吸速率降低；甲坑扩散系数拟合结果揭示，扩散系数随压力增高而减小，随温度升高 而增大，随湿度增大而减小． 关键词煤层气；解吸；动力学；扩散系数；JII南煤田 中固分类号P618.13文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2013.04.008 Experiment of affecting factors for methane desorption kinetics in south Sichuan coalfield LI Xiangchen1 , KANG Yili1 , YIN Zhongshan2, ZHANG Menglian1 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum Uniνersi纱，Chengdu 610500, China; 2. Sichuan Coalfield Geology Bareau, Chengdu 610072, China Abstract In order to study the affecting factors for coalbed methane desorption kinetics, desorption kinetics tests were designed under different pressure, temperature, grain size and moisture with anthracite from South Sichuan Coalfield. A self-made HTHP coalbed methane desorption tester was applied in desorption kinetics experiments. Diffusion coefficient was got by fitting result of test. Gas desorption capacity and rate of granular coal increase with increasing adsorption equilibrium pressure and temperature, and decrease with increasing grain size and moisture. The fitting result of diffusion coefficient reveals that diffusion coefficient is increasing with temperature but decreasing with pressure and moisture. Key words coalbed me也ane;desorption；挝netics;diffusion coefficient; south Sichuan coalfield 煤层气在储层中的运移大概可以分为3个阶段 第1阶段是在压力梯度作用下，煤岩中孔、大孔和裂 隙中的渗流；第2阶段是在浓度梯度作用下，通过基 质微孔向中孔、大孔和裂隙的扩散；第3阶段是吸附 气体从煤内表面的解吸。由此可见，煤层气的开采受 渗流能力和扩散能力的双重控制，当浓度梯度降低到 解吸速率小于裂缝流通能力时，扩散便成为主要制约 因素。与煤层渗流能力的研究相比，针对扩散能力的 研究明显偏少。聂百胜等［I］进行了煤粒煤层气解吸扩 散的实验研究，总结出煤粒的解吸仅仅是煤层气扩 散，煤粒的煤层气解吸放散速度是单纯的解吸扩散速 度。杨其辈［2］提出了极限粒度概念，并指出当颗粒 小于极限粒度时，煤层气扩散速度随粒度的增大而减 收稿日期2012-03-07 小；当颗粒大于极限粒度时，煤层气扩散速率与粒度 无关。霍永忠［3］分析了煤储层气体解吸特征与物质组 成、煤阶和孔隙结构的关系。李育辉等［4］对晋城煤样 等温吸附及解吸实验的数据处理结果表明，吸附一解 吸速率均随压力及煤样气含量的增加而增加，且吸 附速率与解吸速率随压力的变化曲线基本相同。曾社 教等［5］讨论了温度变化对煤层气解吸作用的影响。然 而，以往研究成果对煤层气解吸过程的影响因素考 虑尚不系统，且针对川南地区无烟煤解吸特性的研究 未见报道。 本文选取川南地区［6］二叠统龙潭组无烟煤样 品，通过对小于极限粒度的粒状煤样进行解吸动力 学实验，认识不同实验条件下煤层气的解吸动力学 基金项目国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（201OCB226705）；国家科技重大专项课题。