煤层气解吸研究的现状及发展趋势
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第 5 卷 第 4 期 中国煤层气 Vol15 No14 2008 年 11 月 CHINA COALBED METHANE Nov12008
第 4 期 煤层气解吸研究的现状及发展趋势
7
气开始解吸 : 首先是煤基质表面或微孔内表面上的 吸附态发生脱附 — — — 即微观解吸 ;Βιβλιοθήκη Baidu而后在浓度差的 作用下 , 已经脱附了的气体分子经基质向裂隙中扩 散— — — 即宏观解吸 ; 最后在压力差的作用下 , 扩散 至裂隙中的自由态气体 , 继续作渗流运动 。这三个 过程是个的有机的统一体 , 相互促进 , 相互制约 。 2 12 解吸模型 煤层气气体分子从小孔隙扩散至大孔隙或裂隙 系统中遵循扩散定理 , 根据诺森数 Kn ( 孔隙直径 与分子平均自由程的比值 [1 ] 将气体在煤层中的扩散 方式分为 : 菲克型扩散 、诺森型扩散和混合型扩散 以及气体分子在煤体表面的表面扩散和晶体扩散模 型等 , 而本文所研究的宏观扩散属于菲克型扩散 , 遵循菲克扩散定律 。 为了能够很好地模拟煤层气解吸 — 扩散 — 渗流 这一运移过程 , 自 20 世纪 60 代以来 , 人们提出了 很多的模拟模型 , 大致可划分为以下三大类 : 经验 模型 ; 平衡吸附模型和非平衡吸附模型 。研究表 明 , 前两种模型都不能很好地描述煤储层的特征和 煤层气的解吸过程 , 而非平衡吸附模型是目前最适 应于煤储层特征和吸附解吸特性的数学模型 , 其假 设的前提条件是 : 煤储层为基质微孔隙 — 裂隙双重 介质 , 微孔隙为气体的储集空间 , 而裂隙系统为气 体的运移通道 ; 煤层气的解吸为微孔隙中吸附态气 体的脱附 、以及由微孔隙向裂隙边界扩散的过程 。 基于 Fick 第一定律和 Fick 第二定律 , 此模型又划 分为拟稳态的非平衡吸附模型和非稳态的非平衡吸 附模型 。
http://www.cnki.net
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
8
中 国 煤 层 气 第4期
一步) , 现今损失气的估算就是据此进行估算的 。 用于解释损失气含量和煤的扩散性能的公式如 下: Δ Gcm = ( 20311 Gci
D 2 t) r
cm3 / g ;
VLD — — — 时间 t 时的累计解吸量和损失量之 和 , cm3 / g ; VL — — — 损失量 , cm3 / g ;
R1S1Metcalfe [11 ] 等人通过解吸试验数据对 US2 BM 法 、Smith2Williams 法和曲线拟合法所获得的瓦
1 引言
我国对于地面煤层气开发研究工作始于 20 世 纪 80 年代 , 在 80 年代后期开始 , 引进美国的现代 煤层气开发技术 , 进行地面煤层气勘探开发试验 , 但至今历时已近 20 年仍没有达到产业化发展的程 度 ; 1990 年煤层气产量达 55 亿 m3 。另外 , 我国从 20 世纪 50 年代就开始了煤矿井下瓦斯抽采工作 , 但煤矿瓦斯抽采效果不好 , 主要表现抽采总量低 、 抽采浓度低 、瓦斯利用程度低 。学术界普遍认为 , 造成我国煤层气开发难以产业化和煤矿井下瓦斯抽
- GcL
( 1 - 4)
ΔGcm — 式中 — — 试验测定的解吸气量 , cm3/ t ; Gci — — — 煤样中初始的气含量 , 不包括残余 气量 , cm3 / t ; GcL — — — 损失气量 , cm3 / t ; 从式 1 - 4 中不难看出解吸气体量与时间的平 方根成正比关系 。这验证了前面直接法进行损失气 估算所提出的模型 。依据这一公式还可以计算出扩 散系数 。 美国新墨西哥大学的 Smith & Williams[9 ] [10 ] 针对 美国矿业局法 ( USBM) 存在的技术缺陷 , 提出了 一种用于计算泥浆介质中的瓦斯气体的解吸规律计 算公 式 , 并 建 立 了 Smith2Williams 解 吸 法 。Smith2 Williams 解吸法是用类似于 USBM 解吸法的步骤解 吸钻孔煤屑的瓦斯含量 。Smith & Williams 定义的地 面时间比率和损失时间比率公式如下 : STR = ( 岩 芯 密 封 时 间 - 岩 芯 到 达 地 面 时 间) / ( 岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间)
- 1) 适合于区域吸附或解吸时间段 : 0 ≤ t ≤V
π
D
, 当时间 t ≤
π
