天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 12: 1826 - 1836

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.06.008

非常规天然气

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
展开
  • 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
傅雪海（1965-），男，湖南衡阳人，教授，博士生导师，博士，主要从事能源地质研究与教学工作. E-mail: .

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: .

收稿日期: 2020-02-28

  修回日期: 2020-06-28

  网络出版日期: 2020-12-11

收起

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 ZHANG , 1, 2 ,
  • Ze DENG 2 ,
  • Xue-hai FU , 1 ,
  • Ming HAO 1 ,
  • Rong-fu ZHOU 1 ,
  • Yu-shou LI 1 ,
  • Zhen-zhi WANG 1
Expand
  • 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 date: 2020-02-28

  Revised date: 2020-06-28

  Online published: 2020-12-11

Supported by

The National Natural Science Fund of China(41772158)

Fold

本文亮点

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。

本文引用格式

张宝鑫 , 邓泽 , 傅雪海 , 郝明 , 周荣福 , 李玉寿 , 王振至 . 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[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(12) : 1826 -1836 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.06.008

Highlights

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.

0 引言

煤吸附/解吸气体过程中诱发煤体变形，使煤岩骨架结构与煤岩力学性质发生变化，进而影响煤中气体吸附/解吸、扩散及渗流等物理过程［1-4］。因此，深入了解煤层气吸附—解吸过程中的变形特征具有重要意义。前人针对煤体变形进行了大量研究工作，REUCROFT等［5］发现煤在高压气体中因吸附气体而膨胀变形；MOFFAT等［6］用应力法测量了煤吸附甲烷后的体积膨胀量，尽管不同煤级样品的膨胀量不同，但膨胀量的变化遵循相似的趋势，都在0~15 MPa时出现最大值；李祥春等［7］采用实验分析和数值计算相结合的方法，分析了煤层气吸附—解吸过程中煤在不同方向的应变特征，认为轴向应变和环向应变呈现为各向异性。ESPINOZA等［8］发现气体解吸过程中煤基质发生收缩的同时，会产生侧向应力，使得煤样易发生剪切破坏。彭定弦［9］利用回归分析法拟合了解吸量与变形量间的关系，实现了煤层气解吸作用和煤岩体积形变的定量化表征。此外，煤层气解吸过程中煤体发生的收缩变形也会引起储层的孔隙度和渗透率的变化［10-12］。在煤层气开采过程中，随着水、气的开采，储层压力逐渐减小。有效应力增加，煤的裂隙趋于闭合。因此，煤的弹塑性变形可能导致渗透率显著降低。但是，随着煤中甲烷的解吸，煤的体积减小，裂隙趋于张开，这可能导致渗透率增加［13-14］。前人［15-17］通过研究达成了煤吸附气体后体积会发生膨胀变形，解吸气体后会发生收缩变形的共识，但对煤体变形量的影响因素（尤其是温度）的相关研究相对较少。另一方面，已有研究的甲烷解吸实验过程大都属于常压解吸（出口压力直接降至大气压0.1 MPa），由于煤层气井排采是储层压力逐渐降低的过程，即在煤层气井生产的不同阶段、储层的不同部位，煤层气的解吸作用处于不同的带压环境，煤层气的解吸应为压力逐次降低的带压解吸过程［18-19］，前期实验解吸与实际储层解吸存在偏差，尤其是对带压解吸过程中煤体变形的研究鲜见报道。
本文研究中，以取自中国山西省的5件煤样为研究对象，采用自行设计的仪器进行了2种煤层气解吸过程的模拟：一种是出口压力恒定（大气压）；另一种是出口压力逐次降低（模拟煤层气生产过程中的动态井底压力）。同时对不同温度条件下煤层气吸附—解吸过程中煤体变形特征进行了动态监测，分析了温度对煤层气吸附—解吸过程煤体变形的影响，以期为煤层气勘探开发提供基础理论依据。

