超声波作用下的煤层气吸附—解吸规律实验

赵丽娟山西大同大学煤炭工程学院

赵丽娟.超声波作用下的煤层气吸附—解吸规律实验.天然气工业，2016,36(2):21-25.



超声波作用下的煤层气吸附—解吸规律实验

赵丽娟
山西大同大学煤炭工程学院

赵丽娟.超声波作用下的煤层气吸附—解吸规律实验.天然气工业，2016,36(2):21-25.

摘 要目前，对于超声波作用下的煤层气吸附—解吸规律及超声波促进煤层气解吸机理的研究还有待于进一步深入。为此，利用自行设计的实验平台，开展了超声波作用下的煤样等温吸附—解吸实验（实验煤样采自山西晋城成庄煤矿和高平建业煤矿的下二叠统山西组15号煤层）。实验结果显示，未加载超声波时，伴随着压力的逐渐增大，煤样对CH4的吸附量逐渐增加；但在加载超声波后，随着超声波功率的增大，煤样的吸附能力逐渐减弱，且随着系统压力的释放，煤样的解吸速率逐步增大。超声波使得煤样吸附能力降低的原因主要在于：①超声波的热效应使得煤样内部温度升高，降低了煤样的吸附能力；②煤岩表面势能的提高以及超声波作用下色散力的产生，使得CH4气体分子被吸附的概率降低。而煤样解吸速率增大的原因可解释为：在施加超声波的情况下，煤体内部质点发生微位移并产生新的裂隙、微裂隙和孔隙，从而促进了煤层气的解吸和扩散。结论认为：超声波功率与煤样Langmuir常数呈负相关关系，利用所得到的实验数据可以拟合Langmuir常数与超声波功率之间的函数关系，据此可建立超声波与煤岩吸附特性之间的数值关系。

关键词实验室试验煤层气超声波吸附解吸Langmuir常数热效应物性参数函数

目前提高煤层气抽采率的主要方法有水力压裂、水力割缝、注气、爆破振动、声场激励等，其中声场激励的主要作用是促进CH4解吸，增大气体扩散、渗流的速度以及流量。其中，超声波技术在除尘、废水处理、油井解堵等领域均有着广泛的应用。该技术有别于传统的水力压裂、爆破等物理改造技术，具有单点重复频率作业的优点，无需向煤层中注入任何物质，对煤储层无污染和伤害。何学秋等认为外加电磁场可以降低煤对瓦斯的吸附能力，增加瓦斯放散速度[1]；姜永东等研究了在超声波作用下煤中甲烷气的解吸特性和超声波的热效应，结果表明：超声波能够促进煤体内甲烷气的解吸和扩散[2]；于永江等认为超声波的空化作用、热效应和机械作用能有效提高煤储层的渗透率[3]；楚泽涵等在井下采用超声振动和高压放电技术清洗处理油气储集层中的淤积物，提高产层和油井间的水动力学联系[4]；李恒乐等认为脉冲冲击波能够改善煤的孔隙结构，提高煤储层的渗透性[5]。目前，对于超声波作用下煤层气吸附—解吸的规律及超声波促进解吸机理的研究还有待于进一步深入。

笔者利用自行设计的实验平台，通过分析超声波作用下煤样的吸附—解吸实验数据，研究了超声波对煤样吸附—解吸规律的影响，以期为超声波技术应用于煤层气开发提供理论基础。

1　实验煤样及实验情况

1.1煤样及其基本性质

煤样采自山西晋城成庄煤矿和高平建业煤矿的下二叠统山西组。采样地点的主要含煤层段为下二叠统太原组和山西组，两套大样采自15号煤层，分别为贫煤和无烟煤（表1）。

表1　煤样及其基本性质表

1.2超声波作用下的煤层气吸附—解吸模拟实验

实验在中国石油大学（华东）石油工程学院煤层气实验室自主组装的装备上进行，仪器由智能超声波控制柜、煤样加载系统、吸附—解吸装置、压力加载系统、压力测试系统等部分组成（图1）。超声波发生器型号为HT200，超声频率为40 kHz，额定频率为50 Hz，工作电压为200 V，功率分为50 W、100 W、150 W、200 W四档。水浴作为超声波传播的介质，将装有煤样的样品缸放入水浴，从而使煤样接受超声波的冲击作用。

实验样品颗粒大小为40～60目煤粉，为了消除水分的影响，称重后的煤样将置于真空干燥箱干燥数小时（60 ℃）直至质量不再变化。本次实验采用容量法对煤样吸附—解吸CH4的量进行测定。将40 g煤样放置于吸附缸中，并与压力表连接，然后连接真空泵，将吸附缸置于水箱中进行真空脱气，脱气之后向吸附缸内注入不同压力的甲烷（浓度99.9%），具体实验步骤参照中华人民共和国国家标准《煤的高压等温吸附实验方法（GB/T 19560—2008）》。在吸附—解吸的同时，向样品缸施加不同功率的超声波，对比分析无超声波作用与不同功率超声波作用下煤样的吸附、解吸特征。等温吸附—解吸分别在未加超声波和加载超声波作用下进行，施加超声波的功率分别为50 W、100 W、150 W、200 W。

