12.18 论文推荐｜刘 操等：气源岩吸附试验的机理及吸附特征新认识

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作 者

刘 操^1,2,3,张玉贵^1,2,3,4,贾天让^1,2,3,钟福平^1,2,3

作者单位

1. 河南理工大学 安全科学与工程学院；2. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地；3. 全国煤炭行业瓦斯地质与瓦斯防治工程研究中心；4. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心

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研究背景

我国煤层气和页岩气开发近年来得到了长足发展和持续增产,因为煤层气和页岩气赋存在富含有机质的煤、页岩等气源岩储层中,其主要成分为甲烷,所以在实验室测试甲烷在气源岩中的吸附、解吸和扩散渗流等物理特性变成了矿井瓦斯抽采、煤与瓦斯突出防治和页岩气开发等领域的研究热点。

甲烷在气源岩储层中主要以游离相和吸附相赋存,其中绝大多数以吸附相的形式存在,研究表明页岩气中的吸附相资源量约为15%~80%,煤层气中的吸附相资源量超过80%。因此,要掌握各开采气田中的煤层气和页岩气的储量、气含量、产量和可持续开采能力等基础指标,首先得准确 掌握煤、页岩等气源岩的吸附能力和吸附特征。

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摘 要

吸附常数是煤矿瓦斯防治、煤层气抽采、页岩气开发等工程必备的基础指标。然而,大量吸附试验却得出了两类特征迥异的吸附等温线:Langmuir型和“峰值型”,普遍采用Langmuir模型拟合这些非Langmuir型等温线,不但得出了错误的吸附常数,而且带来了极大的生产安全风险。

鉴于此,本文经过吸附试验机理推导、等温吸附试验、等温线校正和误差分析,得出:

①等温吸附试验只能测出由Gibbs吸附量组成的“峰值型”等温线,出现峰值拐点的本质原因是等温吸附原理中减掉了Gibbs舍弃量ρv ^a,并非负吸附、超临界吸附等原因造成的。

②Gibbs吸附等温线出现峰值拐点的临界压力是由Gibbs舍弃量ρv ^a决定的,其中,煤体结构决定了吸附相体积v^a的大小,试验温压条件决定了游离相密度ρ的大小。

③煤和页岩吸附属于物理吸附,其实际吸附量等温线在达到饱和吸附压力后必然形成Langmuir型等温线。截距法根据Gibbs等温线的下降特征反推吸附相密度所得出的实际吸附量等温线完全符合饱和吸附的物理特征,是合理可靠的;液相法采用液相密度代替吸附相密度,不仅缺乏理论依据而且误差较大;Langmuir模型法运用LM算法拟合吸附相密度,需要人为设定各未知参数的初始值和边界值,存在较大的人为误差。

④不能将实验室测试出的吸附等温线直接应用于吸附常数计算、非常规气资源量预测等,原因是体积法常因试验压力较低引起未饱和吸附、忽视Gibbs舍弃量等误差,而重量法在高压条件下测得的“峰值型”吸附等温线必须校正后才能使用。

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文中图片

基于吸附相的吸附模型

煤体瓦斯吸附装置示意

吸附等温线测试结果及截距法示意

Langmuir改进模型对煤样PG1的2条吸附等温线拟合结果

Langmuir改进模型对煤样PY2的2条吸附等温线拟合结果

实际吸附量等温线校正结果对比

吸附等温线的线性特征(以煤样PG1∶ 10 ℃为例)

刘操，男，1979年7月1日生，四川南江人，讲师，博士研究生。2006年就职于河南理工大学安全科学与工程学院，从事煤矿瓦斯治理和瓦斯地质方面的教学和科研工作。教学方面主讲《瓦斯灾害防治》和《煤矿地质学》等课程。科研方面作为主要完成人完成了国家“十一五”、“十二五”科技重大专项《全国重点煤矿区瓦斯（煤层气）赋存规律和控制因素》，曾主持过煤与瓦斯突出矿井鉴定、瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采系统设计和突出煤层保护层开采等与煤矿安全相关的横向项目20余项，曾在《Fuel》、《煤炭学报》等期刊公开发表学术论文数篇，并获得省部级和市厅科研奖励数项。

研究方向

瓦斯地质与瓦斯治理，非常规天然气勘探与开发

主要成果

致力于煤层气和页岩气等富有机质储层的吸附扩散规律研究，取得多项创新性成果，发现了当今的科技手段只能测量Gibbs表面过剩吸附量，不能将实验测得的吸附量直接用于煤矿瓦斯灾害治理、非常规天然气储量评估等工程实践；揭示了富有机质岩石吸附等温线下拐现象的本质原因是实验测定的吸附相质量忽略了Gibbs舍弃量ρv_a；建立了煤体瓦斯吸附动力学模型及试验新方法，解决了传统压降法和解吸法采用压力变化量/瓦斯流量代替吸附/扩散量、温压波动和Gibbs舍弃量等试验精度问题。

刘操,张玉贵,贾天让,等. 气源岩吸附试验的机理及吸附特征新认识[J]. 煤炭学报,2019,44(11):3441-3452.

LIU Cao,ZHANG Yugui,JIA Tianrang,et al. New interpretation of adsorption test mechanism and adsorption law for gas source rock[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3441-3452.

审 核：

End

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