煤层气等压吸附实验研究

Experimental Research on Isobaric Adsorption of CBM

摘要: 为厘定温度对煤层气吸附量的影响关系，采集彬长大佛寺煤矿4#长焰煤、佳县上高寨勘查区11#焦煤及晋城寺河煤矿东翼3#无烟煤，制备成空气干燥基样和平衡水样，分别进行25℃、30℃、35℃、40℃、45℃五个温度点的等温吸附/解吸实验。结果表明，同一温度点下，空气干燥基的吸附量基本大于平衡水样的吸附量；对实验数据进行拟合分析，发现吸附过程与解吸过程中，等压点的温度与吸附量呈线性关系。研究结果可应用于深部煤层气含气量预测、排采井等压面–采收半径的判定。

Abstract: To determine the influence of temperature on the adsorption capacity of coalbed methane, samples are collected from the long flame coal in Coal Seam 4 at Dafosi Coal Mine in Binchang, coking coal in Coal Seam 11 at Shanggaozhai exploration area in Jiaxian and anthracite in coal seam 3 at east wing of Sihe Coal Mine in Jincheng. They are prepared as the air-dry basis and equilibrium water samples to make isothermal adsorption and desorption experiments at 25˚C, 30˚C, 35˚C, 40˚C and 45˚C. The results showed that the adsorption capacity of air-dry basis was larger than that of equilibrium water samples at the same temperature. Through fitting and analyzing the experimental data, it is found that there was a linear relationship between the temperature and the adsorption capacity of isobaric points in the process of adsorption and desorption. The results could be supplied to predict CBM content in deep and determine the isobaric surface-collecting radius of production wells.

1. 引言

彬长与淮南正常产气的煤层气井，井底温度监测发现一些特征变化；同时，排采分析发现，排水与产气对煤储层渗透系数、压降半径、含气量等参数的反演显示出不确定性。分析认为，降压解吸热使煤储层局部温度降低，不规则压裂缝中流体导热差异，导致井底温度变化。进行排水与产气耦合分析，必须考虑煤储层温度降低对解吸作用的抑制，即温度对吸附量的影响–等压吸附特征。

对吸附等压特征的研究，《物理化学》 [1] 简单图示为二次函数；辜敏、鲜学福 [2] 2006年进行过煤的变压吸附实验研究，吴家全、周理 [3] 2006年对活性炭储存甲烷进行过研究，钟玲文、郑玉柱 [4] 等2002年对温度与压力综合影响煤储层含气量进行预测，秦玉金、罗海珠 [5] 2011年对地温梯度影响的深部煤储层含气量进行预测，唐书恒、韩德馨 [6] 2002年进行多元气体吸附实验，傅雪海、李升 [7] 2014年对排采中水的动态监测研究，但对温度对含气量的影响研究不多。由于等压变温实验条件较难控制，故本文设计不同温度点等温吸附实验，对所得实验结果分别在不同压力点的同一压力线上，取不同温度点的吸附量，从而进行等压吸附实验研究。

2. 研究思路

1) 实验样品涵盖不同变质程度的煤种。取彬长大佛寺4^#长焰煤(CY)、佳县上高寨11^#焦煤(JM)、寺河3^#无烟煤(WY3)为代表；

2) 进行 25 ℃、 30 ℃、 35 ℃、 40 ℃、 45 ℃五 个温度点的吸附解吸实验，绘制等温吸附/解吸线，进行实验数据拟合获取数学式 [8] ；

3) 在不同压力点垂交横轴上，计算各压力点位置的吸附量，绘制温度–吸附量关系曲线；

4) 对温度–吸附量曲线进行不同函数拟合，取拟合度高的数学式表征温度–吸附量关系。

3. 等温吸附解吸实验与结果

3.1. 样品加工与实验仪器

煤样采自彬长矿区大佛寺煤矿4^#煤40112采煤工作面、上高寨11^#煤钻孔和晋城寺河煤矿3^#煤东盘区。采集后包装运回实验室，除矸、破碎、筛分将原煤制成60~80目(0.25~0.18 mm)的空干基煤样。参照ASTM (American Society for Testing Material)标准制成平衡水煤样。

在 25 ℃ ， 30 ℃ ， 35 ℃ ， 40 ℃ ，45℃(分析计算换算为绝对温度，K)五个实验温度点，按照国家标准《煤的高压容量法等温吸附实验方法》，使用AST-2000型大样量煤层气吸附/解吸仿真实验仪进行实验，实验仪器及原理图见图1，图2。

3.2. 实验样品表征

1) 物质组成：工业分析(表1)挥发分含量与煤岩分析(表2) R_o值表明，实验样品初步代表了低–中–高煤变质序列。

2) 孔隙结构

利用扫描电镜以及美国贝克曼库尔特公司生产的ASAP2020比表面和孔径分析仪对三个样品进行孔隙结构分析，结果见表3与图3。

3.3. 实验结果

进行空气干燥基样与平衡水分样品的等温吸附/解吸实验，结果如图4~9。

Figure 1. Experimental instrument diagram

图1. 实验仪器图

Figure 2. Experimental schematic diagram

图2. 实验原理图

Table 1. The proximate analysis of experimental samples

表1. 实验样品工业分析结果

Table 2. Coal petrography analysis of experimental samples

表2. 实验样品煤岩组分分析结果

Table 3. The pore structure analysis of experimental samples

表3. 实验样品孔隙结构分析结果

Figure 3. The analysis results of pore structure and specific surface area of experimental samples

