09016203-张良-液态水对煤储层吸附能力的影响

本科毕业设计（论文）题目：液态水对煤储层吸附能力的影响学生姓名：张良学号：09016203专业班级：地质学09级2班指导教师：刘长江2013年5月31日中国石油大学（华东）本科毕业论文液态水对煤储层吸附能力的影响摘要论文以IS-100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为分析测试手段，选取了煤层气勘探开发的热点地区——沁水盆地南部主力煤储层样品，重点对注水煤样、平衡水煤样、干燥煤样等温吸附实验进行了对比研究，探讨了液态水对煤储层吸附能力的影响机理。研究结果表明：在朗格缪尔体积方面，注水煤样的朗缪尔体积明显高于平衡水煤样，也高于干燥煤样；在朗缪尔压力方面，注水煤样的朗格缪尔压力最大，其次为平衡水煤样，干燥煤样的最小；在模拟储层的条件下，注水煤样的实验结果更能反映实际情况；储层条件下煤层中的液态水可以加强煤基质吸附气体的能力，吸附的规律更符合Langmuir模型。关键词：煤储层；甲烷吸附；液态水；机理中国石油大学（华东）本科毕业论文EffectofliquidwaterontheabsorptivecapacityofcoalreservoirAbstractTheIS-100isothermaladsorptionanddesorptioninstrumentandMTS815typeelectro-hydraulicservorockexperimentsystemforanalyzingthemeanstest,selectedforcoalbedmethaneexplorationhotspots--thesouthernQinshuiBasinmaincoalreservoirsamples,mainlyconductedacomparativestudyoftheinjectionofcoalsample,thebalanceofwater,drycoalcoalisothermaladsorptionexperiment,mechanismoftheeffectofliquidwateroncoaladsorptioncapacityofreservoir.Researchresultsshowthat:comparedwithinjectionofcoalsamplesandwaterbalanceofcoal,coalinjectioncoaldrying,theLangmuirvolumewassignificantlyhigherthanthatofequilibriumwatercoalsample,alsohigherthanthatofdrycoalsample;Langmuirpressure,themaximuminjectioncoalsamples,followedbythebalanceofwatersample,drycoalsampleisthesmallest,inreservoirsimulationundertheconditionofwater,coalsampleexperimentalresultsrelativetotheequilibriumwatercoalsample,drycoalsamplecanreflecttheactualsituation;liquidwaterunderreservoirconditionincoalseamsignificantlyinfluencematrixofcoaladsorptioncapacitygas,canstrengthenthematrixofcoalgasadsorbent,adsorptionismoreconsistentwithLangmuirmodel.Keywords:coalreservoir;methaneadsorption;liquidwater;mechanism中国石油大学（华东）本科毕业论文目录第1章引言.......................................................1第2章研究的工作基础.............................................22.1煤储层的三相特征............................................22.2煤储层的多重孔隙结构........................................3第3章煤吸附气体的固气作用机理初探...............................53.1煤吸附气体的表面物理本质及过程..............................53.2朗格缪尔（Langmuir）单分子层吸附模型讨论.....................53.3等温吸附实验研究............................................6第4章液态水对煤储层吸附能力的影响...............................94.1平衡水样、注水样实验研究.....................................94.2水分对煤储层吸附的影响.....................................114.3固液气相间作用的物理化学本质...............................12第5章结论与问题讨论............................................145.1结论......................................................145.2问题讨论..................................................14结束语及致谢......................................................16参考文献..........................................................17第1章引言1第1章引言我国煤层气勘探与开发试验已经走过将近30年的探索历程，2002年在晋城、阜新等地率先实现了商业性开发，目前已进入规模性开发前夜，中国煤层气工业正在形成。