劉永茜，張書林，舒龍勇

吸附–解吸狀態(tài)下煤層氣運(yùn)移機(jī)制

劉永茜1,2，張書林1,2，舒龍勇1,2

(1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

帶吸附作用的煤層氣運(yùn)移規(guī)律一直是煤層氣地質(zhì)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。為研究吸附–解吸狀態(tài)下的煤層氣運(yùn)移機(jī)制，推導(dǎo)了氣體吸附–解吸方程并分析了多孔介質(zhì)擴(kuò)散–滲流理論，開展了煤層氣運(yùn)移實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：煤體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣運(yùn)移具有“容阻效應(yīng)”，“容儲(chǔ)”“阻降”二重特性并存構(gòu)成了煤基質(zhì)的基本功能；氣體運(yùn)移過程中煤體對(duì)CO2和CH4吸附能力的差異體現(xiàn)在吸附響應(yīng)時(shí)間、吸附速率增長(zhǎng)率、吸附平衡時(shí)間和最大吸附體積等4項(xiàng)指標(biāo)；煤層氣運(yùn)移過程中擴(kuò)散和滲流兩種方式并存，當(dāng)裂隙及大孔內(nèi)氣體壓力較中–微孔隙系統(tǒng)氣體壓力高時(shí)，氣體運(yùn)移速率以滲流為主，否則以擴(kuò)散為主。

煤層氣運(yùn)移機(jī)制；吸附–解吸；容阻效應(yīng)；動(dòng)力吸附；雙重介質(zhì)；分子極性

煤層氣是煤的伴生物質(zhì)，二者共生共儲(chǔ)。而作為典型多孔介質(zhì)，煤體對(duì)煤層氣具有吸附和解吸功能[1]。煤與煤層氣之間特殊賦存關(guān)系不但給煤礦瓦斯治理帶來了技術(shù)難題，而且嚴(yán)重制約煤層氣資源高效開發(fā)。研究吸附–解吸條件下的煤層氣運(yùn)移規(guī)律對(duì)于服務(wù)煤礦安全生產(chǎn)和資源高效利用具有重要的工程意義。

R. M. Barrer[2]最早基于天然沸石對(duì)氣體的吸附作用，開展了帶吸附作用的氣體運(yùn)移規(guī)律的研究。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[1,3]，煤層氣主要以吸附形態(tài)賦存于煤基質(zhì)表面，M. Mastalerz等[4]、S. Swanson等[5]通過實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，煤中孔隙主要由微孔和中孔組成，微孔為煤層氣吸附提供的空間比例最高，并決定其吸附氣體的能力；馬東民等[6]、劉永茜等[7]、N. Skoczylas等[8]等通過氣體等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)及煤巖煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤體吸附甲烷能力與煤體性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。關(guān)于煤體性質(zhì)(變質(zhì)程度)和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)吸附態(tài)的煤層氣運(yùn)移影響，琚宜文等[9]、姜波等[10]開展了微納結(jié)構(gòu)孔隙的吸附–解吸和滲流實(shí)驗(yàn)，明確了微孔對(duì)氣體吸附的貢獻(xiàn)，指出了解吸過程中煤層裂隙密度和尺度對(duì)解吸率的影響。

