煤对多元气体的吸附与解吸

煤对多元气体的吸附与解吸唐书恒1,韩德馨2(11中国地质大学,北京　100083;21中国矿业大学(北京校区),北京100083)摘　要:论述了用纯甲烷气体的等温吸附资料进行煤层气开发潜力的评价可能会产生错误的结论,利用多元气体的吸附-解吸资料,可以正确评价煤层气的开发潜力,预测产出气体的成分变化,为煤层气开发的经济评价提供依据。

关键词:多元气体;吸附-解吸;煤层气开发;经济评价中图分类号:71213 文献标识码:B 文章编号:0253-2336(2002)01-0058-03 Adsorption and desorption of multi element gas by coalT ANG Shu2heng1,H AN De2xin2(11China University o f G eosciences,Beijing　100083,China;21China University o f Mining and Technology,Beijing　100083,China)1问题的提出 中国煤田地质总局在进行全国煤层气资源评价时[1],根据煤层气参数井取得的实测含气量、储层压力、纯甲烷气体等温吸附曲线等资料,计算了部分煤层的含气饱和度和临界解吸压力。

并且发现,有些矿区的煤储层实测饱和度与临界解吸压力很低,临储比很小,导致气井采收率较低。

根据这些参数进行评价这些矿区都没有经济开发意义,但煤层气试验井的排采资料表明,气井的实际临界解吸压力要高于根据等温吸附曲线所计算的值。

如铁法DT-3井,液面降到85m处时就开始产气,上煤组深度为532m,实际临界解吸压力4147MPa,要比计算的临界解吸压力高得多。

寿阳HG-6井和屯留T L-003井也有类似情况。

作者认为,造成上述情况的主要原因是,所采用的等温吸附曲线,都是用纯甲烷气体测定的,而没有考虑煤层气中存在的其他气体成分。

本研究对晋城目标区施工的甲、乙2口煤层气勘探试验井的含气量测定资料和煤层气成分数据进行了分析。

针对这2口煤层气井的3号和15号煤层,采集了34个煤芯样进行了含气量测定。

同时,在进行煤芯样的解吸期间,对每个煤芯样品各采集3个气体成分样,取样时间分别设为现场解吸的第1天、第3天和第5天,共采集102个气成分样,经气相色谱分析,获得了甲、乙2口井3号和15号煤层的煤层气组成。

仅从这2口井来看,晋城地区的煤层气成分中甲烷含量93132%～97109%,氮气含量2175%～6141%,二氧化碳和重烃含量极少。

经过对这2口井3号和15号煤层的煤层气组成进行分析发现,由于取样时间的不同,解吸出的煤层气组分发生规律性的变化,随着解吸时间的延长,煤层气中的甲烷组分逐渐增加,而氮组分逐渐减少。

所有上述现象,都与煤层气的成分联系在一起,都发生在煤层气的吸附-解吸过程中。

因此认为,通过多元气体的吸附-解吸试验,可以帮助分析上述现象发生的原因和机理,促进煤层气的开发。

2煤对多元气体吸附-解吸试验研究现状211从煤矿安全角度研究气体混合物的吸附前苏联的马凯耶夫煤炭安全研究所和东方煤炭安全研究所,曾研究了顿巴斯和库兹巴斯煤对烃混合气的吸附[2],并研究了二元混合物(CH4-N2, CH4-C O2,CH4-H2)在干燥煤样中的吸附行为。

切尔尼岑[2]也曾作过类似的试验,在用天然煤进行二元混合气体的吸附试验时发现,研究混合气体是相当困难的,因为在吸附过程中,游离相的成分发生变化,得出的被吸附组分数量间的关系,与原始混合气体中的组分不同。

艾鲁尼[2]通过分析认为,在研究煤对二元混合气体的吸附时,除了测量混合气体的平衡压力以外,还必须确定游离相的化学组成,以便以后计算85混合气体中单个组分的吸附等温线时,可以检验吸附相中气体组分的变化。