1 样品采集与测试

1.1　样品采集

本文研究利用5件取自山西省的石炭系—二叠系煤样，样品WZ、XL取自沁水煤田中东部榆社—武乡区块东部周边矿井，区内钻孔煤样实测挥发份产率介于7.49%~28.25%之间，以低挥发份煤为主［20］。样品TB、LYZ及ZZG取自霍西煤田中部霍州市附近矿井，研究区内钻孔煤样实测挥发份产率介于31.71%~38.62%之间，主要为中高—高挥发份煤［21］。5件样品均取自于矿井工作面，用保鲜膜密封后带回实验室，进行相关实验。沿煤层层理方向钻取φ=25 mm的50 mm长度柱状样品进行变形测试，其余的样品用于基础参数测试（表1）。根据ISO标准7404—5—2009测定了镜质体反射率（R O），样品R O介于0.77%~ 2.04%之间。煤样工业分析测试按照ISO 17246—2010标准进行。样品水分介于0.50%~1.10%之间，灰分介于4.01%~16.00%之间，挥发份介于16.00%~39.07%之间。样品水分含量和灰分差异较小，但挥发份差异较大，即煤类为中高阶烟煤。
表1 样品基础参数测试结果

Table 1 The basic parameters of samples

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 0.77 0.57 7.51 39.07 52.85
LYZ 霍西 0.97 0.66 4.01 27.31 68.02
ZZG 霍西 1.28 0.50 16.00 26.30 57.20
WZ 沁水 1.73 1.12 5.24 16.00 77.64
XL 沁水 2.04 1.02 13.36 16.77 68.85

注：表中固定碳=100%—水分—灰分—挥发份

1.2　实验测试

1.2.1　煤体变形量测试

本文研究中对煤体变形量测试采用的仪器为自行设计，可实现煤体变形与吸附/解吸量的动态监测。仪器主要由吸附/解吸系统、恒温系统和记录系统组成。吸附/解吸系统包括1个气瓶和5个样品罐。气瓶用于提供实验中所需的甲烷。每个样品罐体积约为250 mL，设有密封圈以保证实验过程的密闭性。吸附/解吸系统可同时对5个样品进行独立实验，以保证实验结果的一致性。恒温系统包括恒温水浴箱，以保证实验过程的恒温。其最高设定温度为100 ℃，温度控制精度为±1 ℃，温度变化监测精度为0.01 ℃。记录系统由应变仪、无纸记录仪、5个压力传感器和一台计算机组成。应变仪用于测量样品的变形量，包含20个通道，测试精度为1 με。压力传感器用于记录实验过程中的压力变化，测量范围为0~ 30 MPa，精度为0.001 MPa。无纸记录仪用于将压力变化输入到计算机中实现自动采集。此外，仪器还包含必要的导气管、相应接头和阀门（图1）。
图1 实验仪器示意[25]

Fig.1 The schematic diagram of experiment instruments[25]

为更接近煤样的原位温度与压力条件，笔者参考了前人［22-23］对取样区的研究成果，考虑到仪器承受的最高压力有限，本文研究中采用了相对较低的霍西煤田储层压力3.5 MPa，初始温度设置为30 ℃。同时，严敏等［24］发现当温度升高10 ℃时，煤样吸附量可见明显的改变，因此，笔者将实验中温度梯度设置为10 ℃，即实验温度为30 ℃、40 ℃及50 ℃。为使得煤样充分吸附和解吸，将吸附时间设置为72 h，总解吸时间为60 h。具体测试流程为：将贴置好应变片的样品放入样品罐密封后抽真空，防止其他气体对实验的干扰，设定恒温水浴温度为30 ℃。随后注入压力为3.5 MPa的甲烷。待样品仓压力恒定至3.5 MPa，停止甲烷进气，在初始甲烷压力为3.5 MPa条件下充分吸附72 h，吸附过程中煤体变形量可以通过应变仪实时测量。煤样品72 h充分吸附后，打开出口阀门，并调整出口压力为大气压（约为0.1 MPa），让甲烷持续解吸60 h，其解吸过程的煤体变形同样通过应变仪测量，完成常压解吸。随后重复该步骤，与常压解吸过程不同的是，带压解吸过程是逐次调整出口压力至1.5 MPa、 1.0 MPa、0.7 MPa、0.3 MPa及0.1 MPa，每个压力下持续解吸12 h，测量不同出口压力下甲烷解吸和变形特征。至此为一个实验周期，之后改变实验温度为40 ℃、50 ℃重复上述流程，完成不同温度甲烷吸附—解吸过程中煤体变形测试。