煤變質(zhì)程度和孔隙結(jié)構(gòu)綜合影響其對(duì)甲烷的吸附–解吸能力，而孔隙(裂隙)中的煤層氣運(yùn)移方式也是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。秦躍平等[11]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析指出，煤體內(nèi)煤層氣運(yùn)移符合Darcy定律；張志剛等[12]提出了煤層氣滲流非線性模型，在一定程度上驗(yàn)證Fick定律的適用性；魏建平等[13]指出，煤體內(nèi)部煤層氣運(yùn)移的適用條件需結(jié)合氣體通道尺度，裂隙通道內(nèi)氣體運(yùn)移適合Darcy定律，而在微尺度孔隙裂隙內(nèi)的氣體運(yùn)移、擴(kuò)散有多種形式，因此，煤層氣運(yùn)移是擴(kuò)散與滲流的聯(lián)合作用。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)[6,8-10]，不同氣體在煤體中的吸附量差異顯著，為描述不同氣體分子結(jié)構(gòu)和極性大小對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響，文獻(xiàn)[14]給出了氣體動(dòng)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)和表面濃度流動(dòng)系數(shù)兩個(gè)關(guān)鍵表征參數(shù)，這最終可以通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合獲得?；跉怏w擴(kuò)散的質(zhì)量守恒，考慮氣體運(yùn)移過程中擴(kuò)散–滲流的聯(lián)合作用，筆者建立了含有吸附壓力速度增項(xiàng)的氣體運(yùn)移控制方程，以此描述煤體內(nèi)煤層氣運(yùn)移規(guī)律；結(jié)合氣體運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，研究準(zhǔn)靜壓和動(dòng)壓條件下氣體在吸附與解吸過程中的差異，這對(duì)研究煤層氣抽采和煤層氣資源開發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值。

1 吸附–解吸動(dòng)力作用下的煤層氣運(yùn)移

1.1 解吸動(dòng)力學(xué)方程

煤層氣吸附–解吸是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡作用過程，設(shè)定在一定比表面積下煤層氣吸附–解吸可逆，且在一定壓力下有飽和吸附體積，煤中煤層氣吸附體積與吸附時(shí)間滿足一定函數(shù)關(guān)系[15]，且氣體吸附速率隨著吸附體積的增大而降低，在任意狀態(tài)下，吸附速率滿足：

式中V為壓力時(shí)煤中煤層氣吸附體積；為吸附或解吸時(shí)間；1為吸附速率常數(shù)；'a為飽和吸附體積。

解吸與吸附同步，在任意壓力變化條件下，二者此消彼長(zhǎng)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，解吸速率可描述為：

式中2為解吸速率常數(shù)。聯(lián)合式(1)和式(2)得到描述吸附–解吸表達(dá)式：

設(shè)定在任意壓力下達(dá)到平衡，利用初始條件=0，V=0，對(duì)式(3)積分得到：

當(dāng)→+∞時(shí)，式(4)可以簡(jiǎn)化為：

高壓吸附飽和以后，吸附速率和解吸速率相近，則≈1，=V，則高壓平衡下的Langmuir方程對(duì)于氣體吸附和解吸同時(shí)適用。

1.2 吸附動(dòng)力作用下煤層氣擴(kuò)散

在雙重介質(zhì)中研究一維方向的煤層氣運(yùn)移，需要分析孔隙和裂隙之間煤層氣運(yùn)移模式差異[15]。Langmuir方程描述的是特定壓力或含量條件下的吸附能力，考慮到擴(kuò)散過程中吸附壓力增長(zhǎng)率的影響，在式(6)的左端增加關(guān)于壓力的增速項(xiàng)。設(shè)定煤體的孔隙率為，實(shí)體顆粒占據(jù)的體積為1–，而與之對(duì)應(yīng)的吸附面積為(1–)，則單位體積內(nèi)的有效吸附體積為(1–)/，將有效吸附體積對(duì)時(shí)間求導(dǎo)就得到吸附量增長(zhǎng)率，則式(6)就轉(zhuǎn)化為：

式中為氣體表面擴(kuò)散系數(shù)；為吸附表面積；s為氣體流動(dòng)速度。

結(jié)合式(6)和式(7)關(guān)于壓力和時(shí)間求導(dǎo)可得：

式(8)為二階變系數(shù)偏微分方程，是煤層氣解吸–擴(kuò)散計(jì)算依據(jù)。在不同的壓力(梯度)條件下，左端兩項(xiàng)的權(quán)重有差異。當(dāng)=0，描述的是忽略擴(kuò)散作用條件；而當(dāng)s=0，式(8)描述的是淡化滲流作用；在極端條件下，如果→0，則1<<2，該狀態(tài)描述的是氣體的高速解吸作用。上述幾種狀態(tài)，在特定的條件下都有解，然而復(fù)合條件下式(8)的解較為復(fù)雜。

