CH4、CO2、N2及其多元氣體在煤層中吸附-運移機理研究.pdf

1、由人類活動導致的溫室氣體(CO2,CH4等)濃度增加所引起的全球氣候變化問題已經(jīng)成為影響世界經(jīng)濟秩序、政治格局和國際關(guān)系的一個重要因素以及決定世界能源前景的關(guān)鍵。減少溫室氣體排放除了提高能源效率、利用清潔能源和清潔燃燒技術(shù)外,另外的重要途徑是二氧化碳的捕集和封存(CCS技術(shù))。目前可用于CO2地下封存的場地主要有耗竭的油氣田、沉積盆地內(nèi)的咸水含水層和無商業(yè)開采價值的不可采煤層等。其中將CO2或者煙道氣(主要成分為CO2、N2)注入不可采

2、煤層不僅能提高煤層氣的采收率,同時也能實現(xiàn)CO2的封存,具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,這一技術(shù)原理涉及到CH4、CO2、N2多元氣體在煤層中的吸附、解吸,擴散,滲流等多物理過程;之外,由于在煤礦開采過程,也有CO2、CH4、N2等氣體的涌出,故多元氣體在煤層中的吸附/解吸、運移的研究對于煤炭井工開采的煤與瓦斯動力突出的防治也具有重要指導意義。因此,論文主要針對多元氣體在煤層中的吸附、擴散、滲流機理進行了研究,取得了如下成果:
　　

3、 (1)通過煤對CO2、CH4、N2及其多元氣體的吸附實驗研究了氣體壓力,組分濃度對吸附選擇性的影響,發(fā)現(xiàn)CO2/CH4、CO2/N2、CH4/N2之間的選擇性系數(shù)是隨著氣體壓力的變化而變化的;對擴展langmuir方程和IAS理論描述煤樣吸附CO2/CH4混合氣體的實驗結(jié)果的效果進行了評價,發(fā)現(xiàn)IAS方程能很好的描述吸附選擇性系數(shù)隨壓力變化這一現(xiàn)象,更適用于多元氣體的吸附;通過分子模擬研究了溫度、壓力及不同孔徑條件下煤對CO2/CH

4、4吸附選擇性的影響,發(fā)現(xiàn)存在使得CO2/CH4選擇性系數(shù)最大的最適溫度、壓力條件,可以為現(xiàn)場工藝條件的優(yōu)化選擇提供參考;建立了基于熱力學方法的煤巖吸附變形模型,并結(jié)合分子模擬得出煤巖吸附氣體產(chǎn)生的膨脹主要由微孔吸附導致;
　　 (2)通過實驗研究發(fā)現(xiàn)不同氣體在煤中具有不同的擴散系數(shù),發(fā)現(xiàn)CO2在煤中的擴散系數(shù)大于CH4,而且氣體的擴散系數(shù)與壓力呈負相關(guān)關(guān)系,隨著壓力的增加而減少,最終趨于一個恒定的值;基于maxwell-stef

5、an理論,建立了多元氣體在煤中的吸附-擴散模型,并進行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)多元體系下氣體組分之間的相互作用對于擴散影響不可忽略;
　　 (3)實驗研究了吸附不同氣體對煤巖滲透特性的影響,發(fā)現(xiàn)同等條件下,吸附CO2時煤巖滲透率最低,其次是CH4,然后是N2,而CO2氣中混入一定量的N2時,煤巖滲透率會有所恢復,且混合氣中CO2含量越高,煤巖滲透率越低;煤樣滲透率與壓力加載路徑有關(guān),純CO2,CH4,N2壓力加、卸載過程的煤樣滲透率

6、一壓力曲線存在滯后現(xiàn)象;建立了應力、氣體壓力以及吸附膨脹效應耦合作用下的滲透率模型,并比較了不同應力、邊界條件下的滲透率變化規(guī)律,通過分析發(fā)現(xiàn),煤巖的滲透性與其所處的應力狀態(tài)以及邊界條件有關(guān);
　　 (4)建立了多場耦合作用下多元氣體在煤層中的運移方程,并通過數(shù)值模擬探討了不同因素對于CO2-ECBM過程的影響;
　　 (5)對CO2注入煤層后地層穩(wěn)定性進行了分析,在確保地層穩(wěn)定的前提下,存在一個臨界CO2注入壓力,給出