011ZX05005-00创 作者简介李相臣（1983一），男，吉林东辽人，博士，讲师，从事储层保护理论与技术、非常规储层物理化学等研究． ChaoXing 32 煤田地质与勘探第41卷 特征，明确压力、温度、粒度和湿度等因素对煤层 气解吸的影响，从而为煤层气可采性评价、煤层气 藏开发方案和工艺措施的制定提供理论参考。 1 实验方法 1.1 实验煤样 实验煤样选自四川盛隆煤矿的二叠系上统龙潭 组煤层，煤的变质程度较高，煤类划分为无烟煤ill, 其工业分析结果见表1。 表1煤样的媒质分析结果 Table 1 Analysis results of coal samples M,i 0.99 Ai 12.62 问，r/ 7.05 FC,i 79.34 将所取煤样粉碎，分别过3mm 1 mm 250 m、 178阳、74阳和44m标准筛，取1-3皿n、178～250阳 和44～74m筛间煤粒；煤样质量大于实验所需量的 3至5倍。 1.2 实验仪器 实验采用自行研制的高温高压煤层气吸附／解 吸测试系统。该仪器可测的温度范围为室温至200 ℃；注入压力范围为0～70MPa；温控的绝对不确定度 小于1℃；测压的绝对不确定度小于0.001如1Pa；测体 积的相对不确定度小于0.0001。 nue。ZOAUT饨 ，－nuo。 ζUA件吗4 21l111 （－ e M」巨） ＼ 咽崽楼 16 14 1.3 实验步骤 a.按照实验目的和要求选制煤样，进行干燥预 处理； b.开启恒温系统至60土1c，对煤样真空脱气； c.将恒温系统温度调至实验温度，煤样完成气 体吸附平衡过程； d.吸附平衡并达到预定实验压力后，进行煤样 气体解吸行为实验； e.实验数据处理。 2 实验结果分析 2.1 压力对煤层甲皖解眼动力学的影晌 图1和图2分别为不同压力下煤层甲院解吸量和 解吸速率与时间的关系图。由图中可以看出a.对 于同一粒度煤样而言，气体压力越大，甲烧解吸量 越大；b.煤样的粒度越小，比表面积越大，初始短 期内甲烧解吸量越大，相同时间段内的甲烧解吸总 量越大；c.对于不同压力而言，煤样的甲烧解吸初 速率都较大，解吸速率随时间的变化呈初期显著降 低、随后缓慢降低趋势；d.同一煤样的气体压力越 大，甲烧解吸初速率越大，且任意时刻的速率都较 大；e.随着煤样粒度的增大，甲烧解吸的初速度减 小，且相同时刻速率也较小。 句，－nυ。。 rOAa哼句，＆ （－ M－JE）＼咽叫昏睡幢 －咱一4MPa 甲噜一6MPa 10 8 bl 甘6 咽A ---1 MPa I 部哼 一－2.5MPal横 --4MPa I 2 -6MPa 。.. . . . . . 0 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 时间／min时间／min a）粒度44～74阳（协粒度178～250m 20 40 60 80 100 120 140 时间／min c）粒度l-3mm 图1不同压力下甲炕解吸量与时间的关系 Fig. 1 Relation between gas desorption volume and time under different pressures. 6 3 2 5 128 c 子2.5 r-2s c I 1.6 高制重t ε 草草 『『－1 MPa －＋一lMP a 一嘈－2.5 MPa 0.8 --2.5MPa －嘈－4MPa －噜－4MPa -6MPa 里是I 一←－6MPa 0.5 0.4 。。 。20 40 40 80 100 120 140 。20 40 60 80 JOO 120 140 时间／min时间／min a）粒度44～74川b）粒皮178250 rn 7坦28C －呻－1MPa --2.5MPa －『－4MPa －嘈－6MPa 100 200 300 400 500 时间／min c）粒度1-3mm 图2不同压力下甲烧解吸速率与时间的关系 Fig. 2 Relation between gas desorption rate and time under different pressures ChaoXing 温度越大，甲烧解吸初速率越大，且任意时刻都较大。 湿度对煤层甲镜解眼动力学的影晌 图5和图6给出了不同湿度煤样甲烧解吸总量 和解吸速率随时间的变化曲线。实验煤样平衡水分 大多在10以上，文中不同湿度实验均在低于平衡 水分含量条件下开展。实验结果表明，水分含量对 煤样解吸具有较大影响，随着湿度的逐渐增大，甲 皖解吸量和解吸速率降低。