超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律實驗

趙麗娟山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院

趙麗娟.超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律實驗.天然氣工業(yè)，2016,36(2):21-25.

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超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律實驗

趙麗娟
山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院

趙麗娟.超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律實驗.天然氣工業(yè)，2016,36(2):21-25.

摘 要目前，對于超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律及超聲波促進煤層氣解吸機理的研究還有待于進一步深入。為此，利用自行設(shè)計的實驗平臺，開展了超聲波作用下的煤樣等溫吸附—解吸實驗（實驗煤樣采自山西晉城成莊煤礦和高平建業(yè)煤礦的下二疊統(tǒng)山西組15號煤層）。實驗結(jié)果顯示，未加載超聲波時，伴隨著壓力的逐漸增大，煤樣對CH4的吸附量逐漸增加；但在加載超聲波后，隨著超聲波功率的增大，煤樣的吸附能力逐漸減弱，且隨著系統(tǒng)壓力的釋放，煤樣的解吸速率逐步增大。超聲波使得煤樣吸附能力降低的原因主要在于：①超聲波的熱效應(yīng)使得煤樣內(nèi)部溫度升高，降低了煤樣的吸附能力；②煤巖表面勢能的提高以及超聲波作用下色散力的產(chǎn)生，使得CH4氣體分子被吸附的概率降低。而煤樣解吸速率增大的原因可解釋為：在施加超聲波的情況下，煤體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生微位移并產(chǎn)生新的裂隙、微裂隙和孔隙，從而促進了煤層氣的解吸和擴散。結(jié)論認為：超聲波功率與煤樣Langmuir常數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，利用所得到的實驗數(shù)據(jù)可以擬合Langmuir常數(shù)與超聲波功率之間的函數(shù)關(guān)系，據(jù)此可建立超聲波與煤巖吸附特性之間的數(shù)值關(guān)系。

關(guān)鍵詞實驗室試驗煤層氣超聲波吸附解吸Langmuir常數(shù)熱效應(yīng)物性參數(shù)函數(shù)

目前提高煤層氣抽采率的主要方法有水力壓裂、水力割縫、注氣、爆破振動、聲場激勵等，其中聲場激勵的主要作用是促進CH4解吸，增大氣體擴散、滲流的速度以及流量。其中，超聲波技術(shù)在除塵、廢水處理、油井解堵等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)有別于傳統(tǒng)的水力壓裂、爆破等物理改造技術(shù)，具有單點重復(fù)頻率作業(yè)的優(yōu)點，無需向煤層中注入任何物質(zhì)，對煤儲層無污染和傷害。何學(xué)秋等認為外加電磁場可以降低煤對瓦斯的吸附能力，增加瓦斯放散速度[1]；姜永東等研究了在超聲波作用下煤中甲烷氣的解吸特性和超聲波的熱效應(yīng)，結(jié)果表明：超聲波能夠促進煤體內(nèi)甲烷氣的解吸和擴散[2]；于永江等認為超聲波的空化作用、熱效應(yīng)和機械作用能有效提高煤儲層的滲透率[3]；楚澤涵等在井下采用超聲振動和高壓放電技術(shù)清洗處理油氣儲集層中的淤積物，提高產(chǎn)層和油井間的水動力學(xué)聯(lián)系[4]；李恒樂等認為脈沖沖擊波能夠改善煤的孔隙結(jié)構(gòu)，提高煤儲層的滲透性[5]。目前，對于超聲波作用下煤層氣吸附—解吸的規(guī)律及超聲波促進解吸機理的研究還有待于進一步深入。

筆者利用自行設(shè)計的實驗平臺，通過分析超聲波作用下煤樣的吸附—解吸實驗數(shù)據(jù)，研究了超聲波對煤樣吸附—解吸規(guī)律的影響，以期為超聲波技術(shù)應(yīng)用于煤層氣開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1　實驗煤樣及實驗情況

1.1煤樣及其基本性質(zhì)

煤樣采自山西晉城成莊煤礦和高平建業(yè)煤礦的下二疊統(tǒng)山西組。采樣地點的主要含煤層段為下二疊統(tǒng)太原組和山西組，兩套大樣采自15號煤層，分別為貧煤和無煙煤（表1）。

表1　煤樣及其基本性質(zhì)表

1.2超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸模擬實驗

實驗在中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院煤層氣實驗室自主組裝的裝備上進行，儀器由智能超聲波控制柜、煤樣加載系統(tǒng)、吸附—解吸裝置、壓力加載系統(tǒng)、壓力測試系統(tǒng)等部分組成（圖1）。超聲波發(fā)生器型號為HT200，超聲頻率為40 kHz，額定頻率為50 Hz，工作電壓為200 V，功率分為50 W、100 W、150 W、200 W四檔。水浴作為超聲波傳播的介質(zhì)，將裝有煤樣的樣品缸放入水浴，從而使煤樣接受超聲波的沖擊作用。

