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煤储层固—液—气相间作用机理研究

张时音  
【摘要】: 基于地层条件下煤储层固-液-气三相耦合体系的地质事实,以IS-100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为主要实验平台,对采自新疆、肥城、鄂尔多斯和沁水盆地的煤样进行高压注水实验和等温吸附实验。发现储层条件下煤层中的液态水对煤基质吸附气体存在显著影响;从表面物理和界面化学层面,通过对范德华力、气相分子间作用力和煤基质表面作用势能定量分析,建立了煤储层固-液-气相间作用物理化学模型,揭示了不同实验条件煤吸附甲烷特征的物理化学机理。通过吸附扩散动力学分析和吸附扩散系数计算,揭示了不同压力和水分条件下的煤吸附甲烷的吸附扩散动力学特征。通过实验数据拟合和理论分析,区分出了Langmuir模型和Dubinin-Radushkevich模型的适应性条件。实验方法的改进和有关煤储层相间作用机理的揭示,将影响对煤层储气、产气的相关认识,对煤层气勘探开发生产有现实意义。 煤储层固-液-气三相耦合体系煤吸附甲烷气体本质是以范德华力作用为主的物理吸附,吸附能力的大小取决于不同相态水分子影响下的煤分子与气体分子间作用力的大小。由于强氢键作用,平衡水煤样中气态水分子优先吸附于煤基质表面,使煤基质表面吸附势能较干燥煤样低。注水煤样中的液态水在高压下进入煤体孔裂隙内并润湿煤基质表面形成单分子层水膜,甲烷气体受到润湿煤基质和水膜的共同作用吸附在煤基质表面,此时煤分子与甲烷分子间范德华作用力相对于干燥煤样要小,而相对于平衡水煤样要大,煤基质表面吸附势能低于干燥煤样而高于平衡水煤样。对于不同煤级煤样,与孔隙结构相关的煤体润湿性决定了煤基质吸附甲烷气体能力大小。 煤吸附甲烷实验过程中,煤的气体扩散速率决定了整个吸附实验过程的快慢。由于实验粒级小的煤样其总表面积大且扩散路径复杂,因而吸附扩散系数较粒级大的煤样小。对于不同煤级煤样,孔隙度大的煤样吸附扩散系数大,所以孔隙结构的变化是吸附扩散系数变化的主要原因。平衡水煤样中气态水的存在,增加了气体流动的介质粘度,降低了煤基质吸附甲烷的能力,扩散系数较干燥煤样低。注水煤样中的液态水润湿煤基质表面形成水膜,介质粘度较平衡水煤样偏差不大,但润湿煤基质和水膜的作用力较平衡水煤样高,吸附甲烷能力强,所以注水煤样的扩散系数较平衡水煤样高,但低于干燥煤样。 所有的理论模型都有假设条件,所以Langmuir模型和Dubinin-Radushkevich模型适用的储层压力的范围和煤样的类型都不同。对于低煤级的含水煤样,Dubinin-Radushkevich模型适应的储层压力的范围大于Langmuir模型,所以Dubinin-Radushkevich模型适应性较好;而中高煤级的含水煤样Langmuir模型的拟合度较Dubinin-Radushkevich模型高,所以Langmuir模型适应性较好。


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