1.2.2　吸附/解吸量计算

基于平衡压力及温度，根据式（1）计算不同平衡压力点的吸附/解吸量：
P V = n Z R ( T + 273.15 )
式中：P为气体压力，MPa；V为气体体积（本文实验中为样品缸自由空间体积），cm3；n为气体物质的量，mol；Z为气体的压缩因子，无量纲；R为气体常数，J/（mol·K）；T为温度，℃。
当甲烷物质的量发生变化时，罐内压力就会发生变化。利用式（1）和式（2）便可以求出样品吸附/解吸的CH4的量：
n i = n 1 - n 2
式中：n i为气体摩尔数，mol；n 1为平衡前样品罐内气体的量，mol；n 2为平衡后样品罐内气体的量，mol。
V 吸 附 / 解 吸 量 = V i / G c
式中：V 吸附/解吸量为吸附或解吸量，cm3/g；V i为吸附/解吸的气体的总体积，cm3（换算为标准状况下的体积），由式（4）计算；V m为气体摩尔体积，dm3/mol；G c为煤样质量，g。
V i = n i ×   V m ×   1    000
由式（1）—式（4）导出吸附或解吸量的计算式：
V 吸 附 / 解 吸 = V m × 1    000 × V × ( P 1 / Z 1 - P 2 / Z 2 ) / [ G c × R × ( T + 273.15 ) ]
式中：P 1为平衡前样品罐内气体的压力，MPa；P 2为平衡后样品罐内气体的压力，MPa；Z 1为平衡前样品罐内气体压力对应的甲烷气体压缩因子；Z 2为平衡后样品罐内气体压力对应的甲烷气体压缩因子（温度分别为30 ℃、40 ℃及50 ℃），压缩因子可由REFPROP软件查询。

2 不同温度条件下煤体吸附-常压解吸甲烷过程中的变形特征

同一温度下，5件煤样在甲烷吸附—解吸过程中呈现出相似的变形特征。应变量—时间曲线可见明显的吸附膨胀阶段、因出口压力调节而产生的波动变形阶段以及解吸收缩阶段（图2）。吸附过程应变量—时间曲线形态与朗格缪尔曲线相近，前12 h应变量快速增大，约占总吸附膨胀量的60%以上，而后变形量增长趋于缓慢，24 h后变形量呈现稳定波动趋势。同时，样品呈现出环向应变量（垂直层理方向）大于轴向应变量（平行层理方向）的趋势，环向应变量约为轴向应变量的1.04~2.15倍，反映了煤样在不同方向上的非均质性。解吸收缩变形阶段与吸附过程相似，前12 h应变量快速增大，约占总收缩量的70%以上，而后变形量增长趋于缓慢。煤样在甲烷吸附—解吸过程结束后，终态应变量呈现出大于初始应变量，这是由于煤层气吸附—解吸存在滞后效应，部分气体被煤吸附后在大气压条件下难以再变为游离态，使得煤样产生一定的残余变形［26-27］。
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

Fig.2 The strain-time curves of adsorption-atmospheric desorption at different temperatures

煤样累计吸附变形量及残余变形量随温度的增大呈现为减小的趋势（表2）。当温度由30 ℃增加至50 ℃时，5件煤样环向吸附膨胀减小量［（50 ℃变形量—30 ℃变形量）/30 ℃变形量×100%］的绝对值介于11.1%~34.4%之间，平均为20.2%，轴向吸附膨胀减小量介于12.9%~41.8%之间，平均为27.4%，环向残余变形量减小量［50 ℃残余变形量—30 ℃残余变形量）/30 ℃残余变形量×100%］的绝对值介于19.4%~81.8%之间，平均为48.3%，环向残余变形量减小量介于30.5%~88.6%之间，平均为59.1%。
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

Table 2 The strain and residual strain of adsorption-atmospheric desorption at different temperatures

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
TB 30 1 304 1 135 1 206 904 98 231
40 967 921 830 810 137 111
50 855 707 776 633 79 74
LYZ 30 1 050 518 914 116 136 402
40 845 625 746 477 99 148
50 763 410 700 364 63 46
ZZG 30 988 547 735 225 253 202
40 887 415 823 327 64 88
50 825 383 779 314 46 69
WZ 30 2 384 1 839 2 227 1 754 157 85
40 2 217 1 685 2 078 1 628 139 57
50 2 118 1 572 2 023 1 513 95 59
XL 30 2 113 1 955 2 028 1 842 85 113
40 1 935 1 813 1 873 1 742 62 71
50 1 868 1 703 1 823 1 638 45 65
煤在吸附甲烷过程中放热，而解吸过程则吸热，温度的改变破坏了原始吸附/解吸平衡状态，随着温度的增大，使得平衡状态向吸热过程偏移，气体分子可获得更大的热能，加速了分子不规则的热运动，促进了甲烷的解吸，导致了吸附量的减少［28-31］。为验证不同温度煤样吸附能力的改变，本文计算了煤样在甲烷吸附—解吸过程中的吸附/解吸量，结果表明，当温度由30 ℃增大至50 ℃时，吸附量减小量介于11.4%~38.7%之间，平均为26.2%，吸附量减小导致解吸量减小量介于3.3%~36.7%之间，平均为19.3%。样品ZZG由于吸附量相对较小，相对于其他样品其变化趋势不明显（表3）。煤样变形量与吸附/解吸量呈现为较好的正相关关系［图3（a），图3（b）］，其主要原因是煤对甲烷的吸附为物理吸附，当煤表面吸附甲烷分子时，会在表面产生明显的应力，而后吸附压力驱使甲烷分子进入煤中更小孔隙，甚至与甲烷分子直径大小相近的微孔隙，进而煤基质发生膨胀，而当甲烷从煤中孔隙解吸时，煤体则会发生收缩［16，32］。煤体应变量与吸附/解吸量间存在的正相关关系证明了温度通过改变煤样吸附能力进而影响煤层气吸附—解吸过程中的变形量。
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

