煤层气井排采讲稿_煤层气井排采

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1、吸附的概念：

吸附（adsorption）是指在固相-气相、固相-液相、固相-固相、液相-气相、液相-液相等体系中，某个相的物质密度或溶于该相中的溶质密度在界面上发生改变（与本体相）的现象。几乎所有的吸附现象都是界面浓度高于本体相（正吸附）；也有些电解质水溶液，液相表面的电解质浓度低于本体相（负吸附）。被吸附的物质称为吸附质，具有吸附作用的物质称为吸附剂。吸附量与气相压力或液相溶质浓度和温度有关，是吸附剂的基本性质。在温度一定时，吸附量与压力（气相）或者浓度（液相）的关系称为吸附等温线（adsorption isotherm）。在压力一定时，吸附剂量与温度的关系称为等压线（adsorption isobar）。吸附量一定时，压力与温度的关系称为吸附等量线（adsorption isostere）

2、煤层气赋存状态

通常情况下，90%以上的气体以吸附气的形式保存在煤的内表面，游离状态、吸附状态和溶解状态处在一个动态平衡过程中，其中吸状态可占70%-95%，游离状态约占5%-20%，溶解状态极小，因此煤层气主要以吸附状态赋存在煤基质表面，煤基质表面分子与甲烷分子间的作用力属于范德华力，主要为物理吸附。

煤层气在煤储层中的吸附方式为物理吸附。煤层气之所以能吸附于煤基质的微孔隙和显微裂隙中，是因为煤表面上的力场是不饱和的。这种不饱和力场的存在，使甲烷气体与煤分子之间存在德拜诱导力和伦敦色散力，由此形成吸附势阱。当甲烷气体碰撞到煤体表面，分子运动的动能小于吸附势阱时，气体分子则会被煤分子捕获，从而与煤分子结合在一起，并放出吸附热。由于不同变质程度煤体核心的芳香环数、孔径、力场饱和度等的不同，导致吸附势阱、捕获气体分子能力吸附距离的差异，随着气体分子不断被吸附，煤表面力场不饱和度减小，煤分子与气体分子之间的相互作用力减小，气体分子碰撞的位置离煤体核心的距离变远，被煤分子捕获的可能性减小，直到吸附势阱与气体运动的动能相等时，达到吸附平衡。这样从煤核心到外围的宏观裂隙系统由内到外依次形成稳定吸附层、平衡吸附层和自由气体层。吸附位能理论认为，含瓦斯煤体实际上是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构，即近煤表面为吸附相，吸附相外层为游离气相，吸附相内层为煤体本身所组成的固相;煤层气在煤孔几隙系统的吸附层结构示意图如图 1所示。

图1单个煤体“球形”吸附层结构示意图

3、等温吸附线类型

气体在固体表面的吸附状态多种多样。Brunauer、Deming、Deming和Teller将各种固体—气体的几万根吸附等温线整理成为5大类，后来Sing又增加了一种阶梯型类型，现在一共分为6大类。

Ⅰ型：Langmuir 等温线

A由于单分子层的吸附作用力很大，表面吸附位的反应性高，属于电子转移型吸附相互作用，这时的吸附大多不可逆，被视为化学吸附；B活性炭和沸石常呈这种类型，固体具有超微孔和极微孔，外表面极比孔内表面积小很多。在低压区，吸附曲线就迅速上升，发生微孔内吸附，在平坦区发生外表面吸附，微孔吸附势很大。Ⅱ型:S 型等温线

非多孔性固体表面或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过程。在低P/P0处有拐点，是等温线的第一个陡峭部,等温线向上凸，相当于单分子层吸附的完成。随着相对压力的增加，开始形成第二层，在饱和蒸气压时，吸附层数无限大。Ⅲ型：在整个压力范围内凸向下，曲线没有拐点 在憎液性表面发生多分子层，或固体和吸附质的吸附相互作用小于吸附质之间的相互作用时，呈现这种类型。例如水蒸气在石墨表面上吸附或在进行过憎水处理的非多孔性金属氧化物上的吸附。在低压区的吸附量少，表明吸附剂和吸附质之间的作用力相当弱。相对压力越高，吸附量越多，表现出有孔充填。Ⅳ型：