图1　超声波吸附—解吸实验装置图

2　超声波作用下的煤样吸附—解吸规律

等温吸附实验结果显示，伴随着压力的逐渐增大，煤样对CH4的吸附量逐渐增加。而施加了超声波的CH4气体等温吸附实验，超声波的作用不利于气体CH4的吸附。从图2可以看出，未施加超声波的吸附曲线在最上方，往下依次为50 W、100 W、150 W、200 W功率超声波的吸附曲线。其中，超声波由50 W升高至100 W吸附量降低的幅度明显大于其他功率差值下吸附量的减量，即在超声波由50 W升高至100 W时，推测煤样的内部孔隙结构发生了较大的变化。煤样PM和WYM遵循着相同的受超声波影响的规律，但煤样WYM在吸附压力小于1 MPa的吸附量较小，其吸附量随超声波增加而减小的规律不明显。超声波作用之所以能够降低煤样对CH4气体的吸附量，归纳其原因为：①热效应作用使得煤样内部产生高温，超声波穿过煤样时，在煤样的内部产生摩擦，摩擦作用使一部分声能转化为热能，从而使得吸附了CH4气体的煤体内部温度升高，最终导致吸附量下降[6-7]；②煤岩表面势能提高，煤对CH4的吸附主要通过极性分子力和伦敦色散力与非极性CH4分子之间产生相互吸引作用，煤的表面势能提高，使得CH4气体分子被吸附的概率降低[8-11]。

图2　煤样对CH4气体的等温吸附实验过程图

从实验结果的解吸部分可以看出（图3），随着系统压力的释放，煤样的解吸速率逐步增大。解吸过程中随着压力的降低，CH4分子的解吸速率随之增大，并且超声波作用的施加加快了煤样PM和WYM的解吸速度。在每一个压力点，煤样PM和WYM的解吸速率提高幅度较为均衡，并未出现某个超声波功率下解吸率幅度较大的变动。

图3　煤样对CH4气体的等温解吸实验过程图

在向煤样辐射超声波的过程中，超声波的纵波传播方向与煤介质构成的质点振动方向相同，使得煤介质收到循环往复的拉伸作用和压缩作用，从而在煤体内部产生拉应力和压应力作用，并产生横向的弹性变形；与此同时，煤质点产生纵向振动，煤质点的振动方向与波的传播方向垂直，从而使煤体产生剪切作用，相应的产生交替变化的剪切变形，横向振动便产生于煤介质质点的波谷和波峰之间，因此在振动界面上将发生极为强烈的振动和剪力。导致煤体内部毛细管半径产生忽大忽小的变化，促使煤层中CH4从孔隙中扩散。即在超声波的振荡作用下，煤体内部质点发生微位移，并产生新的微裂隙网，产生更多的裂隙和孔隙，促进了煤层气的解吸和扩散。在施加超声波的情况下，煤体骨架和赋存于其内部的流体同时产生振动，由于两者密度的差异，其振幅和加速度有所差异，使流/固界面产生一定幅度的相对位移，当这种相对位移达到一定程度时，煤体内部便被撕裂，煤体和气体的吸引力减退，进一步加速了CH4气体从煤岩中解吸[12-15]。

3　超声波作用下煤样吸附常数模型

若采用体积法对煤样进行等温吸附—解吸实验，基本原则为：气体在煤储层中的存在有吸附、游离和溶解三种，其中游离和溶解态的CH4含量很少，主要考虑吸附态。而吸附态CH4量通常采用单分子层气体吸附模型——Langmuir方程来表示。当储层的压力小于临界解吸压力后，煤层甲烷不断由吸附态变成游离态。解吸与吸附作用几乎是完全可逆过程，因此，同样适用于Langmuir吸附理论：

式中VL表示Langmuir体积，m3/t；pL表示Langmuir压力，MPa；p表示平衡时的瓦斯压力,MPa；V表示压力p下的气体吸附量，m3/t。

图4　超声波功率与Langmuir常数关系图

根据每种煤样在不同功率超声波作用下的吸附曲线可以得到相应的Langmuir常数，则煤样的吸附性受超声波作用的影响规律便显而易见（图4）。可以看出，随着超声波功率的增大，煤样的Langmuir体积（VL）和Langmuir压力（pL）基本呈下降趋势。据此可以拟合出煤样PM和WYM的Langmuir体积（VL）、Langmuir压力（pL）与所施加的超声波功率（f）的函数关系（表2），拟合结果相关性较高，pL与f呈一次负相关关系，VL与f呈幂指数关系。通过表2的拟合结果便可得到不同超声波功率下煤岩的Langmuir常数，超声波与煤岩吸附特性的数值关系便由此建立。从表2中的表达式可以看出，用幂指数方程表示f与VL之间的关系，相关系数的平方在0.9左右；而用一元一次方程表示超声波功率f与pL之间的关系，相关系数的平方超过0.9，相关性均较强。

表2　不同超声波作用下Langmuir常数表达式表

4　结论

1）通过实验可得，由于热效应使得煤样内部温度升高以及煤岩表面势能提高，因此，超声波作用能够降低煤样对CH4气体的吸附量。

2）随着系统压力的释放，煤样的解吸速率逐步增大；超声波的施加加速了煤样对CH4的解吸速率；随着超声波功率的增大，煤样的Langmuir体积（VL）和Langmuir压力（pL）基本呈下降趋势。

3）拟合出了煤样的Langmuir体积（VL）、Langmuir压力（pL）与所施加的超声波功率的函数关系，拟合结果相关性较高，通过拟合结果可得到不同超声波功率下煤岩的Langmuir常数，超声波与煤岩吸附特性的数值关系便以此建立。

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（修改回稿日期 2015-11-18 编辑 罗冬梅）

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

作者简介：赵丽娟，女，1986年生，讲师，博士；从事煤层气地质方面的研究工作。地址：（037003）山西省大同市兴云街。ORCID:0000-0001-5728-361X。E-mail:zhaolijuan115@126.com

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAK04B00）、大同市基础研究计划项目（编号：2015113）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.003