Table 3 The adsorption/desorption volume and desorption rate of adsorption-atmospheric desorption at different temperatures

样品编号 温度 /℃ 吸附量 /（cm3/g） 解吸量 /（cm3/g） 解吸率 /%
TB 30 7.62 5.80 76.1
40 6.37 5.33 83.7
50 5.77 4.90 84.9
LYZ 30 5.40 4.00 74.1
40 4.64 3.81 82.1
50 4.23 3.56 84.1
ZZG 30 3.49 2.50 71.7
40 3.32 2.49 75.0
50 3.09 2.42 78.3
WZ 30 12.15 10.30 84.8
40 8.52 7.34 86.2
50 7.45 6.51 87.4
XL 30 14.92 11.80 79.1
40 11.29 9.42 83.4
50 9.73 8.26 84.8
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

Fig.3 The relationship between strain and adsorption/desorption volume and desorption rate of adsorption-atmospheric desorption

5件煤样不同温度下吸附膨胀变形量随镜质体反射率的增大均呈现为先减小后增大的趋势［图4（a）］，其主要原因是煤样吸附量随镜质体反射率的增大呈现为先减小后增大的趋势。研究表明吸附量通常随煤阶的升高而增大［33-34］，煤阶升高煤中微孔比例增大，使得煤的比表面积增大，吸附量相应升高［35-36］。本文研究中取自霍西煤田的3件样品吸附量随镜质体反射率的增大呈现为减小趋势的可能原因是样品LYZ及样品ZZG中微孔发育程度不及样品TB，吸附量较低。5件煤样不同温度下吸附膨胀变形量与水分及固定碳呈现为正相关关系，与灰分产率则相关性较差［图4（a）—图4（d）］，其主要原原因是当煤样中水分含量增加，煤的力学性质发生改变，削弱了煤岩抵抗变形的能力，弹性模量减小［37-38］，导致了相同吸附压力条件下，吸附变形量更高。同时，李俊乾等［38］指出煤岩的弹性模量随着固定碳的增加而减小，因此5件煤样的吸附变形量与固定碳呈现为正相关关系。
图4 煤样吸附变形量与煤岩煤质关系

Fig.4 The relationship between the deformation induced by adsorption and the basic parameters of coal

为定量化表征温度对吸附—解吸平衡的影响，本文计算了煤样的解吸率（累积解吸量/累积吸附量×100%），结果表明，煤样解吸率随温度的升高而增大（表3），说明了温度升高促进了煤层气解吸。样品残余变形量与解吸率呈现为负相关趋势［图3（c）］，说明了温度升高使得煤样吸附—解吸平衡状态向解吸过程发生移动，相同压力与时间内更多的甲烷发生解吸，煤体残余变形量减小。