低P/P0区曲线凸向上，与Ⅱ型等温线类似。在较高P/P0区，吸附质发生毛细管凝聚，等温线迅速上升。当所有孔均发生凝聚后，吸附只在远小于内表面积的外表面上发生，曲线平坦。由于发生毛细管凝聚，在这个区内可观察到滞后现象，即在脱附时得到的等温线与吸附时得到的等温线不重合，脱附等温线在吸附等温线的上方，产生吸附滞后。氮气、有机蒸汽和水蒸气在硅胶上吸附属这一类。Ⅴ型: 等温线的特征是向相对压力轴凸起。与III型等温线不同，在更高相对压力下存在一个拐点。V型等温线来源于微孔和介孔固体上的弱气－固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常见此类线型.如水蒸气在活性炭或憎水处理过的硅胶上的吸附。VI型

等温线以其吸附过程的台阶状特性而著称。这些台阶来源于均匀非孔表面的依次多层吸附。液氮温度下的氮气吸附不能获得这种等温线的完整形式，而液氩下的氩吸附则可以实现。

4、单分子层吸附Langmuir方程 四个假设条件1固体表面存在未饱和力场，具有吸附气体的能力2不考虑气体分子之间的相互作用3吸附是单分子层吸附，吸满一层气体分子后不再吸附4固体表面均匀，吸附热不变。

方程的原始推导：

假定固体表面是均匀的, 对气体分子只做单分子层吸附，设气体的压力为p，未被气体分子吸 附的表面积百分数为θ0。气体分子吸附的速度与气体的压力成正比, 也与未被气体分子吸附的表面积成正比, 则吸附速度

（1）

式中，c为比例常数。

气体脱附的速度与吸附气体分子所覆盖的表面积的百分数成正比，也与被吸附的气体分子中那些具备脱离表面逸向空间所需能量的分子所占的比例成正比.设吸附气体分子所覆盖的表面积的百分数为θ, 设-εα为脱离表面逸向空间所需的最低能量, 即吸附热εα, 被吸附在表面的总分子数为Nα,其中能量超过-εα的分子数为N*α, 则有

（2）

式中, f 为比例系数;k为玻尔兹曼常数。则脱附速度

（3）

式中, d为比例系数。

达到吸附平衡时, 吸附速度应等于脱附速度, 即Ra= Rd , 所以

（4）

未被气体分子吸附的表面积百分数θ0与吸附气体分子所覆盖的表面积的百分数θ之和应等于1,即

（5）

将(5)式代入(4)式, 可得单分子层吸附方程

（6）

式中,如果以Q表示单位固体表面上吸附的气体的量, a表示单位固体表面上饱和吸附气体的量, 则Langmuir 方程转化为常用的形式:

（7）

在压力很低时,(7)式分母中的bp相对于1可以忽略不计, 吸附气体量Q与压力p 成正比;在压力很高时,(7)式分母中的1相对于bp可忽略不计, 吸附气体量Q达到饱和, 即发生饱和吸附。