图3. 实验样品孔隙结构与比表面积测试分析结果

Figure 4. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of CY

图4. CY空干基煤样等温吸附/解吸曲线

Figure 5. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of CY

图5. CY平衡水煤样等温吸附/解吸曲线

Figure 6. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of JM

图6. JM空干基煤样等温吸附/解吸曲线

Figure 7. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of JM

图7. JM平衡水煤样等温吸附/解吸曲线

Figure 8. Isothermal adsorption-desorption curves of air-dry basis of coal samples of WY3

图8. WY3空干基煤样等温吸附/解吸曲线

Figure 9. Isothermal absorption-desorption curves of equilibrium water of coal samples of WY3

图9. WY3平衡水煤样等温吸附/解吸曲线

3.4. 实验结果数据拟合

煤层气的等温吸附运用Langmuir方程 [9] [10] [11] (1)式，煤层气的等温解吸运用解吸式(2)表征拟合度高 [12] 。数据拟合结果见表4。

$V_{ads}=\frac{abp}{1+bp}$ (1)

式中：V_ads——压力为p时的煤层气吸附量，ml/g；a——煤样最大吸附量，ml/g；b——吸附、解吸速度与吸附热的综合参数。

$V_{des}=\frac{abp}{1+bp}+c$ (2)

式中：V_des——煤层气解吸到p压力时煤层气的吸附量，ml/g；a——煤样最大吸附量，ml/g；b——吸附、解吸速度与吸附热的综合参数；c——煤层气解吸到匮乏压力时的残余吸附量，ml/g。

4. 等压吸附/解吸特征

利用数学拟合式，计算升压(吸附)与降压(解吸)过程0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点的吸附量，绘制温度–吸附量曲线，即等压吸附线。

4.1. 升压(吸附)过程各压力点的吸附特征

1) 在0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点作垂线，与等温吸附线相交，计算升压吸附过程的吸附量。计算结果见图10，图11，图12；

2) 对每个压力点下五个温度的吸附量进行多数学式关系拟合，发现温度–吸附量线性相关，均满足Q = aT + b的一元函数关系(Q为吸附量，T为绝对温度)。九个压力点下的温度–吸附量线性拟合结果见表5。拟合度R²最低为0.67；

3) 煤层气升压(吸附)过程，平衡水样温度–吸附量线性拟合度绝大多数大于0.99，个别低压点大于0.93；干燥基样温度–吸附量线性拟合度多数大于0.85，低压时线性拟合度最小0.67，同时拟合度稍低的情况仅出现在高煤阶、空干基的低压点处。

4.2. 降压(解吸)过程各压力点的吸附特征

1) 同4.1，在0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa…8.0 MPa九个压力点作垂线，与等温解吸线相交，计算降压解吸过程的吸附量。计算结果见图13，图14，图15；

2) 对每个压力点下5个温度的吸附量进行多数学式关系拟合，发现温度–吸附量线性相关，均满足Q = aT + b的一元函数关系(Q为吸附量，T为绝对温度)。9个压力点下的温度–吸附量线性拟合结果见表6。拟合度R²最低为0.69；

3) 煤层气降压(解吸)过程，平衡水样温度–吸附量线性拟合度绝大多数大于0.99；干燥基样较温度–吸附量线性拟合度低。

4.3. 小结

1) 无论煤层气升压吸附过程或降压解吸过程，温度–吸附量显示高度的线性相关，即等压吸附线为直线；

2) 煤层气吸附解吸平衡系统，平衡水样品等压吸附较空气干燥基样等压吸附关系显著得多。对比平

Table 4. The fitting results of adsorption-desorption experiment

表4. 吸附解吸实验拟合结果

Table 5. The fitting analysis data of air-dry basis and equilibrium water samples in booster process of adsorption

表5. 升压吸附过程空干基样和平衡水样的拟合分析数据

Table 6. The fitting analysis data of air-dry basis and equilibrium water samples in booster process of desorption

表6. 降压解吸过程空干基样和平衡水样的拟合分析数据

Figure 10. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of CY at different pressures

图10. 不同压力点CY空干基样与平衡水样等压吸附曲线

Figure 11. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of JM at different pressures

图11. 不同压力点JM空干基样与平衡水样等压吸附曲线

Figure 12. Isobaric adsorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of WY3 at different pressures

图12. 不同压力点WY3空干基样与平衡水样等压吸附曲线

Figure 13. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of CY at different pressures

图13. 不同压力点CY空干基样与平衡水样等压解吸曲线

Figure 14. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of JM at different pressures

图14. 不同压力点JM空干基样与平衡水样等压解吸曲线

Figure 15. Isobaric desorption curves of air-dry basis and equilibrium water samples of WY3 at different pressures

图15. 不同压力点WY3空干基样与平衡水样等压解吸曲线

衡水分含量分析结果与孔隙结构、比表面积分析结果，认为是CH₄—H₂O在煤孔隙内表面作用方式造成的，润湿性研究应受到重视。

5. 结论与建议

1) 尝试了气–固界面吸附解吸中温度与吸附量关系的研究的合理实验方法；煤层气等压吸附/解吸中，温度–吸附量显示高度的线性相关，即煤储层含气量变化与地温梯度成比例关系；

2) 煤层气排采分析中，等压面上，原始储层温度与井底监测温度之差可以确定含气量变化，是煤层气排采井产水与产气耦合的关键，也是确定关键参数–解吸半径的有效方法；

3) 空干基煤样等压吸附量大于平衡水煤样等压吸附量，煤的润湿性与H₂O-CH₄-煤界面关系研究、煤层气井底温度监测应受到重视。