煤的等温吸附试验探讨

煤的等温吸附试验探讨

煤的形成过程，伴生有丰富的非常规天然气体，俗称瓦斯、煤层气，在煤中主要以游离态、吸附态形式存在。游离态气体容易脱离煤体而释放出来，在煤的解析试验中也称自然解析气；吸附气则与煤的本身性质有关，煤是一种多孔介质，具有发达的孔隙结构，属于天然吸附剂，煤表面及孔隙内表面对甲烷等气体具有很强的吸附能，气体容易在煤表面及孔隙内聚集，形成气体吸附状态。

煤层气地质勘探中，煤层气储量常采用总含气量进行评估。评价方法有直接法与间接法。直接法也叫解析法，直接测定煤芯煤样气含量，包含自然解析量、损失量及残余气量，一般称为常规含量分析；间接法也叫非常规瓦斯测定法，通过吸附常数计算，吸附常数主要通过试验获取，吸附气量则根据吸附常数进行计算。自然解析量、损失量在常压状态下从煤体自然释放，在封闭空间呈现游离气体特征，试验中可以准确计算；残余气体包括吸附气体与封闭孔隙不可解析气体，封闭不可解析气体在生产中不可获得，一般不予测定；常规试验时，在恒定温度、不同压力条件下测定甲烷吸附量，通过图形拟合间接求取煤的吸附常数。

1 试验原理

煤的吸附量一般用Langmuir单分子层气体吸附模型来描述，煤的吸附气体与游离气体随着压力、温度的改变可以互相转化，在温度一定的条件下，通过Langmuir方程来计算煤层气吸附量（Q）。即

2 试验方法

2.1 干燥煤样试验

(1)测定方法概要：实验室筛分制样，制取粒度为0.2-0.3mm的煤样。准确称取50g煤样装入玻璃干燥皿中，80℃真空干燥6小时；将干燥煤样装入煤样杯，于60℃水浴中真空脱气4小时。吸附温度30℃条件下，进行低压吸附，吸附平衡8小时，测定煤样体积；在相同温度条件下，向吸附罐中充入不低于4MPa 甲烷，煤样杯内压力达到平衡后，依次测定6组在相同温度、不同压力条件下的

甲烷吸附量。用压力-吸附量作图，根据Langmuir吸附理论拟合求解煤的吸附常数a、b值。

(2)高压吸附Langmuir方程：

2.2 含饱和水煤样试验

(1)测定方法概要：将制取好的粒度为0.2-0.3mm的煤样，准确称取35g置于玻璃器皿中，均匀加入适量蒸馏水使煤样全部淹没为止，并充分搅拌，室温下放置2h；用玻璃漏斗过滤出多余的水分；将装有煤样的玻璃器皿放入相对湿度为96%-97%、温度为30℃的干燥器中，干燥器底部装有适量的硫酸钾过饱和溶液；每隔24h称重煤样一次，直到相邻两次重量之差不超过煤样质量的2%，则为煤样已达到水平衡；将达到平衡水分的煤样装入煤样杯中，在吸附温度30℃条件下，向煤样杯中充入不同压力的甲烷，测定6组煤在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。用压力-吸附量作图，根据Langmuir吸附理论拟合求解煤的吸附常数Langmuir体积（VL）、Langmuir压力(PL)。

(2)高压吸附Langmuir方程：

3 吸附试验探讨

(1)实验室测定煤的吸附常数，吸附常数表征为a、b、VL、PL，其中a=VL，b=1/PL。随着煤的变质程度，从烟煤到无烟煤，吸附常数a值会增大。试验过程中呈现两种状态，即吸附和解析，在不同压力、温度下，吸附-解析过程在达到平衡前交替进行。温度一定时，压力增大，煤体处于吸附状态；压力降低，煤体从平衡状态向不平衡状态过度，释放气体，处于解析状态。一般认为，吸附曲线与解析曲线是可逆等同的，但也有研究表明，煤的吸附曲线与解析曲线是不重合的，吸附气体从煤体向自由空间释放，气体需要有摆脱束缚的外部能量，因此解析曲线呈现出明显的滞后性。

(2)目前对煤的吸附研究，主要通过理论模型指导和试验研究相结合，但计算吸附量都存在一定程度的不完善之处。赵继展等人提出直接考虑煤样空气干燥基来计算煤的瓦斯吸附含量，采用气体状态方程计算煤层游离瓦斯含量新计算公式，使结果计算准确。

吸附常数的准确性，在煤层气地质评价及综合利用中，直接影响煤层气评价与开发部署。吸附试验中吸附气体的选择也多局限于一元、二元、三元等气体组份；研究表明，煤中主要的三种气体（二氧化碳、甲烷、氮气）的吸附能力从大

到小依次为：二氧化碳、甲烷、氮气；一元气体与混合气体所测定的吸附常数有显著的差异。煤层气中主要成份包括甲烷、重烃、二氧化碳、一氧化碳、氮气等的多组分混合气体，从目前大量研究来看，针对不同地层条件下煤层气全组分气体所做的吸附试验研究太少，所得到的试验成果尚不足以模拟煤层气藏中气体吸附的实际状态。

(3)吸附试验中主要影响因素。

1)试验温度的影响。煤的两种试验方法中，吸附温度设定为30℃。煤的吸附发生在煤表面及孔隙，温度升高，煤的吸附量降低。煤层在不同深度下，其储存温度都不相同；试验中温度应考虑煤层原始储存温度。

2)试验水分的影响。水分是吸附试验中一个重要影响因素，它随着温度的变化性很大。水分子有极性，容易被煤所吸附，充填煤中的孔隙，会优先占据甲烷的位置，因此水分的存在，会降低煤对甲烷的吸附量。因此，从实验室试验角度出发，重点考虑水分对煤的吸附常数的影响，吸附试验条件尽量模拟煤的地下储存条件，使试验结果更具可靠性。由于试验中储存温度、储存压力通常是可知的，所以吸附试验所面临的难题是储存条件下煤中固有水分的恢复。两种吸附试验中，干燥煤样试验较多的针对试验理论结果的计算；饱和水煤样的试验主要考虑煤样原始储存状态。在大部分试验样品中，采样过程及实验室制样过程中，不同程度破坏煤样的原始储存状态，特别是煤样的水分含量，这对煤样吸附常数获取产生很大的不确定性。干燥煤样条件下，吸附量随温度的上升变化幅度较大，下降明显；平衡水分煤样条件下，吸附量随温度的升高变化趋势不明显。煤的吸附试验，优先考虑煤的高压等温吸附试验方法，即饱和水煤样试验方法。煤层气地质勘探中，通过更科学合理的方法采取煤芯煤样，能准确测定煤样的原始储存水分含量及相关储存参数。

3)试验压力的影响。吸附试验中，吸附压力不低于8MPa，煤样吸附才能达到平衡状态。煤层气形成是复杂、漫长的过程，煤的变质程度对试验中所需的平衡压力有影响，大小为：气煤>焦煤>贫煤>无烟煤；其含气量与储存地质情况有很大的关系，一般而言，储存环境封闭性好，煤层气不易渗透、转移，富含量相对就高。而目前我国煤的存储状态中煤层气大部分呈现欠饱和状态，实验室试验中则是理想饱和吸附气状态，试验结果能否真实反映原始储存状态，还有待进一步的论证和研究。

参考文献：