煤层气是一种新型洁净能源，在煤储层中的存在状态可以是游离态、吸附态和固溶态，其最主要的存在状态是吸附态[1]，在经济技术可以达到的开发范围内，吸附态的甲烷可以达到90%[2]。煤层气的含气量会受到煤吸附能力的显著影响，煤基质的等温吸附曲线及特征，是评价煤层气资源及其潜力的重要参数。煤储层是由固体、液体、气体组成的三相体系。其中，固相主要是有机大分子组成的煤基质，它发育了大量微孔的，是一种多孔隙的复杂介质；气相中的主要成分是甲烷,其次还含有少量的气态水、二氧化碳、氮气、重烃气等；液相的主要成分是液态的水，某些情况下也可能见到液态的烃类。煤的三相体系之间存在着复杂作用：其中有固体与气体之间的作用，主要是煤的有机大分子基质吸附和解吸气体，此外，气体的运移、储集都是由煤基质中大孔隙来提供适当的空间；气体与液体之间的作用主要表现是气体在水中能够溶解和逸出；而固体与液体之间作用主要是，水会对煤基质表面进行润湿，孔隙中存在着水的充填以及运移。上述三种作用之间会相伴发生,相互影响。对于煤储层中固气间的作用，液气间的作用,前人有很多研究,但是，固体和液体间的作用对煤储层吸附的影响，大家研究的比较少，本论文会以实验的研究结果为依据来进行讨论。第2章研究的工作基础2第2章研究的工作基础2.1煤储层的三相特征煤储层表示的是地层条件下储集着天然气的煤层，与常规天然气储层相比，煤储层的孔隙比表面积较大、吸附能力较强、储气能力较大并且具有双重孔隙结构等特点。煤基质中的固态物质是以固态的有机质为主并且含有数量不等的矿物质，他们共同组成了煤的基本骨架。从微观上来看，煤基质是一种大分子有机质，其基本结构单元是由缩合芳环体系组成，缩合芳环体系则是通过苯环缩合而形成的缩合芳环，缩合芳环之间的结合会形成平面碳网，平面碳网在垂向上叠加构成芳香稠环体系或芳香核，各种煤级就是平面碳网的大小以及其在垂向上的叠加的不同来划分。煤储层中液态物质主要是裂隙、大空袭中的自由水和存在煤基质中的束缚水。在煤化学中，我们把煤中的水分划分为了外在水分、内在水分和化合水：外在水分指的是在实验条件下，煤样与周围空气达到湿度平衡时失去的水；内在水分是指实验条件下达到空气干燥状态时残留在煤中的水分，煤在100%相对湿度下达到吸湿平衡时除外在水分以外的水分，称为最高内在水分，在煤层气的研究中常引入平衡水含量或临界水含量的概念，其值会略低于最高内在水分；化合水又称结晶水，是以化学方式与煤中矿物结合的水，具有严格的分子化，高温下才能脱除[3]。煤储层中的气态物质就是煤层气，主要化学成分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气等。甲烷在煤层气中的赋存方式有游离态、吸附态、固溶态。不同赋存态甲烷在甲烷总量中比例取决于煤储层孔隙—裂隙系统、煤大分子结构缺陷、煤吸附能力等因素。正常情况下，煤储层中游离甲烷约占甲烷总量的8%—12%，但吸附甲烷均要通过解吸或置换才能被开采出来。吸附甲烷是指裂隙—孔隙表面及芳香层缺陷内所吸附甲烷的统称，其与游离态呈动态平衡状态，会随着环境条件的变化而不断运动和交换。第2章研究的工作基础32.2煤储层的多重孔隙结构煤储层是由孔隙和裂隙构成的多孔介质。由于这一特性，才使得煤储层具有储气的能力和允许煤层气扩散—渗流—运移的能力。煤储层中天然裂隙在国外被称为割理，在整个煤层中连续分布的割理称为面割理，终止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理。鉴于国内对割理的定义不明确，多数研究者以面裂隙代替面割理，端裂隙代替端割理。有些难以用肉眼辨认、必须借助显微镜等才能观察的裂隙叫做显微裂隙，其往往局限于一个煤岩分层内、发育多组，方向零乱，是主要由流体压力、收缩应力等形成的内生裂纹，但也同样可见由外应力形成的构造裂隙。煤的孔隙结构具有高度不均一性,埃米到微米级孔径的孔隙均有分布[4][5]。对于煤孔隙大小，前人有不同的划分，如表2-1。针对我国部分含煤盆地不同煤级煤，前人做了很多孔隙结构的实验，其实验参数表明：总体上，总孔容随着煤级的增加，会呈现逐渐下降的趋势。其中，微孔呈高低高的“V“字型变化，与其相反，大孔则会呈现低高低的变化趋势[6][7]。张小东等研究发现，孔径在60-1000nm的孔隙分布特别稀少，并且孔径分布的连续性较差；在褐煤中，过渡孔、中孔含量较高，孔径分布的连续性较好；中等变质程度的焦煤中，大孔含量和孔径分布的连续性介于前两者之间[8]。表2-1煤中孔径结构划分比较（直径单位：nm）孔容和表面积是孔隙的重要特征。孔容即孔隙的体积，常用比孔容表示，单位cm3/g，与煤级和煤物质组成密切相关，随着煤级增高，煤的总孔容先减小后增大，在焦煤中期阶段达到极小值（如图2-1）。煤的表面积包括外表面积和内表面积，外表面积所占比例极少，几乎全是内表面积。内表面积用比表面积表征，B.B.XonoT（1961）Dubinin(1966)IUPAC(1966)H.Gan(1972)杨思敬（1991）微孔，10微孔，2微孔，2微孔，1.2微孔，10过渡孔，10-100过渡孔，2-20过渡孔，2-50过渡孔，1.2-30过渡孔，10-50中孔，100-1000中孔，50-750大孔，1000大孔，20大孔，50粗孔，30大孔，750第2章研究的工作基础4单位m2/g。由于气体（如甲烷和二氧化碳）或液体能在煤的内表面被吸附，因此可以用气体或液体的灌注煤孔隙的可进度来估算内表面积。如图2-2为煤的N2和CO2表面积随煤级的变化规律，变化曲线呈现凹状。图2-1总孔容随煤级的变化图2-2比表面积随煤级的变化（据Levine，1992）第3章