D
时 , 随时间
的增大 , 误差会越来越大 。 澳大利亚研究人员博特 [5 ] (B1A1Bolt ) 等人通 过对不同变质程度的煤样的煤层气的解吸过程的试 验测试 , 认为瓦斯气体在煤中的解吸过程和瓦斯在 沸石中的扩散过程非常相似 , 其解吸气体量与时间 之间存在如下的关系式 : λ ( 1 - 2) Qt = Q ∞ ( 1 - Ae - t ) λ— 式中 A 、 — — 经验常数 ; 德 国 工 学 博 士 文 特 和 雅 那 斯 ( K1Winter & H1Janas) [6 ] 研究发现 , 从吸附平衡中解吸出来的气 体量取决于煤的瓦斯含量 、吸附平衡压力 、时间 、 温度和煤样的粒度等因素 , 解吸气体量随时间的变 化关系可表示为 :
Qt = V1
1 - kt
1 - kt
t
( 1 - 3)
式中 V 1 — — —t = 1 时的瓦斯解吸速度 , cm3 / g ; k t — — — 瓦斯解吸速度特征变化指数 从上式可以看出 , 第一分钟的气体解吸速度非 常大 , 用第一分钟的解吸速度来表述煤层气的解吸 量 , 但是随着时间的延长 , 气体的解吸量会越来越 少 , 这时用上式来计算煤层气的气体解吸量的误差 会越来越大 。 1970 年 , 法国 Bertard , 首次进行井下水平孔 获取钻屑测试含气量 , 测定兰格缪尔常数 a 和 b 值 。并得出煤层气解吸早期其解吸量与时间的平方 根成正比 [7 ] 。但这里 “早期”只是个模糊概念 , 没 有给出具体时间 。这一结论是损失气计算的基础 。
煤层气解吸研究的现状及发展趋势
范章群
( 煤炭科学研究总院西安研究院 , 陕西 710054)
摘 要 : 本文基于对国内外在解吸研究方面的代表性学术论著的研究 , 从煤层气解吸的研究意 义 、煤层气解吸微观和宏观过程 、解吸模型以及煤层气解吸研究的发展历程等方面 , 论述了解吸 研究的现状 , 并通过对前人研究的分析总结 , 提出了在解吸研究方面还存在的问题并指出需要改 进的地方和未来煤层气解吸研究的发展方向 。 关键词 : 煤层气 解吸 现状 模型 发展趋势
采效果不好的原因除了我国独特的复杂地质条件 外 , 其最主要原因在于我们对煤层气的运移和解吸 的一些规律认识不足 。
2 煤层气解吸含义及数学模型
2 11 煤层气解吸的含义
解吸是一个动态过程 , 它包括微观和宏观上的 两种意义 。在原始状态下 , 煤基质表面上或微孔隙 中的吸附态煤层气与裂隙系统中的煤层气处于动态 平衡 , 当外界压力改变时 , 这一平衡被打破 , 当外 界压力低于煤层气的临界解吸压力时 , 吸附态煤层
Diamond , Schatzel , Garcia , Ulery 等于 1991 年
对美国直接法进行了改进 , 指出煤层气是一种混合 气体 , 在煤层气解吸作用过程中 , 解吸出来的气体 还可以与煤发生反应而重新吸附以及不同气体间存 在相互作用等 。
作者简介 范章群 , 女 , 1981 年生 , 硕士研究生 , 助理工程师 , 研究方向煤层气地质与勘探开发 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
V — — — 单位重量样品的体积 , cm3 / g ; t — — — 吸附或解吸时间 , min ; D — — — 扩散系数 , cm/ min ; 从上式可以看出解吸率与时间的平方根成正比 关系 。 塞文斯特 ( P. G. Sevenster ) [3 ] 、萨特恩德拉 和 菲 利 甫 ( Satyendra P1Nandi and Philips L1Walker) [4 ] 通过大量研究计算结果得出 , 公式 ( 1
Current Status and Developing Trend of CBM Desorption Study
Fan Zhangqun ( Xi′ an Branch , China Coal Research Institute , Xi′ an 710054) Abstract : In this paper , based on the study on representative academy works on coalbed methane ( CBM) desorption at home and abroad , the following aspects were reviewed to present the current status of desorption studies : the significance of studies on CBM desorption , its