气体吸附解吸对煤中孔隙发育与结构的影响.ppt

气体吸附/解吸对煤中孔隙发育与结构的影响,汇报人: 吉小峰 (博士研究生) 导 师 : 宋党育 教授 单 位: 河南理工大学 资源环境学院 邮 箱：jxf1025@ 日 期: 2016/9/23,全国古地理学及沉积学学术会议学术报告,汇 报 提 纲,一、研究背景与意义 二、实验方法和过程 三、实验结果和讨论 四、结论,1.1 研究背景及意义,我国煤储层具有低渗、低压、低含气饱和度等特点 传统水力压裂对低渗低压煤层改造和增产效果不是很理想 水力压裂伴注氮气开采煤层气技术，一定程度上可提高煤储层的能量，起到增产的效果煤层气产出过程：,宏观裂隙 大、中、小、微 显微裂隙 阶梯状、雁列式、帚状 孔隙 大孔、中孔、微孔 渗流孔、吸附孔,三元结构模型,1.1 研究背景,气体的解吸或者运移是否会引起煤中孔隙形态、规模和分布的改变？,1.2 研究现状,注入高压氮气是否会引起煤中孔隙形态、规模和分布的改变？,1.3 研究意义,通过注入高压氮气置换甲烷实验，研究实验前后煤孔隙的发育规模和结构的变化，探究煤层气增透、增产的内在机制 煤孔隙形态和结构的变化研究，为煤层气注气参数优选和渗透率预测提供实验和理论支撑。

汇 报 提 纲,一、研究背景与意义 二、实验方法和过程 三、实验结果和讨论 四、结论,2.1 煤样采集与处理,,1. 煤样采集于河南鹤壁六矿二1煤层，将原煤破碎、研磨和筛分2. 工业分析结果,鹤壁煤样的平均真密度1.48g/cm3，煤类为贫煤-瘦煤煤样粒径：60~80目,实验仪器：ISO-300等温吸附解吸仪,2.2 注入高压氮气置换甲烷实验,配备有压力传感器和数据自动记录及处理软件，可得到平衡压力、吸附量等结果实验分为三个阶段： （1）等温吸附甲烷实验阶段 平衡压力点为6个，依次为1MPa到6MPa （2）注入高压氮气置换甲烷实验阶段 平衡压力点为2个，分别为8MPa到10MPa （3）注入氮气后解吸实验阶段 平衡压力点为8个，依次为9MPa到3MPa,1MPa 备注：平衡时间不少于12小时2.2 注入高压氮气置换甲烷实验,实验结果表明：煤样的吸附能力较好，孔隙结构利于气体解吸2.2 注入高压氮气置换甲烷实验,等温吸附解吸实验结果：,等温吸附参数,鹤壁煤样等温吸附-脱附曲线,汇 报 提 纲,一、研究背景与意义 二、实验方法和过程 三、实验结果和讨论 四、结论,实验仪器：ASAP2020比表面积及孔径分布测量仪,3.1低温液氮吸附实验,配备BET、BJH、NLDFT等理论分析模型，通过分析得到多种孔隙结构参数。

BET模型：孔隙比表面积； BJH模型：1.7~300nm孔隙的孔径分布； NLDFT模型：小于2 nm孔隙的孔径分布；,3.2低温液氮吸附实验分析原理,（一）BET模型，多分子层BET吸附方程：,,式中，P为吸附气体压力，MPa；P0为氮气饱和蒸汽压力，MPa；V为相对压力为P/P0时吸附气体体积，cm3；Vm为单分子层吸附饱和时的吸附体积，cm3；C为有关第一吸附层上的吸附能相关系数，其与吸附质和吸附剂性质有关煤样的比表面积由下式计算：,,式中， Sw为煤样质量比表面积，m2/g；m为煤样的质量，g1）,（2）,（二）BJH模型，孔隙的半径可根据Kelvin方程计算：,,式中，rk为Kelvin孔隙半径，nm；γ为氮气在沸点时表面张力，8.85N/m；Vm为液氮的摩尔体积，34.70cm3/mol；R为气体常数，8.314J/(mol.K)；T为绝对温度，77K脱附蒸发过程中，真实的孔隙半径为：,,式中， rp为孔隙半径，nm；t 为吸附层厚度，nmBoer J H D提出 t 的简便计算方法：,,（3）,（4）,（5）,3.2低温液氮吸附实验分析原理,（三）NLDFT模型,,1993年，Lastoskie使用改进后非定域密度函数理论（NLDFT）分析微孔碳的孔径分布。