3 不同温度条件下煤体吸附-带压解吸甲烷过程中的变形特征

带压解吸过程中5件样品应变量—时间曲线可见明显的吸附膨胀变形与解吸收缩变形，每次出口压力调节时刻可见由于压力降低而出现的不同程度的膨胀变形波动，样品终态应变值同样高于起始状态，存在残余变形（图5）。同一温度下，对于不同样品，与常压解吸过程相似，吸附过程中应变量—时间曲线形态与朗格缪尔曲线形态相近，环向应变量大于轴向。与图3相比，同一样品吸附过程中应变量—时间曲线形态存在一定差别，可能的原因是应变片贴置位置的改变，但累积变形量相近，说明了实验结果的可靠性。当出口压力发生变化后，样品在每个出口压力下12 h内解吸过程中收缩变形量呈现出先快速增大，而后增长缓慢的趋势。与常压解吸过程相比，样品累积收缩量呈现出增大的趋势，可能的原因是带压解吸过程更多被吸附的甲烷分子发生解吸。对于同一样品，随着温度的增大，吸附膨胀量、解吸收缩量与残余变形量呈现出减小的趋势。同时，吸附/解吸量与解吸率计算结果表明，随着温度升高，煤样的吸附/解吸量产生了不同程度的减小，而解吸率呈现为增大的趋势（表4），吸附膨胀量、解吸收缩量与吸附/解吸量呈现为正相关趋势［图6（a），图6（b）］，而残余变形量与解吸率呈现为负相关趋势［图6（c）］，进一步证明了温度通过影响煤样的吸附能力和改变吸附—解吸平衡状态进而影响煤体变形量。5件煤样环向吸附膨胀减小量介于15.1%~33.2%之间，平均为22.7%，轴向吸附膨胀减小量介于12.1%~29.2%之间，平均为22.8%，环向解吸收缩减小量介于14.2%~32.0%之间，平均为21.1%，轴向解吸收缩减小量介于12.0%~26.3%之间，平均为20.2%，环向残余变形量减小量介于41.7%~62.2%之间，平均为50.5%，环向残余变形量减小量介于17.9%~68.3%之间，平均为45.93%（表4）。
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

Fig.5 The strain-time curves of adsorption- desorption with successively decreasing outlet pressure at different temperatures

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

Table 4 The adsorption/desorption volume and desorption rate of adsorption- desorption with successively decreasing outlet pressure at different temperatures

样品编号 温度 /℃ 吸附量 /（cm3/g） 解吸量 /（cm3/g） 解吸率 /%
TB 30 7.66 6.10 79.6
40 6.10 5.13 84.1
50 5.24 4.43 84.6
LYZ 30 5.43 4.50 82.9
40 4.71 3.95 83.8
50 4.16 3.55 85.3
ZZG 30 3.53 3.00 84.9
40 3.19 2.70 84.8
50 3.29 3.02 91.8
WZ 30 12.12 10.50 86.6
40 8.31 7.20 86.7
50 7.18 6.31 87.9
XL 30 14.94 13.00 87.0
40 11.01 9.63 87.4
50 9.93 8.73 87.8
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

Fig.6 The relationship between strain and adsorption/desorption volume and desorption rate of adsorption- desorption with successively decreasing outlet pressure

多次吸附实验中5件煤样吸附量与变形量虽略有差别，但二者之间均呈现为良好的正相关关系。由于当温度改变时，煤样的吸附量发生变化进而导致了变形量的改变，因此本文以吸附量为中间量，尝试建立起了变形量与温度的关系式。对不同温度条件下2次吸附实验中煤体变形量与吸附量进行拟合得到二者间的函数关系，拟合精度相对较高，相关系数在0.7以上（图7），同时如前文所述，煤样的吸附量以式（5）进行计算，将吸附量代入拟合得到的变形量与吸附量的函数式中，得到了变形量与温度间的关系式：通过式（6）、式（7），当温度发生变化时可实现对变形量的预测。
图7 变形量与吸附量拟合

Fig.7 The fitting of strain and adsorption volume

V 吸 附 / 解 吸 = V m × 1    000 × V × ( P 1 / Z 1 - P 2 / Z 2 ) / [ G C × R × ( T + 273.15 ) ]
ε 环 向 = 139.82 × V m × 1    000 × V × ( P 1 / Z 1 - P 2 / Z 2 ) [ G C × R × ( T + 273.15 ) ] + 425.13
ε 轴 向 = 151.7 × V m × 1    000 × V × ( P 1 / Z 1 - P 2 / Z 2 ) [ G C × R × ( T + 273.15 ) ] + 24.386
式中： ε为变形量，με；V为样品缸自由空间体积，cm3；R为气体常数，J/（mol·K）；T为温度，℃；V m为气体摩尔体积，dm3/mol；G c为煤样质量，g；P 1为平衡前样品罐内气体的压力，MPa；P 2为平衡后样品罐内气体的压力，MPa；Z 1为平衡前样品罐内气体压力对应的甲烷气体压缩因子；Z 2为平衡后样品罐内气体压力对应的甲烷气体压缩因子。
变形量及吸附/解吸量计算结果表明，2种降压方式下，煤样对甲烷的吸附—解吸过程存在区别，解吸率计算结果表明，同一温度下，5件煤样均呈现为带压解吸过程解吸率更高的趋势（表3，表4），与前人的研究结果相一致［39-40］。其原因可能为，带压解吸过程避免了常压解吸过程中出现的“气锁”现象。不同温度下，对于同一煤样，随着温度的升高，2种解吸过程的解吸率呈现出增大的趋势，常压解吸过程解吸率增量介于3.1%~13.5%之间，平均为8.9%，带压解吸过程解吸率增量介于1.0%~8.2%之间，平均为4.0%，常压解吸过程解吸率随温度变化更为明显。

