天然气地球科学
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天然气地球科学 ›› 2020, Vol. 31 ›› Issue (12): 1826–1836.doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.06.008

• 非常规天然气 • 上一篇    

温度对中高阶烟煤甲烷吸附—常压/带压解吸过程中煤体变形影响实验

张宝鑫1,2(),邓泽2,傅雪海1(),郝明1,周荣福1,李玉寿1,王振至1   

  1. 1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116
    2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 收稿日期:2020-02-28 修回日期:2020-06-28 出版日期:2020-12-10 发布日期:2020-12-11
  • 通讯作者: 傅雪海 E-mail:bxzhang@cumt.edu.cn;fuxuehai@cumt.edu.cn
  • 作者简介:张宝鑫（1995-），男，吉林白山人，博士研究生，主要从事非常规天然气储层研究. E-mail: bxzhang@cumt.edu.cn.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(41772158)

Characteristics of medium-high rank bituminous coal deformation during methane adsorption- desorption with atmospheric pressure/with successively decreasing outlet pressure at different temperatures

Bao-xin ZHANG1,2(),Ze DENG2,Xue-hai FU1(),Ming HAO1,Rong-fu ZHOU1,Yu-shou LI1,Zhen-zhi WANG1   

  1. 1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Formation Process，Ministry of Education，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
    2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China
  • Received:2020-02-28 Revised:2020-06-28 Online:2020-12-10 Published:2020-12-11
  • Contact: Xue-hai FU E-mail:bxzhang@cumt.edu.cn;fuxuehai@cumt.edu.cn
  • Supported by:
    The National Natural Science Fund of China(41772158)

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7

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272

摘要：

为探究不同温度条件下中高阶烟煤在吸附、常压/带压解吸甲烷过程中的变形特征，以取自山西省的5件中高阶烟煤为研究对象，采用自行设计的吸附/解吸变形测量仪进行了甲烷吸附—常压解吸（出口压力为大气压）及吸附—带压解吸（出口压力逐次降低）过程模拟，动态监测了不同温度条件下甲烷吸附—解吸过程中的煤体变形特征。结果表明：甲烷吸附—解吸过程中产生的煤体变形的增量随时间的增长逐渐减小，由于煤样的非均质性使得不同方向的煤体变形量存在差别，垂直层理方向变形量大于平行层理方向，变形量与吸附/解吸量呈现正相关关系。部分甲烷被煤样吸附后在大气压条件下无法重新解吸，使得煤样在吸附—解吸循环后存在一定残余变形。煤样吸附量、吸附膨胀变形量及残余变形量随温度升高整体上呈现为减小的趋势，但解吸率与温度呈现为正相关趋势，且常压解吸过程解吸率随温度变化更为明显，说明了温度升高使得煤样吸附能力减小，煤体变形量随之减小，另一方面温度升高促进了甲烷解吸并抑制了甲烷吸附，使得煤样解吸率提高，残余变形量随之减小。

关键词: 煤层气, 煤体变形, 常压/带压解吸, 温度, 实验

Abstract:

To explore the deformation characteristics of medium-high rank bituminous coal during the process of methane adsorption-desorption at different temperatures， five coal samples from Shanxi Province were selected for this study. The processes of adsorption- under atmospheric pressure desorption and adsorption-pressure desorption（successive reduction of outlet pressure）of methane were simulated by custom-designed instruments. The deformation characteristics of this suite of coals during adsorption and desorption at different temperatures were dynamically monitored. The results show that the amount of coal deformation in the process of adsorption and desorption decreases gradually with the increase of time. Due to the heterogeneity of coal samples，the deformation in different directions is slightly different. The deformation perpendicular to the bedding direction is greater than that of parallel to the bedding direction. A positive correlation was found between the strain and the volume of adsorption/desorption. After methane is adsorbed by coal samples， not all adsorbed methane can be desorbed again under atmospheric pressure， resulting in some residual deformation of coal after an adsorption desorption cycle. The adsorption volume， swelling induced by adsorption and residual deformation of coal samples all show a decreasing trend with increasing temperature. However， the desorption rate and temperature show a positive correlation trend， and the desorption rate changes more obviously with the temperature in the atmospheric desorption process. It indicates that the adsorption capacity of coal decreases with the increase of temperature， which in turn results in the decrease of coal deformation. On the other hand， the increase of temperature promoted methane desorption and inhibited methane adsorption， resulting in the increase of coal desorption rate and the decrease of residual deformation.

Key words: Coalbed methane, Coal deformation, Desorption with constant/successively decreasing outlet pressure, Temperature, Experiment

中图分类号: 

  • TE135

表1

样品基础参数测试结果"

样品编号煤田镜质体反射率/%水分 /%灰分 /%挥发份 /%固定碳 /%
TB霍西0.770.577.5139.0752.85
LYZ霍西0.970.664.0127.3168.02
ZZG霍西1.280.5016.0026.3057.20
WZ沁水1.731.125.2416.0077.64
XL沁水2.041.0213.3616.7768.85

图1

实验仪器示意[25]"

图2

不同温度条件下甲烷吸附—常压解吸过程变形量—时间关系曲线"

表2

不同温度条件下甲烷吸附—常压解吸累计变形量和残余变形量实验结果"

样品

编号

温度 /℃吸附过程 应变量/με解吸过程 应变量/με残余 变形量/με
环向轴向环向轴向环向轴向
TB301 3041 1351 20690498231
40967921830810137111
508557077766337974
LYZ301 050518914116136402
4084562574647799148
507634107003646346
ZZG30988547735225253202
408874158233276488
508253837793144669
WZ302 3841 8392 2271 75415785
402 2171 6852 0781 62813957
502 1181 5722 0231 5139559
XL302 1131 9552 0281 84285113
401 9351 8131 8731 7426271
501 8681 7031 8231 6384565

表3

不同温度条件下吸附—常压解吸过程中累计吸附/解吸量及解吸率结果"

样品编号温度 /℃吸附量 /（cm3/g）解吸量 /（cm3/g）解吸率 /%
TB307.625.8076.1
406.375.3383.7
505.774.9084.9
LYZ305.404.0074.1
404.643.8182.1
504.233.5684.1
ZZG303.492.5071.7
403.322.4975.0
503.092.4278.3
WZ3012.1510.3084.8
408.527.3486.2
507.456.5187.4
XL3014.9211.8079.1
4011.299.4283.4
509.738.2684.8

图3

甲烷吸附—常压解吸过程变形量与吸附/解吸量、解吸率的关系"

图4

煤样吸附变形量与煤岩煤质关系"

图5

不同温度条件下甲烷吸附—带压解吸过程中变形量—时间关系曲线"

表4

不同温度条件下甲烷吸附—带压解吸过程累计吸附/解吸量及解吸率"

样品编号温度 /℃吸附量 /（cm3/g）解吸量 /（cm3/g）解吸率 /%
TB307.666.1079.6
406.105.1384.1
505.244.4384.6
LYZ305.434.5082.9
404.713.9583.8
504.163.5585.3
ZZG303.533.0084.9
403.192.7084.8
503.293.0291.8
WZ3012.1210.5086.6
408.317.2086.7
507.186.3187.9
XL3014.9413.0087.0
4011.019.6387.4
509.938.7387.8

图6

甲烷吸附—带压解吸过程变形量与吸附/解吸量、解吸率的关系"

图7

变形量与吸附量拟合"

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