无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

张松航^1,2，张守仁³，唐书恒^1,2，信迪^1,2，刘冰^1,2

1. 中国地质大学(北京)能源学院2. 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室3. 中联煤层气有限责任公司

摘 要：煤中CH₄和CO₂的运移和竞争吸附,是煤中CO₂封存和提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试（低温液氮和二氧化碳吸附实验）和纯甲烷、二氧化碳及其混合气（体积分数75%CH₄+25%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,25%CH₄+75%CO₂）吸附试验。基于混合气吸附相密度计算,分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH₄,CO₂吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:（1）煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1～2个数量级,是煤岩吸附的主要场所;（2）高阶煤气体吸附分离因子（S（CO₂-CH₄））随平衡压力和气体体积分数于3～20变化,一般随压力的升高而下降,与煤中微、小孔发育正相关;（3）双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程,总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低,且在相同压力下,大孔等效扩散率随CO₂体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显,大孔扩散占比随压力升高呈"V"型变化。项目成果有助于深入理解CH₄和CO₂的吸附解吸过程。

关键词：无烟煤;CO₂-ECBM;竞争吸附;混合气扩散;沁水盆地;