macroscopic and microscopic processes , the mathe2 matical models of desorption as well as the development history etc. By analyzing and summarizing the previous achievements , this paper points out the existing problems that need to be improved in studies on CBM desorp2 tion , and sets forth the developing trend of CBM desorption in the near future. Keywords : CBM ; desorption ; current status ; model ; developing trend
Qt 2 s = Q∞ V
3
π
Dt
( 1 - 1)
式中 Qt — — — 从开始到时间 t 时的累计吸附或解吸 气体量 , cm / g ; Q ∞ — — — 极限吸附或解吸气体量 , cm3 / g ; s — — — 单位重量样品的外表面积 , cm / g ;
2
基础上提出了美国矿业局法 — — — 直接法 [8 ] , 美国矿 业局通过试验进一步得出解吸量在前 10 个小时与 时间平方根成正比 ( 这比法国贝尔纳的研究更进了
1973 年 , 美国矿业局在对前者进行变通 、简化的
3 煤层气解吸研究的国内外现状
3 11 国外煤层气解吸的研究现状 1951 年 , 英国剑桥大学巴雷尔 ( R1M1Barrer ) [2 ]
使用天然沸石作吸附剂 , 研究煤层甲烷在固体中的 吸附解吸规律 , 研究认为吸附和解吸是可逆过程 。 气体的累计吸附量或解吸量与时间的平方根成正 比 , 其表达式如下 :
LTR = ( 岩 芯 密 封 时 间 - 钻 遇 煤 层 时 间 ) / ( 岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间 t25 %)
斯损失量的数据进行了对比分析 , 发现曲线拟合法 更接近实际 。当钻孔深度较大时 , 随孔深的增加 , 损失量的估算误差会越来越大 , 用这三种方法估算 瓦斯损失量都会低估煤层瓦斯含量 。
第 4 期 煤层气解吸研究的现状及发展趋势
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气开始解吸 : 首先是煤基质表面或微孔内表面上的 吸附态发生脱附 — — — 即微观解吸 ;Βιβλιοθήκη Baidu而后在浓度差的 作用下 , 已经脱附了的气体分子经基质向裂隙中扩 散— — — 即宏观解吸 ; 最后在压力差的作用下 , 扩散 至裂隙中的自由态气体 , 继续作渗流运动 。这三个 过程是个的有机的统一体 , 相互促进 , 相互制约 。 2 12 解吸模型 煤层气气体分子从小孔隙扩散至大孔隙或裂隙 系统中遵循扩散定理 , 根据诺森数 Kn ( 孔隙直径 与分子平均自由程的比值 [1 ] 将气体在煤层中的扩散 方式分为 : 菲克型扩散 、诺森型扩散和混合型扩散 以及气体分子在煤体表面的表面扩散和晶体扩散模 型等 , 而本文所研究的宏观扩散属于菲克型扩散 , 遵循菲克扩散定律 。 为了能够很好地模拟煤层气解吸 — 扩散 — 渗流 这一运移过程 , 自 20 世纪 60 代以来 , 人们提出了 很多的模拟模型 , 大致可划分为以下三大类 : 经验 模型 ; 平衡吸附模型和非平衡吸附模型 。研究表 明 , 前两种模型都不能很好地描述煤储层的特征和 煤层气的解吸过程 , 而非平衡吸附模型是目前最适 应于煤储层特征和吸附解吸特性的数学模型 , 其假 设的前提条件是 : 煤储层为基质微孔隙 — 裂隙双重 介质 , 微孔隙为气体的储集空间 , 而裂隙系统为气 体的运移通道 ; 煤层气的解吸为微孔隙中吸附态气 体的脱附 、以及由微孔隙向裂隙边界扩散的过程 。 基于 Fick 第一定律和 Fick 第二定律 , 此模型又划 分为拟稳态的非平衡吸附模型和非稳态的非平衡吸 附模型 。
http://www.cnki.net
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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中 国 煤 层 气 第4期
一步) , 现今损失气的估算就是据此进行估算的 。 用于解释损失气含量和煤的扩散性能的公式如 下: Δ Gcm = ( 20311 Gci