1.3 吸附–解吸下的煤層氣滲流

假設(shè)煤體原生孔隙和裂隙均勻分布，形成兩重覆蓋的連續(xù)體，且這個(gè)連續(xù)體均質(zhì)、各向同性，在吸附平衡條件下，氣體在孔隙和裂隙中的流動(dòng)均服從達(dá)西定律[11]：

式中為煤體滲透率；為氣體黏度。

通常描述煤層氣解吸條件下的運(yùn)移速度()是擴(kuò)散速度(d)和滲流速度(s)的綜合貢獻(xiàn)：

且存在：

聯(lián)立式(9)—式(13)可得：

2 煤層氣運(yùn)移交換機(jī)制

2.1 孔隙–裂隙間的氣體交換

在煤體內(nèi)，孔隙系統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)的氣體交換，按照理想氣體考慮，雙重介質(zhì)內(nèi)的氣體交換量為：

式中d為煤層氣交換體積；p、f分別為孔隙、裂隙內(nèi)煤層氣平均壓力；為介質(zhì)溫度；為常數(shù)；為煤層氣摩爾質(zhì)量；為交換系數(shù)；為孔隙率。

以任意單元為研究對(duì)象，設(shè)定系統(tǒng)由個(gè)單元組成，根據(jù)連續(xù)性方程[17]：

式中為單元節(jié)點(diǎn)；b為裂隙寬度；L為裂隙長(zhǎng)度；p為節(jié)點(diǎn)的氣體壓力；p為與連接的第個(gè)單元另一段的氣壓；W為各裂隙單元儲(chǔ)存煤層氣質(zhì)量。

聯(lián)合式(8)、式(9)、式(14)—式(16)，形成煤體煤層氣運(yùn)移的控制方程組。

2.2 煤層氣運(yùn)移的“容阻效應(yīng)”

研究發(fā)現(xiàn)[2]，由于氣體性質(zhì)或煤體表面能差異，不同的氣–固組合呈現(xiàn)出差異性的滲流曲線，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因就是吸附劑(多孔介質(zhì))和吸附質(zhì)(氣體)的吸附–解吸特性差異。大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)[12-13]表明，吸附作用導(dǎo)致煤層氣在煤體中滲流不完全適用于經(jīng)典的Darcy定律，而解吸作用下煤層氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)Fick定律的局限性，由此引發(fā)人們對(duì)雙重介質(zhì)內(nèi)氣體擴(kuò)散–滲流耦合作用的研究。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[7,17]發(fā)現(xiàn)，煤層氣滲流實(shí)驗(yàn)過程中，初始注入流量中的一部分煤層氣被煤體吸附，直到煤體介質(zhì)吸附氣體飽和后達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，進(jìn)出流速穩(wěn)定；當(dāng)關(guān)閉進(jìn)氣氣源后，由于煤層氣解吸作用，出口端仍能保持一定的流量。研究發(fā)現(xiàn)，煤層氣運(yùn)移過程中煤體功能與電路中的電阻、電容功能類似，具備壓降、容儲(chǔ)的二元特性。進(jìn)氣端和排氣端的氣壓差類似于電路中的電壓(圖1)，基本單元由一個(gè)電阻和一個(gè)電容元件并聯(lián)而成，單元串聯(lián)成煤層氣運(yùn)移系統(tǒng)。當(dāng)注入高壓氣體形成通路初期，煤體吸附作用導(dǎo)致部分煤層氣被封存(如同電容充電)，而電阻作用產(chǎn)生壓降，形成氣體運(yùn)移系統(tǒng)；經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到吸附飽和(如同電容充電完成)后，流速穩(wěn)定；當(dāng)關(guān)閉高壓進(jìn)氣端后，孔隙–裂隙系統(tǒng)產(chǎn)生壓差，煤體內(nèi)吸附態(tài)煤層氣開始解吸(如同電容放電)，形成新的氣體運(yùn)移系統(tǒng)，排氣端煤層氣維持一定流量，筆者將上述煤層氣運(yùn)移現(xiàn)象稱為多孔介質(zhì)內(nèi)氣體運(yùn)移的“容阻效應(yīng)”。