實驗樣品顆粒大小為40～60目煤粉，為了消除水分的影響，稱重后的煤樣將置于真空干燥箱干燥數(shù)小時（60 ℃）直至質(zhì)量不再變化。本次實驗采用容量法對煤樣吸附—解吸CH4的量進行測定。將40 g煤樣放置于吸附缸中，并與壓力表連接，然后連接真空泵，將吸附缸置于水箱中進行真空脫氣，脫氣之后向吸附缸內(nèi)注入不同壓力的甲烷（濃度99.9%），具體實驗步驟參照中華人民共和國國家標(biāo)準《煤的高壓等溫吸附實驗方法（GB/T 19560—2008）》。在吸附—解吸的同時，向樣品缸施加不同功率的超聲波，對比分析無超聲波作用與不同功率超聲波作用下煤樣的吸附、解吸特征。等溫吸附—解吸分別在未加超聲波和加載超聲波作用下進行，施加超聲波的功率分別為50 W、100 W、150 W、200 W。

圖1　超聲波吸附—解吸實驗裝置圖

2　超聲波作用下的煤樣吸附—解吸規(guī)律

等溫吸附實驗結(jié)果顯示，伴隨著壓力的逐漸增大，煤樣對CH4的吸附量逐漸增加。而施加了超聲波的CH4氣體等溫吸附實驗，超聲波的作用不利于氣體CH4的吸附。從圖2可以看出，未施加超聲波的吸附曲線在最上方，往下依次為50 W、100 W、150 W、200 W功率超聲波的吸附曲線。其中，超聲波由50 W升高至100 W吸附量降低的幅度明顯大于其他功率差值下吸附量的減量，即在超聲波由50 W升高至100 W時，推測煤樣的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。煤樣PM和WYM遵循著相同的受超聲波影響的規(guī)律，但煤樣WYM在吸附壓力小于1 MPa的吸附量較小，其吸附量隨超聲波增加而減小的規(guī)律不明顯。超聲波作用之所以能夠降低煤樣對CH4氣體的吸附量，歸納其原因為：①熱效應(yīng)作用使得煤樣內(nèi)部產(chǎn)生高溫，超聲波穿過煤樣時，在煤樣的內(nèi)部產(chǎn)生摩擦，摩擦作用使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使得吸附了CH4氣體的煤體內(nèi)部溫度升高，最終導(dǎo)致吸附量下降[6-7]；②煤巖表面勢能提高，煤對CH4的吸附主要通過極性分子力和倫敦色散力與非極性CH4分子之間產(chǎn)生相互吸引作用，煤的表面勢能提高，使得CH4氣體分子被吸附的概率降低[8-11]。

圖2　煤樣對CH4氣體的等溫吸附實驗過程圖

從實驗結(jié)果的解吸部分可以看出（圖3），隨著系統(tǒng)壓力的釋放，煤樣的解吸速率逐步增大。解吸過程中隨著壓力的降低，CH4分子的解吸速率隨之增大，并且超聲波作用的施加加快了煤樣PM和WYM的解吸速度。在每一個壓力點，煤樣PM和WYM的解吸速率提高幅度較為均衡，并未出現(xiàn)某個超聲波功率下解吸率幅度較大的變動。

圖3　煤樣對CH4氣體的等溫解吸實驗過程圖

在向煤樣輻射超聲波的過程中，超聲波的縱波傳播方向與煤介質(zhì)構(gòu)成的質(zhì)點振動方向相同，使得煤介質(zhì)收到循環(huán)往復(fù)的拉伸作用和壓縮作用，從而在煤體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用，并產(chǎn)生橫向的彈性變形；與此同時，煤質(zhì)點產(chǎn)生縱向振動，煤質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直，從而使煤體產(chǎn)生剪切作用，相應(yīng)的產(chǎn)生交替變化的剪切變形，橫向振動便產(chǎn)生于煤介質(zhì)質(zhì)點的波谷和波峰之間，因此在振動界面上將發(fā)生極為強烈的振動和剪力。導(dǎo)致煤體內(nèi)部毛細管半徑產(chǎn)生忽大忽小的變化，促使煤層中CH4從孔隙中擴散。即在超聲波的振蕩作用下，煤體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生微位移，并產(chǎn)生新的微裂隙網(wǎng)，產(chǎn)生更多的裂隙和孔隙，促進了煤層氣的解吸和擴散。在施加超聲波的情況下，煤體骨架和賦存于其內(nèi)部的流體同時產(chǎn)生振動，由于兩者密度的差異，其振幅和加速度有所差異，使流/固界面產(chǎn)生一定幅度的相對位移，當(dāng)這種相對位移達到一定程度時，煤體內(nèi)部便被撕裂，煤體和氣體的吸引力減退，進一步加速了CH4氣體從煤巖中解吸[12-15]。