由此可见，煤岩基质水 分含量对煤层气解吸具有重要影响。 温度对煤层甲皖解眼动力学的影晌 图3和图4分别为不同温度条件下，煤层甲皖 解吸量和解吸速率与时间的关系图。由图中可以看 出a.煤样的甲烧解吸量总是随时间的增长而增 大，上限为该煤样可解吸的最大气量；b.解吸的初 始阶段和较长时间内，同一煤样的实验温度越高， 甲烧解吸量越大；c.无论实验温度大小，煤样的甲 烧解吸初速率都较大，解吸速率随时间的变化呈初 期显著降低而后缓慢降低的趋势；d.同一煤样的实验 33 李相臣等JIJ南煤层甲炕解吸动力学影响因素实验研究第4期 2.3 2.2 10 。。 ZOA 吨句 ，＆ （－ M－ t高部接 A丛Y句，＆ Aυoezod斗气 ，． （－ h－JE）＼咽时昏睡幢 AUneroaaT句，＆nu06roaaT 饨，＆Aυ 内4t’t’1’1’1 PM－JE）＼咽否接 ---28℃ 一唱－34℃ 一，一40℃ 一＋一28℃ _34c 一咱一4oc --28℃ --34 c －叫－40“C 60 80 100 120 140 时间／min b）粒度178～250m，平衡压力41\在Pa 图3不同温度下煤层甲烧解吸量与时间的关系 Relation between gas desorption volume and time under different temperature r 2.5 25肯马句 oo 2 It一←28℃F tι一←34℃’ 1ζ．一，一40℃... E；电吉l 逞。川、』掣0.5 8量｜←－一－s 。I. -;--. -－－「－.. 楼。 0 20 40 60 80 JOO 120 140 0 时间／min b）粒度178～250m，平衡压力4MPa 图4不同温度下煤层甲皖解吸速率与时间的关系 Relation between gas desorption rate and time under different temperature 60 80 100 120 140 日才i同／min c）粒度J-3mm，平衡压力4MPa 40 20 。 40 20 。 60 80 JOO 120 140 日才｜司／min a）粒度4年74阳，平衡压力4MPa 40 20 __ 2sc 一－34℃ －咱一40℃ -28“C 一，一34℃ 一，一40℃ Fig. 3 [6 - 5 bi, 4 亏3 再2 划 部l 糙 。 。60 80 JOO 120 140 日才｜可／min c）粒度1-3mm，平衡压力4MPa 40 20 60 80 JOO 120 140 时间／min （功粒度’44-74m；平衡压力4MPa 40 20 度度度 湿湿湿 干、2 1.6 问 甘1.2 莓0.8 姻 部0.4 鉴 0 0 Fig. 4 14 [12 \n 10 ..J E 8 函6 崽4 咀2 。 。 60 80 JOO 120 140 日才｜可／min a）粒度178～250m 40 20 120 140 60 80 JOO 日才间／min a）粒度178～250m 40 20 瞅瞅酿 一工 . 1.5 飞。1.2 ..J E 0.9 豆0.6 墨0.3 -1.SE-15 。 8 7 ，－、 \,, 6 甘5 s 4 昌3 5甚2 0 0 140 图6不同湿度下煤层甲皖解吸速率与时间的关系 Fig. 6 Relation of gas desorption rate and time under different moisture 60 80 100 120 时间／min b）粒度1-3mm 40 20 60 80 100 时间／min b）粒皮l-3mm 图5不同湿度下煤层甲皖解吸量与时间的关系 Fig. 5 Relation of gas desorption volume and time under different moisture 140 120 40 20 ChaoXing 34 煤田地质与勘探第41卷 3讨论 研究表明，甲烧解吸的速度很快，因此，它 不影响煤基质中甲民运移速度。在煤基质中，孔隙 尺寸和甲烧气体的分子平均自由程相当，所以甲烧 从基质内进入裂隙系统的过程为扩散过程。对实 验结果进行分析，获得不同条件下的扩散系数， 有助于认清煤层气的解吸动力学特性。 假设等温条件，煤粒具有均质的孔隙结构，扩 散系数和坐标无关，忽略浓度和时间对扩散系数的 影响。可以得到球坐标下的扩散第二定律 旦旦（r2 豆豆）＝豆豆1 r2 or Lθr jδt 式中r为球形半径，m;D为有效扩散系数，m2/s; C为扩散气体的浓度，kg/m3;t为时间，s。 