圖1 煤體煤層氣運(yùn)移單元等效示意圖

煤體內(nèi)的煤層氣運(yùn)移包含孔隙–裂隙內(nèi)煤層氣擴(kuò)散和滲流的二重特性，而上述等效模型也反映了其特性，其中“電容功能”是孔隙系統(tǒng)吸附–解吸–擴(kuò)散特性的反映，而“電阻”功能反映了裂隙系統(tǒng)滲流特性，煤體的“容阻效應(yīng)”決定了煤層氣運(yùn)移的復(fù)雜性。

3 吸附–解吸條件煤層氣運(yùn)移實(shí)驗(yàn)

3.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)選取河南平頂山八礦己15煤層原煤煤樣。為適應(yīng)三軸滲透儀測(cè)試要求，將煤樣制成直徑=50.01 mm，高度=100.03 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件。實(shí)驗(yàn)煤樣孔隙率=4.46%，彈性模量=3.2 GPa，泊松比=0.34，密度=1.41g/cm3，試件質(zhì)量=278.82 g。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的高壓三軸滲透儀，主要包括數(shù)字壓力控制系統(tǒng)(施加圍壓和軸壓)、高壓氣瓶(CH4、CO2和He)、三軸氣體滲透儀、高精度氣體流量計(jì)、壓力傳感器、油壓泵和氣體凈化器等，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可測(cè)試不同應(yīng)力條件下煤體的滲流特性，其中圍壓范圍0~12.0 MPa，煤層氣壓力0~5.0 MPa，軸向加載0~300 kN，精密流量計(jì)量程0~100 cm3/min，精度0.02%(F.S.)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試環(huán)境溫度為20℃。

1—高壓氣瓶；2—閥門；3—精密流量計(jì)；4—?dú)怏w凈化器；5—調(diào)壓閥；6—加載壓頭；7—上壓頭；8—下壓頭；9—多孔板；10—試件；11—底座；12—油壓泵；13—過濾器；14—儲(chǔ)油缸；15—轉(zhuǎn)換接頭；16—液壓室

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

a.試件封裝

首先將煤樣試件、熱縮管和加載壓頭一同安裝到煤層氣滲流密封缸體內(nèi)，保持試件軸線始終與上下壓頭平面垂直；然后加溫?zé)崴芄埽蛊渚o貼試件，并將封閉硅膠涂抹均勻；夾緊密閉缸體的外部器件，保證系統(tǒng)的密封性。

b.液壓及應(yīng)力加載

啟動(dòng)油壓泵，均勻注入流體，充滿液壓室，當(dāng)油壓達(dá)到預(yù)定閥值(3.0 MPa)后關(guān)閉油壓泵，封閉油壓閥門；繼而對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行軸向應(yīng)力加載，達(dá)到預(yù)應(yīng)力閥值(4.5 MPa)后，維持狀態(tài)穩(wěn)定。

c.密閉監(jiān)測(cè)

①首先注入He氣，維持穩(wěn)壓0.4 MPa，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。認(rèn)為He不被吸附，依據(jù)達(dá)西定律測(cè)定試件滲透率；②隨后打開CH4閥門，關(guān)閉He氣體閥門，保持穩(wěn)壓0.4 MPa驅(qū)替He氣，觀測(cè)進(jìn)出端流量變化(出口壓力0.1 MPa)，直到流量穩(wěn)定，計(jì)算滲透率1；③關(guān)閉進(jìn)氣端閥門，觀測(cè)排氣端煤層氣流速變化；④再次開啟He氣閥門，關(guān)閉甲烷閥門，維持0.4 MPa，采用He氣驅(qū)替甲烷，直到流量穩(wěn)定；⑤開啟高壓CO2閥門，關(guān)閉He閥門，維持0.4 MPa，驅(qū)替He，與CH4驅(qū)替He類似，重復(fù)步驟②和③，計(jì)算滲透率2，記錄排氣端流速變化。

d.數(shù)據(jù)處理

依據(jù)進(jìn)氣端和排氣端氣體流速(流量)變化、響應(yīng)時(shí)間，結(jié)合氣體狀態(tài)方程計(jì)算煤體吸附–解吸速率和滲透率變化。