因为在吸附过程中游离相的组分不断变化,使得吸附等温线的计算非常复杂。

以上研究,是从煤矿安全角度出发的,只进行了二元混合气体的吸附试验,试验条件被限定为压力6MPa以内,温度为30℃,使用的煤是干燥煤样。

但其研究结论,为本研究提供了有益的参考。

212从煤层气开发角度研究多元气体混合物吸附在煤层气开发过程中,要预测煤层中的气体含量、生产速率和资源量,就需要对多元混合气体的吸附进行研究,因为煤中吸附的气体通常并不是纯的甲烷,煤中还含有一定数量的C O2、N2和重烃。

而且,在利用压力衰竭法进行煤层气排采,以及注入C O2和N2进行强化排采时,了解多元气体的吸附-解吸行为,也是非常重要的[3]。

Ruppel等[4]研究过CH4-C2H6混合气体,他们使用干煤样测定了纯气体等温线,但没有进行二元气体的吸附测定,而是采用Myers和Prausnitz[5]提出的理想吸附溶液理论以及纯气体的等温方程,对二元气体吸附进行了计算。

Saunders等[6]研究了CH4和H2的混合气体,并对2个煤样和几个其他吸附剂进行了二元吸附测定,使用的煤样也是干煤样。

Stevens on等[7]进行了CH4-N2-C O2的二元和三元混合气体的吸附测试,使用的也是干煤样。

对于干燥煤样吸附性能的研究,不能反映原始地层条件下煤储层的吸附行为。

Arri,L1E1和Y ee,D1[8]以及Hall,F1E1等人[9]]对CH4-N2和CH4-C O2混合气体进行了吸附测试,使用的煤样是科罗拉多州圣胡安盆地果园组的湿煤样。

结果表明,每种气体不是独立吸附的,而是2种气体竞争相同的吸附位。

Harpalani等[10]研究了果园组湿煤样对三元混合气体(93%CH4,5% C O2,2%N2)的吸附特征。

Harpalani等[10]研究发现,在煤中呈物理吸附的混合气体,吸附能力强的组分在解吸气中较为富集,但解吸是可逆的,并且认为,吸附和解吸都符合相同的压力与吸附量关系曲线。

但是,G reaves 等[11]在研究了混合气的吸附解吸行为后,发现吸附和解吸过程中压力与吸附量的关系存在显著差异,并将这种行为描述为滞后效应。

Chaback J,M organ D和Y ee D[12]的研究,证实了Harpalani等人的发现,即扩展Langmuir方程可用于物理吸附气的吸附和解吸计算,物理吸附气体的吸附和解吸过程具有可逆性。

由此认为,在注入N2或C O2进行强化煤层气排采过程中,尽管物理吸附的混合气在解吸过程中,吸附能力强的组分比例增加,但是其过程仍是一个可逆的过程。

扩展Langmuir方程仍可以有效地拟合其吸附和解吸平衡。

但同时也发现,试验结果符合G reaves等人提出的结论,即吸附和解吸遵循不同的压力与吸附量关系等温线。

3多元气体吸附-解吸试验的研究意义在进行煤层气的开发潜力评价时,等温吸附曲线具有重要的作用。

①可以确定煤储层中煤层气的临界解吸压力;②可以估算煤储层的理论含气量以及确定煤层气的饱和状态;③预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的采收率或可采资源量。