4 结论

（1）甲烷吸附过程中煤体变形量—时间关系曲线形态与郎格缪尔曲线相近，常压/带压解吸过程中煤体变形量与解吸量呈正相关关系。甲烷吸附—常压/带压解吸后，均存在残余变形。
（2）甲烷吸附量、吸附膨胀变形量及残余变形量随温度升高整体上呈现减小的趋势，解吸率与温度呈现正相关趋势。反映了温度升高使得煤样吸附能力减小，煤体变形量随之减弱，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。
（3）常压与带压解吸过程煤体变形特征相似，但带压解吸过程甲烷解吸率比常压解吸率高，残余变形量比常压解吸小。与带压解吸过程相比，常压解吸过程中温度对解吸率的影响更明显。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
郭平. 瓦斯压力对煤体吸附—解吸变形特征影响试验研究［J］. 煤矿安全，2019，50（9）：13-16.

GUO P，Experimental study on influence of gas pressure on coal adsorption/desorption deformation characteristics［J］.Safety in Coal Mines，2019，50（9）：13-16.

2
张遵国，齐庆杰，曹树刚，等. 煤层吸附He，CH4和CO2过程中的变形特性［J］. 煤炭学报，2018，43（9）：2484-2490.

ZHANG Z G，QI Q J，CAO S G，et al. Characteristics of coal deformation during its adsorption of He，CH4 and CO2［J］.Journal of China Coal Society，2018，43（9）：2484-2490．

3
梁冰，贾立锋，孙维吉，等.横观各向同性煤等温吸附变形试验研究［J］. 中国矿业大学学报，2018，47（1）：60-66.

LIANG B，JIA L F，SUN W J. Experimental study of isothermal adsorption deformation of transversely isotropic coal［J］. Journal of China University of Mining & Technology，2018，47（1）：60-66．

4
祝捷，张敏，传李京，等. 煤吸附/解吸瓦斯变形特征及孔隙性影响实验研究［J］. 岩石力学与工程学报，2016，35（S1）：2620-2626.

ZHU J，ZHANG M，CHUAN L J，et al. Experimental study on coal strain induced by methane sorption/desorption and effect of pore features ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35（S1）：2620-2626.

5
REUCROFT P J， SETHURAMAN A R. Effect of pressure on carbon dioxide induced coal swelling ［J］. Energy & Fuels，1987，1（1）：72-75.

6
MOFFAT D H， WEALE K E. Sorption by coal of methane at high pressures［J］. Fuel，1955，34：449-462.

7
李祥春， 张良，赵建飞，等. 瓦斯气体吸附解吸过程煤变形响应特征［J］. 矿业科学学报， 2018，3（1）：46-54.

LI X C，ZHANG L，ZHAO J F. Coal deformation characteristics in gas adsorption and desorption ［J］. Journal of Mining Science and Technology，2018，3（1）：46-54.

8
ESPINOZA D N，PEREIRA J M，VANDAMME M，et al. Desorption-induced shear failure of coal bed seams during gas depletion［J］. International Journal of Coal Geology，2015，137：142-151.

9
彭定弦. 煤体变形与瓦斯解吸/吸附关系的研究实验［J］. 煤炭技术，2016，35（9）：173-175.

PENG D X. Deformation and relationship between gas adsorption and desorption experiment［J］. Coal Technology，2016，35（9）：173-175.

10
HEMA J，SIRIWARDANE R，GONDLE D. Shrinkage and swelling of coal induced by desorption and sorption of fluids： Theoretical model and interpretation of a field project［J］. International Journal of Coal Geology，2009，77：188-202.

11
PAN J N，HOU Q L，JU Y W，et al. Coalbed methane sorption related to coal deformation structures at different temperatures and pressures［J］. Fuel，2012，102：760-765.