3　超聲波作用下煤樣吸附常數(shù)模型

若采用體積法對煤樣進行等溫吸附—解吸實驗，基本原則為：氣體在煤儲層中的存在有吸附、游離和溶解三種，其中游離和溶解態(tài)的CH4含量很少，主要考慮吸附態(tài)。而吸附態(tài)CH4量通常采用單分子層氣體吸附模型——Langmuir方程來表示。當(dāng)儲層的壓力小于臨界解吸壓力后，煤層甲烷不斷由吸附態(tài)變成游離態(tài)。解吸與吸附作用幾乎是完全可逆過程，因此，同樣適用于Langmuir吸附理論：

式中VL表示Langmuir體積，m3/t；pL表示Langmuir壓力，MPa；p表示平衡時的瓦斯壓力,MPa；V表示壓力p下的氣體吸附量，m3/t。

圖4　超聲波功率與Langmuir常數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)每種煤樣在不同功率超聲波作用下的吸附曲線可以得到相應(yīng)的Langmuir常數(shù)，則煤樣的吸附性受超聲波作用的影響規(guī)律便顯而易見（圖4）?？梢钥闯?，隨著超聲波功率的增大，煤樣的Langmuir體積（VL）和Langmuir壓力（pL）基本呈下降趨勢。據(jù)此可以擬合出煤樣PM和WYM的Langmuir體積（VL）、Langmuir壓力（pL）與所施加的超聲波功率（f）的函數(shù)關(guān)系（表2），擬合結(jié)果相關(guān)性較高，pL與f呈一次負相關(guān)關(guān)系，VL與f呈冪指數(shù)關(guān)系。通過表2的擬合結(jié)果便可得到不同超聲波功率下煤巖的Langmuir常數(shù)，超聲波與煤巖吸附特性的數(shù)值關(guān)系便由此建立。從表2中的表達式可以看出，用冪指數(shù)方程表示f與VL之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方在0.9左右；而用一元一次方程表示超聲波功率f與pL之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方超過0.9，相關(guān)性均較強。

表2　不同超聲波作用下Langmuir常數(shù)表達式表

4　結(jié)論

1）通過實驗可得，由于熱效應(yīng)使得煤樣內(nèi)部溫度升高以及煤巖表面勢能提高，因此，超聲波作用能夠降低煤樣對CH4氣體的吸附量。

2）隨著系統(tǒng)壓力的釋放，煤樣的解吸速率逐步增大；超聲波的施加加速了煤樣對CH4的解吸速率；隨著超聲波功率的增大，煤樣的Langmuir體積（VL）和Langmuir壓力（pL）基本呈下降趨勢。

3）擬合出了煤樣的Langmuir體積（VL）、Langmuir壓力（pL）與所施加的超聲波功率的函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果相關(guān)性較高，通過擬合結(jié)果可得到不同超聲波功率下煤巖的Langmuir常數(shù)，超聲波與煤巖吸附特性的數(shù)值關(guān)系便以此建立。

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（修改回稿日期 2015-11-18 編輯 羅冬梅）

Experiment on CBM adsorption-desorption rules under the effect of ultrasonic pressure waves

Zhao Lijuan
(School of Mining Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China)

NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 2，pp.21-25，2/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:For the identification of the CBM adsorption-desorption rules and the mechanism of CBM desorption under the effect of ultrasonic waves,isothermal adsorption-desorption experiments were carried out on coal samples by using the independently designed experimental platform.The samples were taken from No.15 coalbed of the Lower Permian Shanxi Fm in Chengzhuang Coal Mine and Gaoping Construction Coal Mine,Jincheng,Shanxi Province.Experimental results show that the CH4adsorption of samples increases gradually with the increasing of pressure if no ultrasonic pressure waves are applied.However,the adsorptive capacity reduces gradually with the increasing of ultrasonic power if applied.And with the release of the system pressure,the desorption rate of coal samples increases gradually.Such reduction of adsorption capacity is mainly attributed to two aspects.Firstly,due to the heat effect of ultrasonic waves,the internal temperature of coal samples rises and the adsorptive capacity decreases.And secondly,the surface potential of coals increases and the dispersion force is generated under the effect of ultrasonic pressure waves.Based on the interpretation,CBM desorption and diffusion are promoted,because mass points inside the coal bodies experience micro-displacement under the effect of ultrasonic waves and meanwhile cracks,micro-cracks and pores are newly formed.It is concluded that the ultrasonic power is negatively related with the Langmuir constant of coal samples.With the experimental data,the function relations between Langmuir constant of the coal samples and the ultrasonic power are fitted.In this way,the numerical relationship is established between the ultrasonic pressure waves and the coal adsorption.

Keywords:Laboratory test; Coalbed methane (CBM); Ultrasonic pressure waves; Adsorption; Desorption; Langmuir constant; Heat effect; Physical property parameters; Function

作者簡介：趙麗娟，女，1986年生，講師，博士；從事煤層氣地質(zhì)方面的研究工作。地址：（037003）山西省大同市興云街。ORCID:0000-0001-5728-361X。E-mail:zhaolijuan115@126.com

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAK04B00）、大同市基礎(chǔ)研究計劃項目（編號：2015113）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.003