兰格缪尔方程的形式：应用最多的形式

式中P—压力：V一吸附体积；Vm—单分子层体积； b—常数。如果把上式改写成线性方程，有

P／V对P作图得一直线，由斜率和截距便可求出常数Vm和b。更为简单的表达式为：

式中V—吸附量； P—压力；

PL—兰氏压力，在此压力下吸附量达最大吸附能力的50％；

VL—兰氏体积，反映煤体的最大吸附能力，与温度、压力无关，取决于煤的性质。

通过实验可难确测定VL和PL两常数。令b=1/p，则兰氏方程可改写为

兰氏吸附方程在低压下可简化为亨利定律

b—亨利常数，即吸附等温线的斜率，b值越大初始解吸(吸附)速率越大温度的影响就包含在b值中；Q—吸附热；α—系数。

5、多分子层吸附

动力学理论中另一分支是多分子层吸附理论，是兰氏单分子层吸附理论的扩展。该理论将兰氏对单分子层假定的动态平衡状态用于各不连续的分子层。另外，再假设第一层中 的吸附是靠固体分子与气体分子间的范德华力，而第二层以上的吸附是靠气体分子间的范 德华力。吸附是多分子层的，但不是第一层吸附满时再进行第二层吸附，而是每一层都可能 有空吸附位，层是不连续的。这种吸附称B.E.T吸附，由B．E．T方程描述。在较高的压力下，多分子层吸附存在的可能性更大。

式中P—蒸汽压力； P0—饱和蒸汽压力；

c—与气体吸附热和凝结有关的一个常数。可将B．R．T二常数公式，可改写为

以x／y(1—x)对x作图，由斜率和截距可求出Vm和c。

但对多层吸附而言，由于受孔径限制．吸附层只能为n层，则导出B．E．T之三常数方程：

该式在给定不同条件时，可得出所有五种等温线方程。6．D—R和D—A方程

D—R(Dubinin—Badushkevich)和D—A(Dubinin—Astakhov)方程在对煤/单组分气体等温吸附模拟时较难确。其表达式分别为

式中 D—常数； n—指数。

共中，V0、D和n可用最小二乘法结合MATLAB多因素优化算法进行优化。此外还有其他的理论，如位能理论，Collin综合性理论等等。

7、煤吸附性能的主要影响因素：

煤体表面过剩自由能的存在，是发生气体吸附的根本所在;而外界条件(温度、压力)等的变化对煤体吸附甲烷量的多少起着重要的作用。对煤吸附性能的影响主要包括内部因素和外部环境两个方面。

表面自由能的大小与煤体孔径大小、比表面积、孔隙体积息息相关。煤岩成分、煤变质程度等对煤孔隙大小影响较大。

影响吸附性能的内部因素主要包括煤的物质组成、孔隙度、孔容、孔面积、孔隙大小、灰分和水分含量等。

(1)煤的物质组成对煤吸附能力的影响。煤的物质组成包括煤的显微组分和矿物质。显微组分的孔隙和内表面差异往往较大。造成吸附能力的不同；一般认为，矿物质含量越高，其吸附能力越低。

(2)煤孔隙特征对煤吸附能力的影响。煤吸附与煤孔隙特征的关系主要通过煤的孔径、孔隙度和比表面积来表征。煤对甲烷吸附能力与总孔体积、总孔比表面积、微孔比表面积呈正相关关系。煤的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。

(3)灰分和水分对煤吸附能力的影响一般认为，煤灰分的增加，使煤对甲烷气体的吸附能力下降。煤中水分增高，煤的吸附能力将下降。当水分被煤体吸附时，必定占据一定的孔隙空间，从而使甲烷气体的吸附量减少。

影响吸附性能的外部环境主要包括煤储层温度、压力等。

8、煤层气解吸机理

煤储层中的游离气、溶解气和吸附气在储层条件下处于一种动平衡状态。储层压力、温度等的改变将打破这种平衡，引起煤层气三种赋存状态之间的转变。吸附态转变为游离态是储集在煤层中的吸附气得以开采的前提。或采取储层压力降低方式，使气体分子运动的活化能降低，吸附气转变为游离气;或采取竞争吸附手段，让其他气体与甲烷气体争夺储存空间，吸附甲烷转变为游离气;或将二者有机结合，也可使煤层气从吸附态转变为游离态。在此思想指导下，各煤层气开采国采取了抽取煤储层孔一裂隙系统中的水，使储层压力降低或采取竞争吸附、增能(注N2、CO2气体)等方法来开采煤层气，从而形成了有别于常规天然气的“排水一降压”特殊开发工艺。