12
ZHOU Y B，LI Z H，YANG Y L，et al. Effect of adsorption-induced matrix deformation on coalbed methane transport analyzed using fractal theory［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，26：840-846.

13
LIU S M，HARPALANI S，PILLALAMARRY M. Laboratory measurement and modeling of coal permeability with continued methane production：Part 2-Modeling results［J］. Fuel，2012，94：117-124.

14
MENG Y，LI Z P. Experimental comparisons of gas adsorption， sorption induced strain， diffusivity and permeability for low and high rank coals［J］. Fuel，2018，234：914-923.

15
张遵国. 煤吸附/解吸变形特征及其影响因素研究［D］. 重庆：重庆大学，2015：1-33.

ZHANG Z G. Study on Characteristics of Adsorption/Desorption Induced Defomation and its Influencing Factors［D］.Chong-qing：Chongqing University，2015：1-33.

16
梁冰，于洪雯，孙维吉，等.煤低压吸附瓦斯变形试验［J］. 煤炭学报，2013，38（3）：373-377.

LIANG B，YU H W，SUN W J，et al. An experimental study on deformation of coal adsorption of law pressure gas［J］. Journal of China Coal Society，2013，38（3）：373-377.

17
李祥春，郭勇义，吴世跃. 煤吸附膨胀变形与孔隙率、渗透率关系的分析［J］.太原理工大学学报，2005，36（3）：264-266.

LI X C，GUO Y Y，WU S Y. Analysis of the relation of porosity， permeability and swelling deformation of coal［J］. Journal of Taiyuan University of Technology，2005，36（3）：264-266.

18
WAN Y Z，LIU Y W，OUYANG W P，et al. Desorption area and pressure-drop region of wells in a homogeneous coalbed［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2016，28：1-14.

19
张国华，韩永辉，侯凤才，等. 含瓦斯煤带压解吸规律的实验研究［J］. 黑龙江科技学院学报，2011，21（1）：31-35.

ZHANG G H，HAN Y H，HOU F C，et al. Experimental study on gas pressure desorption law governing coal containing gas［J］. Journal of Heilongjiang University of Science and Technology，2011，21（1）：31-35.

20
张苗. 深部煤系气储层物性随温压增加的差异性变化规律［D］. 徐州：中国矿业大学，2019：14-24.

ZHANG M. The Variation Law of Deep Coal Measure Gas Reservoirs Physical Properties with the Increase of Temperature and Pressure［D］. Xuzhou： China University of Mining and Technology，2019：14-24.

21
山西省煤炭地质公司技术中心. 山西省霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿生产矿井地质报告［R］. 太原：山西省煤炭地质公司，2008.

Technical Center of Shanxi Coal Feology Company. Geological Report on Production Mine of Tuanbai Coal Mine， Huozhou Coal and Electricity Group Corporation Linited， Shanxi Province［R］. Taiyuan：Shanxi Coal Geology Company，2008.

22
刘正. 山西省煤层气资源量及可采潜力［J］. 中国煤炭地质，2014，26（9）：17-23.

LIU Z. CBM resources and exploitable potential in Shanxi Province［J］. Coal Geology of China，2014，26（9）：17-23.

23
LI J，TANG S H，ZHANG S H，et al. Characterization of unconventional reservoirs and continuous accumulations of natural gas in the Carboniferous-Permian strata， mid-eastern Qinshui Basin，China［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2017，49：298-316.

24
严敏，龙航，白杨，等. 温度效应对煤层瓦斯吸附解吸特性影响的实验研究［J］. 矿业安全与环保，2019，46（3）：6-10.

YAN M，LONG H，BAI Y，et al. Experimental study on the effect of temperature effect on coal seam gas adsorption and desorption［J］. Mining Safety and Environmental Protection，2019，46（3）：6-10.

25
ZHANG B X，FU X H，DENG Z，et al. A comparative study on the deformation of unconfined coal during the processes of methane desorption with successively decreasing outlet pressure and with constant outlet pressure［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2020，195.

26
许诗婧，袁肖肖. 高煤阶储层煤层气解吸滞后现象定量表征及其对开发的影响［J］. 煤矿安全，2019，50（6）：16-19，23.

XU S J，YUAN X X. Quantitative characterization of coalbed methane desorption hysteresis in high rank reservoir and its influence on development［J］. Safety in Coal Mines，2019，50（6）：16-19，23.

27
亓宪寅，杨典森，陈卫忠. 煤层气解吸滞后定量分析模型［J］. 煤炭学报，2016，41（S2）：475-481.

