煤吸附超臨界狀態(tài)甲烷-水蒸氣規(guī)律及注熱增產(chǎn)機(jī)理研究.pdf

1、注熱增產(chǎn)煤層氣是時下煤層氣增產(chǎn)的有效方法之一。儲層條件多數(shù)超過甲烷的臨界溫度和臨界壓力，所以煤層中的甲烷更多以超臨界狀態(tài)存在。注熱增產(chǎn)煤層氣時，面臨的首要問題是如何置換出吸附態(tài)的超臨界狀態(tài)甲烷。當(dāng)煤層中注入水蒸氣時，水蒸氣同樣會在煤孔隙裂隙表面上吸附，打破煤吸附超臨界狀態(tài)甲烷的吸附平衡。由于煤層中的超臨界甲烷大多以吸附態(tài)存在的，所以研究煤吸附超臨界狀態(tài)甲烷吸附模型和水蒸氣吸附機(jī)理與吸附規(guī)律顯得尤為重要。
　　本文依據(jù)熱力學(xué)理論分析

2、了吸附過程熱量的變化；依據(jù)表面物理化學(xué)原理分析了不同煤階煤吸附超臨界甲烷和水的吸附特性；依據(jù)有機(jī)化學(xué)知識分析了煤分子結(jié)構(gòu)，并采用密度泛函理論（DFT）模擬計算不同煤階與甲烷、水的競爭吸附機(jī)理，探索注熱開采機(jī)理。主要結(jié)論如下：
　　（1）以超臨界狀態(tài)甲烷為研究對象，分別根據(jù)吸附勢理論模型和等量吸附熱吸附模型，構(gòu)建了兩種由超臨界吸附等溫方程和任意兩組等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測計算任意等溫度條件下的超臨界吸附量的方法。根據(jù)27.5℃、50℃下

3、的實(shí)測吸附等溫線，采用兩種計算方法分別計算了40℃下的超臨界吸附等溫線。計算結(jié)果與40℃實(shí)測的吸附等溫線比較，兩種計算方法都與實(shí)測結(jié)果基本一致，吸附勢模型計算過程更簡單。
　?。?）根據(jù)量子化學(xué)密度泛函理論，采用Gaussian軟件模擬了褐煤分子、高揮發(fā)分煙煤分子、無煙煤分子等不同煤階煤分子與CH4分子之間、水分子之間的吸附機(jī)理和注熱開采煤層氣的增產(chǎn)機(jī)理。模擬計算結(jié)果表明：
　　①不同煤階的煤分子吸附 CH4的吸附位點(diǎn)不同，

4、褐煤分子吸附 CH4最穩(wěn)定的位點(diǎn)在褐煤分子上方3.9683×10-10m處，吸附能為-20.92kJ/mol；高揮發(fā)分煙煤分子最穩(wěn)定吸附位點(diǎn)在于高揮發(fā)分煙煤分子上方，六元環(huán)側(cè)，分子之間的距離為4.596×10-10m，吸附能為-27.79kJ/mol；無煙煤分子吸附最穩(wěn)定位點(diǎn)在無煙煤分子平面上方4.6107×10-10m處，吸附能為-38.92kJ/mol。上述三種煤階吸附 CH4的作用范圍都在范德華力有效作用范圍以內(nèi)，無論煤階如何，煤

5、分子與CH4之間是物理吸附，且隨著變質(zhì)程度增加，吸附CH4的吸附能增加，即煤階越高，吸附越穩(wěn)定。
　?、诋?dāng)水分子吸附平衡時，H2O和褐煤分子、高揮發(fā)分煙煤分子和無煙煤分子中的羥基形成氫鍵。通過Mulliken電荷布局分析，得知煤分子中的羥基為氫鍵給予體，水分子為氫鍵受體，由于電荷偏移，導(dǎo)致了煤分子中的羥基鍵能和水分子中的羥基鍵能都發(fā)生了改變。褐煤分子中含氧官能團(tuán)種類較多，羧基吸附 H2O能力最強(qiáng)，此時的吸附結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。通過比較吸附

6、CH4時的和H2O時的吸附能，得到不同煤階煤分子對H2O的吸附能力均要強(qiáng)于CH4，氫鍵的作用強(qiáng)于范德華力。
　?、郛?dāng)CH4、H2O同時存在吸附體系中時，H2O會搶占CH4的吸附位，并且H2O與煤分子之間的距離均要比CH4近，吸附H2O的能力要強(qiáng)于吸附CH4。由于水與煤的吸附能大，與煤分子間距離近，H2O與CH4之間存在競爭吸附，所以注熱蒸汽能提高煤層氣采出率。
　　（3）為最大限度的置換出吸附態(tài)下的超臨界甲烷，又不注入過量水