NLDFT可以准确描述固体孔壁内附近的流体结构，依据模型孔道内流体与流体、流体与固体之间的相互作用的分子势能，得到等温吸附曲线 实验测得的等温吸附数据、不同孔径段的等温线、孔径分布函数之间的关系可以用一般化的等温吸附(GAI)方程表示：,,式中， N(P/P0)为实验的等温吸附数据；W为孔宽；N(P/P0，W)是孔宽为W的单一孔等温吸附线；f(W)为孔径分布函数 当吸附体系一定时，可通过密度泛函理论计算得到一组N(P/P0，W))等温吸附线，然后通过非负数最小二乘法解GAI方程就可以得到孔径分布曲线6）,,3.2低温液氮吸附实验分析原理,3.3孔隙形态变化,IUPAC对等温吸附解吸曲线的分类：,鹤壁煤样实验前后低温液氮吸附解吸曲线：,3.3孔隙形态变化,（1）曲线形态未发生明显改变，而吸附量有所降低 （2）曲线属于H4类，有明显的拐点和滞后环，煤样中存在两端开口的楔形孔和墨水瓶孔三种分析计算模型相结合可以得到综合的孔隙结构参数：,（1） 煤样孔隙的BET比表面积显著降低，降低幅度为42.50％； （2）孔隙总比表面积的降幅较大，降低值为5.1659 m2/g； （3）孔隙总体积降低幅度较小，仅降低了0.0016cm3/g； （4）孔隙的BJH平均孔径微小升高。

实验分析结果表明：高压氮气的注入改变了煤样原有的孔隙结构3.3 孔隙发育规模变化,实验前后煤样的孔隙结构参数,根据IUPAC孔隙分类标准，注氮前后孔隙结构变化：,比表面积,孔容,（1）实验前鹤壁煤样孔隙的比表面积以微孔为主，中孔次之，大孔最少，孔容以微孔为主，中孔次之，大孔最少 （2）实验后，煤样的微孔、中孔和总孔的比表面积降低而大孔比表面积略有升高，煤样的微孔、中孔和总孔的孔容降低而大孔孔容升高，说明注入高压氮气解吸后煤样的吸附能力降低，有利于煤层气的产出3.4孔隙分布变化,实验参数： 实验靶材：Cu靶， 测试电压：40 kV， 测试电流：40 mA， 扫描范围：2～90°， 扫描方式：步进式， 扫描速度: 2秒/步3.5 XRD有机微晶结构测试实验,实验仪器：D8 Advance X射线粉晶衍射仪,通过布拉格方程可以计算微晶结构层面间距：,,式中，d002为芳香层面间距，nm；λ为X射线的波长，1.5406 Å；θ002为002峰对应的衍射角，°3.5 XRD有机微晶结构测试实验,XRD实验图谱：,煤样的XRD原始图谱中d002峰的形态、位置和强度基本一致，说明高压氮气对煤中层面间距没有明显影响。

实验结果分析：,汇 报 提 纲,一、研究背景与意义 二、实验方法和过程 三、实验结果和讨论 四、结论,4 结论,,（1）等温吸附结果表明：鹤壁原始煤样的兰氏体积为14.45cm3/g，兰氏压力为5.09MPa，煤中孔隙以开放型微孔为主，表明煤样的吸附能力较好，有利于排采降压开采煤层气 （2）低温氮气吸附解吸实验结果表明：实验前后煤中的孔隙的规模与孔径分布变化比较明显，孔隙孔容和比表面积均有所降低，是因为微孔与中孔的比表面积和孔容的降低，而大孔的比表面积和孔容有所升高，说明注氮后煤样的吸附能力降低，渗透能力得到改善，有利于煤层气的产出 （3）高压氮气置换甲烷实验前后的XRD图谱基本没有变化，说明高压氮气对煤的层面间距没有明显影响谢 谢！ 敬请各位专家、学者 批评指正！,。