CH4、CO2、N2及其多元?dú)怏w在煤層中吸附-運(yùn)移機(jī)理研究.pdf

1、由人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體(CO2,CH4等)濃度增加所引起的全球氣候變化問(wèn)題已經(jīng)成為影響世界經(jīng)濟(jì)秩序、政治格局和國(guó)際關(guān)系的一個(gè)重要因素以及決定世界能源前景的關(guān)鍵。減少溫室氣體排放除了提高能源效率、利用清潔能源和清潔燃燒技術(shù)外,另外的重要途徑是二氧化碳的捕集和封存(CCS技術(shù))。目前可用于CO2地下封存的場(chǎng)地主要有耗竭的油氣田、沉積盆地內(nèi)的咸水含水層和無(wú)商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的不可采煤層等。其中將CO2或者煙道氣(主要成分為CO2、N2)注入不可采

2、煤層不僅能提高煤層氣的采收率,同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)CO2的封存,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,這一技術(shù)原理涉及到CH4、CO2、N2多元?dú)怏w在煤層中的吸附、解吸,擴(kuò)散,滲流等多物理過(guò)程;之外,由于在煤礦開(kāi)采過(guò)程,也有CO2、CH4、N2等氣體的涌出,故多元?dú)怏w在煤層中的吸附/解吸、運(yùn)移的研究對(duì)于煤炭井工開(kāi)采的煤與瓦斯動(dòng)力突出的防治也具有重要指導(dǎo)意義。因此,論文主要針對(duì)多元?dú)怏w在煤層中的吸附、擴(kuò)散、滲流機(jī)理進(jìn)行了研究,取得了如下成果:
　　

3、 (1)通過(guò)煤對(duì)CO2、CH4、N2及其多元?dú)怏w的吸附實(shí)驗(yàn)研究了氣體壓力,組分濃度對(duì)吸附選擇性的影響,發(fā)現(xiàn)CO2/CH4、CO2/N2、CH4/N2之間的選擇性系數(shù)是隨著氣體壓力的變化而變化的;對(duì)擴(kuò)展langmuir方程和IAS理論描述煤樣吸附CO2/CH4混合氣體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)IAS方程能很好的描述吸附選擇性系數(shù)隨壓力變化這一現(xiàn)象,更適用于多元?dú)怏w的吸附;通過(guò)分子模擬研究了溫度、壓力及不同孔徑條件下煤對(duì)CO2/CH

4、4吸附選擇性的影響,發(fā)現(xiàn)存在使得CO2/CH4選擇性系數(shù)最大的最適溫度、壓力條件,可以為現(xiàn)場(chǎng)工藝條件的優(yōu)化選擇提供參考;建立了基于熱力學(xué)方法的煤巖吸附變形模型,并結(jié)合分子模擬得出煤巖吸附氣體產(chǎn)生的膨脹主要由微孔吸附導(dǎo)致;
　　 (2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同氣體在煤中具有不同的擴(kuò)散系數(shù),發(fā)現(xiàn)CO2在煤中的擴(kuò)散系數(shù)大于CH4,而且氣體的擴(kuò)散系數(shù)與壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著壓力的增加而減少,最終趨于一個(gè)恒定的值;基于maxwell-stef

5、an理論,建立了多元?dú)怏w在煤中的吸附-擴(kuò)散模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)多元體系下氣體組分之間的相互作用對(duì)于擴(kuò)散影響不可忽略;
　　 (3)實(shí)驗(yàn)研究了吸附不同氣體對(duì)煤巖滲透特性的影響,發(fā)現(xiàn)同等條件下,吸附CO2時(shí)煤巖滲透率最低,其次是CH4,然后是N2,而CO2氣中混入一定量的N2時(shí),煤巖滲透率會(huì)有所恢復(fù),且混合氣中CO2含量越高,煤巖滲透率越低;煤樣滲透率與壓力加載路徑有關(guān),純CO2,CH4,N2壓力加、卸載過(guò)程的煤樣滲透率

6、一壓力曲線存在滯后現(xiàn)象;建立了應(yīng)力、氣體壓力以及吸附膨脹效應(yīng)耦合作用下的滲透率模型,并比較了不同應(yīng)力、邊界條件下的滲透率變化規(guī)律,通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),煤巖的滲透性與其所處的應(yīng)力狀態(tài)以及邊界條件有關(guān);
　　 (4)建立了多場(chǎng)耦合作用下多元?dú)怏w在煤層中的運(yùn)移方程,并通過(guò)數(shù)值模擬探討了不同因素對(duì)于CO2-ECBM過(guò)程的影響;
　　 (5)對(duì)CO2注入煤層后地層穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,在確保地層穩(wěn)定的前提下,存在一個(gè)臨界CO2注入壓力,給出