在以往的研究中,都是采用纯的甲烷气体来测定煤的等温吸附曲线。

但是,煤层气中除甲烷以外,还含有N2和C O2等气体组分,这些非甲烷组分的数量虽然不大,但它们对煤层气的吸附和解吸行为却会产生明显的影响[2]。

采用纯甲烷进行煤的等温吸附试验,所获得的煤储层的吸附-解吸特性,不能代表煤储层的真实情况。

以此为依据来评价煤层气的开发潜力,将会产生错误的结论,以致误导投资者,或造成不必要的损失,或失去成功的机遇。

因此,当煤层气中含有除甲烷以外的其他气体时,还必须研究煤层对多元气体的吸附-解吸特性,这对于正确评价煤层气的开发潜力具有重要意义。

另外,根据美国煤层气井的生产资料来看,在生产过程中产出气体的组分是在不断变化的,而煤层气生产的经济效益强烈地依赖于煤层气的成分。

所以,在进行煤层气开发的经济评价时,也必须重视煤层气成分的影响。

研究多元气体的吸附-解吸特性,可以预测产出气体成分的变化趋势,为正确进行煤层气开发的经济评价提供关键性的资料。

目前,美国一些石油公司正在试验向煤层中注入二氧化碳或氮气来提高煤层甲烷采收率的新技术,在这个过程中,煤层中存在着多元气体的相互作用。

研究多元气体的吸附-解吸特性,对于提高95煤层甲烷采收率的操作,也是非常重要的。

4对多元气体吸附-解吸试验的认识在煤层气研究工作中,要想利用煤的等温吸附线来准确确定煤储层中煤层气的临界解吸压力、煤层气的饱和状态、以及预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的采收率或可采资源量,必须根据实际的煤层气组分,研究多元气体在煤层中的吸附-解吸特性。

多元气体吸附的研究与单组分气体有所不同。

单组分气体吸附时成分不发生变化,而混合气体吸附时,由于混合气体中各组分的吸附能力各不相同,从实验开始到实验结束,游离相中混合气体的成分会发生变化。

吸附能力强的气体在气相中的浓度下降,相反吸附能力弱的气体在气相中的浓度会上升。

在多元气体的解吸试验中,游离相中气体组分的变化则与此相反。

因此,在进行吸附-解吸试验时,除了测量混合气体的平衡压力外,还必须测定游离相中气体的化学成分。

混合气体的吸附性不仅与混合气体中各组分的吸附能力有关,而且还与各组分的分压有关,分压越大,气体的吸附量越大。

混合气体吸附时,各组分间相互影响,竞争吸附。

迄今为止,在实际储层条件下、针对中国煤储层的多元气体的吸附-解吸试验研究,在国内还未见报导,而这种研究又是十分必要和迫切的。

参考文献:[1]　叶建平,秦　勇,林大扬.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.[2]　艾鲁尼.煤矿瓦斯动力现象德预测和预防[M].唐修义,宋德淑,王荣龙译.北京:煤炭工业出版社,1992.[3]　Puri R,Y ee D.Enhanced coalbed methane recovery[A].Proceedings of the S ociety of Petroleum Engineers[C],New OleansLA,1990.[4]Ruppel T C.Ads orption of methaneΠethane mixtures on dry coal atelevated pressures[J].Fuel,1972(1).[5]M yers A L,Prausnitz J M.Therm odynamics of mixed-gas ad2s orption[J].A LCHE Journal,1965(1).[6]Saunders J T,Benjamin M C,Y ang R T.Ads orption of gases oncoals and heat-treated coals at elevated tem perature and pressure:2.Ads orption from hydrogen-methane mixtures[J].Fuel,1985(1).[7]S tevens on M D,Pinczewski W V,S omers M L,et al.Ads orptionΠdes orption of m olticom ponent gas mixtures at in-seam conditions[A].SPE23026.SPE Asia-Pacific con ference[C].Perth,W estern Australia,1991.[8]Arri L E,Y ee D,M organ W D.M odeling coalbed methane produc2tion with binary gas s orption[A].R ocky M ountain Regional M eeting[C],Casper,W y oming,1992.[9]Hall F E,Zhou Chunhe.Ads orption of pure methane,notrogen,andcarbon dioxide and their binary mixtures on wet Fruitland coal[A].The1994Eastern Regional con ferences and exhibition held in Char2ieston[C],W V U S A,1994.[10]Harpalani S,Pariti U M.S tudy of coal s orption is otherm using amulticom ponent gas mixture[A].International C oalbed M ethaneSym posium[C],1993.[11]G reaves K H,Owen L B,M cLenman J D,et al.Multi-com poentgas ads orption-des orption behav oir of coal[A].Proceedings of the1993International C oalbed M ethane Sym posium[C],1993. [12]Chaback Joseph J,M organ D on,Y ee Dan.S orption irreversibitiesand mixture com positional behavior during enhanced coal bed methanerecovery processes[A].G as technology con ference[C].Calgary,Alberta,Canada,1996. 作者简介:唐书恒(1965-),男,河北正定人,高级工程师, 2001年于中国矿业大学(北京校区)获博士学位,现为中国地质大学(北京)博士后,从事煤层气及煤炭洁净工程的地质研究工作。