D 2 t) r
cm3 / g ;
VLD — — — 时间 t 时的累计解吸量和损失量之 和 , cm3 / g ; VL — — — 损失量 , cm3 / g ;
R1S1Metcalfe [11 ] 等人通过解吸试验数据对 US2 BM 法 、Smith2Williams 法和曲线拟合法所获得的瓦
1 引言
我国对于地面煤层气开发研究工作始于 20 世 纪 80 年代 , 在 80 年代后期开始 , 引进美国的现代 煤层气开发技术 , 进行地面煤层气勘探开发试验 , 但至今历时已近 20 年仍没有达到产业化发展的程 度 ; 1990 年煤层气产量达 55 亿 m3 。另外 , 我国从 20 世纪 50 年代就开始了煤矿井下瓦斯抽采工作 , 但煤矿瓦斯抽采效果不好 , 主要表现抽采总量低 、 抽采浓度低 、瓦斯利用程度低 。学术界普遍认为 , 造成我国煤层气开发难以产业化和煤矿井下瓦斯抽
- GcL
( 1 - 4)
ΔGcm — 式中 — — 试验测定的解吸气量 , cm3/ t ; Gci — — — 煤样中初始的气含量 , 不包括残余 气量 , cm3 / t ; GcL — — — 损失气量 , cm3 / t ; 从式 1 - 4 中不难看出解吸气体量与时间的平 方根成正比关系 。这验证了前面直接法进行损失气 估算所提出的模型 。依据这一公式还可以计算出扩 散系数 。 美国新墨西哥大学的 Smith & Williams[9 ] [10 ] 针对 美国矿业局法 ( USBM) 存在的技术缺陷 , 提出了 一种用于计算泥浆介质中的瓦斯气体的解吸规律计 算公 式 , 并 建 立 了 Smith2Williams 解 吸 法 。Smith2 Williams 解吸法是用类似于 USBM 解吸法的步骤解 吸钻孔煤屑的瓦斯含量 。Smith & Williams 定义的地 面时间比率和损失时间比率公式如下 : STR = ( 岩 芯 密 封 时 间 - 岩 芯 到 达 地 面 时 间) / ( 岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间)
- 1) 适合于区域吸附或解吸时间段 : 0 ≤ t ≤V
π
D
, 当时间 t ≤
π
D
时 , 随时间
的增大 , 误差会越来越大 。 澳大利亚研究人员博特 [5 ] (B1A1Bolt ) 等人通 过对不同变质程度的煤样的煤层气的解吸过程的试 验测试 , 认为瓦斯气体在煤中的解吸过程和瓦斯在 沸石中的扩散过程非常相似 , 其解吸气体量与时间 之间存在如下的关系式 : λ ( 1 - 2) Qt = Q ∞ ( 1 - Ae - t ) λ— 式中 A 、 — — 经验常数 ; 德 国 工 学 博 士 文 特 和 雅 那 斯 ( K1Winter & H1Janas) [6 ] 研究发现 , 从吸附平衡中解吸出来的气 体量取决于煤的瓦斯含量 、吸附平衡压力 、时间 、 温度和煤样的粒度等因素 , 解吸气体量随时间的变 化关系可表示为 :
Qt = V1
1 - kt
1 - kt
t
( 1 - 3)
式中 V 1 — — —t = 1 时的瓦斯解吸速度 , cm3 / g ; k t — — — 瓦斯解吸速度特征变化指数 从上式可以看出 , 第一分钟的气体解吸速度非 常大 , 用第一分钟的解吸速度来表述煤层气的解吸 量 , 但是随着时间的延长 , 气体的解吸量会越来越 少 , 这时用上式来计算煤层气的气体解吸量的误差 会越来越大 。 1970 年 , 法国 Bertard , 首次进行井下水平孔 获取钻屑测试含气量 , 测定兰格缪尔常数 a 和 b 值 。并得出煤层气解吸早期其解吸量与时间的平方 根成正比 [7 ] 。但这里 “早期”只是个模糊概念 , 没 有给出具体时间 。这一结论是损失气计算的基础 。
煤层气解吸研究的现状及发展趋势
范章群
( 煤炭科学研究总院西安研究院 , 陕西 710054)
摘 要 : 本文基于对国内外在解吸研究方面的代表性学术论著的研究 , 从煤层气解吸的研究意 义 、煤层气解吸微观和宏观过程 、解吸模型以及煤层气解吸研究的发展历程等方面 , 论述了解吸 研究的现状 , 并通过对前人研究的分析总结 , 提出了在解吸研究方面还存在的问题并指出需要改 进的地方和未来煤层气解吸研究的发展方向 。 关键词 : 煤层气 解吸 现状 模型 发展趋势
采效果不好的原因除了我国独特的复杂地质条件 外 , 其最主要原因在于我们对煤层气的运移和解吸 的一些规律认识不足 。
2 煤层气解吸含义及数学模型
2 11 煤层气解吸的含义