通过求解式（1）可得煤粒单孔扩散模型 v. 6ι1 r n2 2t I ____I－一、－exp－一一一｜2 几π2匀dl R2 式中v，为t时间内的气体的累计解吸量，mL/g; 几为无限长时间气体的总解吸量，mL/g;R为孔隙 球形半径，m。 表2为不同压力条件下各种粒度煤样的甲烧扩 散系数拟合结果。不同粒度煤样的甲烧扩散系数随 压力变化的趋势大致相同，都是随压力增高扩散系 数减小。甲烧吸附量随压力的增大而增加，孔隙表 面的气体吸附和煤岩基质膨胀导致孔隙直径变小， 甲烧扩散阻力增大。从实验结果可知，甲皖吸附引 起的扩散能力负效应强于气体分子自由程减小引起 的正效应。由此可见，甲烧解吸动力学特征由煤岩 孔隙结构和吸附特性控制，压力对扩散系数的影响 是上述两因素的宏观表现，但不是决定因素。 表2不同压力下甲院的扩散系数cm2/s Table 2 The diffusion coefficient under different pressure 压力／MPa 粒度／m 2.5 4 6 4474 9.251010 6.43x 1010 5.331010 5.i3X 10-IO 178-250 3.6810-9 2.65x0-9 2.2210-9 1.85x 10-9 10003000 1.06x Iσ7 7.39xl0-8 6.6110-8 4.6510-8 表3为不同温度条件下各种粒度煤样的扩散系 数拟合结果。不同粒度煤样的甲烧扩散系数随温度 升高而增大。温度升高加速甲烧气体解吸，孔隙空 间的游离甲烧浓度升高导致浓度梯度增大，甲烧扩 散能力增强；随着解吸速率的加快，甲烧从孔隙壁 面解吸，使孔隙半径趋于变大，扩散通道变宽使得 扩散能力增强。 煤样粒度小于极限粒度范围内，大粒度煤样中 甲烧扩散距离长，流动阻力大，甲烧扩散能力变小， 表3不同温度下甲院的扩做系数cm2/s Table 3 The diffusion coefficient under di曲renttemperature 粒度／m温度／℃ 44-74 178-250 10003000 28 5.3310-10 2.2210-9 6.6110-8 34 5.74x 1010 2.7210-9 6.91 x 10-8 40 7.83xlσ10 3.3810-9 1.0210与 小粒度煤样的甲烧解吸特征恰相反。然而，由表2 和表3的拟合结果可见，压力和温度相同条件下， 随粒度增大扩散系数变大，这一结果与理论分析和 实验现象均不符。通过拟合甲皖有效扩散系数 CD/R2）发现，随有效扩散系数粒度增大而减小，实 验煤样粒径的不均一性是引起上述假象的原因。 当基质具有一定的水分含量时，煤岩表面会形 成一层水分子膜，对气体扩散产生附加阻力，影响 气体的扩散行为。表4为不同粒度煤样在不同湿度 下的甲烧扩散系数拟合数据。从拟合结果可以看出， 无论是何种粒度的煤样，随着湿度的增大，甲皖扩 散系数都明显降低。可见，煤岩水分含量增大阻碍 甲烧的解吸－扩散过程。 表4不同湿度下甲院的扩做系数cm2/s Table 4 The diffusion coefficient under different moisture 湿度／I 湿度／ o 3.24 6.85 I o 2.45 4.65 2.22x0-9 7.391010 4.76x1010 6.61 xl0-8 2.641o.a 1.69x 10.a 粒度178～250阳I 粒度I0003 000 m 4结论 a.实验研究表明压力和温度越高，甲烧解吸 量和解吸速率越大；粒度越大，甲烧解吸量和解吸 速率越小；低于平衡水含量时，湿度增大，甲烧解 吸量和解吸速率降低。 b.扩散系数拟合结果揭示，甲烧的扩散系数随 压力升高而减小，随温度的升高而增大，随湿度的 增大而减小。 参考文献 [I］聂百胜，王恩元，郭勇义，等．煤粒瓦斯扩散的数学物理模 型［月．辽宁工程技术大学学报，1999,186 582-585. [2］杨其签关于煤屑瓦斯放散规律的实验研究［巧．煤矿安全， 1986, 182 9-17. [3］霍永忠煤储层的气体解吸特性研究［几天然气工业，2004, 24 5 24-26. [4］李育辉，崔永君，钟玲文，等．煤基质中甲炕扩散动力学特 性研究［巧．煤田地质与勘探，2005,33 6 31-33. [5］曾社教，马东民，王鹏刚．温度变化对煤层气解吸效果的影 响［月．西安科技大学学报，2009,29 4 449-453. [6］尹中山，李茂竹，徐锡惠，等．四川古叙矿区大村矿段煤层气煤 储层特征及改造效果［巧．天然气工业，2010,30 7 120-124. ChaoXing