QI X Y，YANG D S，CHEN W Z. Research of a bidisperse diffusion model based on adsorption hysteresis［J］.Journal of China Coal Society，2016，41（S2）：475-481.

28
赵金，张遂安，曹立虎. 页岩气与煤层气吸附特征对比实验研究［J］. 天然气地球科学，2013，24（1）：176-181.

ZHAO J，ZHANG S A，CAO L H. Comparison of experimental adsorption between shale gas and coalbed gas［J］. Natural Gas Geoscience，2013，24（1）：176-181.

29
王鹏刚. 不同温度下煤层气吸附/解吸特征的实验研究［D］. 西安：西安科技大学，2010：1-55.

WANG P G. Experimental Study Onadsorption and Desorption Characteristic of CBM at Different Temperatures［D］. Xi'an：Xi'an University of Science and Technology，2010：1-55.

30
岳高伟，王兆丰，康博. 基于吸附热理论的煤—甲烷高低温等温吸附线预测［J］. 天然气地球科学，2015，26（1）：148-153.

YUE G W，WANG Z F，KANG B. Prediction for isothermal adsorption curve of coal/ CH4 based on adsorption heat theory ［J］. Natural Gas Geoscience，2015，26（1）：148-153.

31
毋亚文. 不同变质变形煤吸附解吸特征研究［D］. 焦作：河南理工大学，2018：1-53.

WU Y W. Study on Adsorption and Desorption Characteristics of Different Metamorphic Deformed Coal［D］. Jiaozuo：Henan Polytechnic University，2018：1-53.

32
MENG Y，LI Z P，Triaxial experiments on adsorption deformation and permeability of different sorbing gases in anthracite coal［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2017，46：59-70.

33
苏现波，张丽萍，林晓英. 煤阶对煤的吸附能力的影响［J］. 天然气工业，2005，25（1）：19-21，205-206.

SU X B，ZHANG L P，LIN X Y. Influence of coal rank on coal adsorption capacity［J］.Natural Gas Industry，2005，25（1）：19-21，205-206.

34
田永东，李宁. 煤对甲烷吸附能力的影响因素［J］. 西安科技大学学报，2007，27（2）：247-250.

TIAN Y D，LI N. Affecting factors of the coal adsorbting methane capability［J］. Journal of Xi'an University of Science and Technology，2007，27（2）：247-250.

35
陈向军，刘军，王林，等. 不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响［J］. 煤炭学报，2013，38（2）：294-300.

CHEN X J，LIU J，WANG L，et al.Influence of pore size distribution of different metamorphic grade of coal on adsorption constant［J］.Journal of China Coal Society，2013，38（2）：294-300.

36
张凯，汤达祯，陶树，等. 不同变质程度煤吸附能力影响因素研究［J］. 煤炭科学技术，2017，45（5）：192-197.

ZHANG K，TANG D Z，TAO S，et al. Study on influence factors of adsorption capacity of different metamorphic degree coals［J］.Coal Science and Technology，2017，45（5）： 192-197.

37
岑朝正，蒋永芳，蒋朝军. 不同含水率下煤岩弹性模量变化实验分析［J］. 价值工程，2015，34（24）：154-155.

CEN C Z，JIANG Y F，JIANG C J. Experiment and analysis about the change of elasticity modulus of coal with different water contained ［J］. Value Engineering，2015，34（24）：154-155.

38
李俊乾，刘大锰，卢双舫，等. 中高煤阶煤岩弹性模量及其影响因素试验研究［J］. 煤炭科学技术，2016，44（1）：102-108.

LI J Q，LIU D M，LU S F，et al. Experimental study on elastic modulus of medium-high rank coals and its influencing factors ［J］. Coal Science and Technology，2016，44（1）：102-108.

39
李来成，傅雪海，罗斌. 大块煤样逐次降压解吸实验研究［J］. 中国煤炭地质，2015，27（9）：18-21.

LI L C，FU X H，LUO B. Experimental study on large coal sample desorption under successive depressurization ［J］. Coal Geology of China，2015，27（9）：18-21.

40
葛燕燕，秦勇，傅雪海，等. 不同粒径煤样常压与带压解吸对比实验研究［J］. 中国矿业大学学报，2015，44（4）：673-678.

GE Y Y，QIN Y，FU X H，et al. Comparative experimental study of atmospheric pressure desorption and methane pressure desorption among coal samples of different particle sizes［J］. Journal of China University of Mining & Technology，2015，44（4）：673-678.

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