解吸是一个动态过程 , 它包括微观和宏观上的 两种意义 。在原始状态下 , 煤基质表面上或微孔隙 中的吸附态煤层气与裂隙系统中的煤层气处于动态 平衡 , 当外界压力改变时 , 这一平衡被打破 , 当外 界压力低于煤层气的临界解吸压力时 , 吸附态煤层
Diamond , Schatzel , Garcia , Ulery 等于 1991 年
对美国直接法进行了改进 , 指出煤层气是一种混合 气体 , 在煤层气解吸作用过程中 , 解吸出来的气体 还可以与煤发生反应而重新吸附以及不同气体间存 在相互作用等 。
作者简介 范章群 , 女 , 1981 年生 , 硕士研究生 , 助理工程师 , 研究方向煤层气地质与勘探开发 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
V — — — 单位重量样品的体积 , cm3 / g ; t — — — 吸附或解吸时间 , min ; D — — — 扩散系数 , cm/ min ; 从上式可以看出解吸率与时间的平方根成正比 关系 。 塞文斯特 ( P. G. Sevenster ) [3 ] 、萨特恩德拉 和 菲 利 甫 ( Satyendra P1Nandi and Philips L1Walker) [4 ] 通过大量研究计算结果得出 , 公式 ( 1
Current Status and Developing Trend of CBM Desorption Study
Fan Zhangqun ( Xi′ an Branch , China Coal Research Institute , Xi′ an 710054) Abstract : In this paper , based on the study on representative academy works on coalbed methane ( CBM) desorption at home and abroad , the following aspects were reviewed to present the current status of desorption studies : the significance of studies on CBM desorption , its macroscopic and microscopic processes , the mathe2 matical models of desorption as well as the development history etc. By analyzing and summarizing the previous achievements , this paper points out the existing problems that need to be improved in studies on CBM desorp2 tion , and sets forth the developing trend of CBM desorption in the near future. Keywords : CBM ; desorption ; current status ; model ; developing trend
Qt 2 s = Q∞ V
3
π
Dt
( 1 - 1)
式中 Qt — — — 从开始到时间 t 时的累计吸附或解吸 气体量 , cm / g ; Q ∞ — — — 极限吸附或解吸气体量 , cm3 / g ; s — — — 单位重量样品的外表面积 , cm / g ;
2
基础上提出了美国矿业局法 — — — 直接法 [8 ] , 美国矿 业局通过试验进一步得出解吸量在前 10 个小时与 时间平方根成正比 ( 这比法国贝尔纳的研究更进了
1973 年 , 美国矿业局在对前者进行变通 、简化的
3 煤层气解吸研究的国内外现状
3 11 国外煤层气解吸的研究现状 1951 年 , 英国剑桥大学巴雷尔 ( R1M1Barrer ) [2 ]
使用天然沸石作吸附剂 , 研究煤层甲烷在固体中的 吸附解吸规律 , 研究认为吸附和解吸是可逆过程 。 气体的累计吸附量或解吸量与时间的平方根成正 比 , 其表达式如下 :
LTR = ( 岩 芯 密 封 时 间 - 钻 遇 煤 层 时 间 ) / ( 岩芯密封时间 - 钻遇煤层时间 t25 %)
斯损失量的数据进行了对比分析 , 发现曲线拟合法 更接近实际 。当钻孔深度较大时 , 随孔深的增加 , 损失量的估算误差会越来越大 , 用这三种方法估算 瓦斯损失量都会低估煤层瓦斯含量 。