4 結(jié)果分析

4.1 氣體運(yùn)移過程的吸附性能比較

根據(jù)氣體流量法[18]進(jìn)行滲透率測(cè)試，根據(jù)He氣的測(cè)試數(shù)據(jù)，煤樣在上述應(yīng)力條件下滲透率=5.41×10-3μm2，流速穩(wěn)定在=44.39 mL/min。當(dāng)關(guān)閉He氣的高壓閥門，同時(shí)啟動(dòng)CH4閥門后，吸附響應(yīng)時(shí)間1=5.4 min后，進(jìn)氣口流量計(jì)和出氣口流量計(jì)的數(shù)據(jù)不再完全一致(圖3)，這是由于吸附壓力下，氣體擴(kuò)散速率增長(zhǎng)，注入的CH4一部分被煤體吸附，穩(wěn)定流速為1=44.16 mL/min。

圖3 氣體吸附速率比較及局部放大圖

CO2較CH4吸附反應(yīng)更敏感，1=3.9 min，即在閥門啟動(dòng)3.9 min后，進(jìn)出流量產(chǎn)生差異，且吸附速度較CH4更快，流速穩(wěn)定在2=44.02 mL/min。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)條件下，CO2和CH4達(dá)到最大吸附速率(max)的時(shí)間(2)分別為62 min和69 min，最大吸附速率(max)分別為4.79 mL/min和3.40 mL/min，流速恢復(fù)時(shí)間(3)分別是270 min和190 min。

為比較煤體特定條件下的吸附性能，在此定義吸附速率增長(zhǎng)率Δ：

CO2和CH4的Δ值分別為0.083 mL/min和0.052 mL/min。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，兩種氣體運(yùn)移過程中的吸附特性差異體現(xiàn)在吸附響應(yīng)時(shí)間、吸附速率增長(zhǎng)率、吸附平衡時(shí)間和最大吸附體積等4項(xiàng)指標(biāo)，這與氣體吸附過程中最大吸附體積('a)和吸附–解吸速率常數(shù)(1、2)相關(guān)。

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同條件下，運(yùn)移中的CO2和CH4的吸附量和平衡時(shí)間都比常規(guī)煤體吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，這受控于氣體動(dòng)壓作用。另外，比較圖3中兩條曲線發(fā)現(xiàn)，在速率恢復(fù)區(qū)段(速率最大值過后)，兩條曲線表現(xiàn)出差異：CH4氣體的速率經(jīng)過一段時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定后，以近似線性回落，而CO2氣體流速則在短暫的高速穩(wěn)定后，流速呈分階段狀態(tài)回落。在相同的固體介質(zhì)中，導(dǎo)致上述氣體速率差異的根本原因可能是氣體本身分子結(jié)構(gòu)決定的極性差異。而CO2和CH4氣體形成的兩條非對(duì)稱曲線與橫坐標(biāo)軸線分別圍成的區(qū)域面積，就是兩種氣體在煤體試件中的吸附體積，分別達(dá)到了687 mL和438 mL。

4.2 解吸狀態(tài)下氣體擴(kuò)散–滲流性能分析

研究解吸狀態(tài)下的氣體擴(kuò)散–滲流特征，是在關(guān)閉進(jìn)氣端高壓氣體后，基于排氣端流量計(jì)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出。在此狀態(tài)下，氣體孔隙壓力高于裂隙壓力，孔隙系統(tǒng)處于氣體輸出狀態(tài)，裂隙單元儲(chǔ)存的煤層氣量(式(16)中的W)維持短暫的高壓氣體輸出。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(圖4—圖5)，氣體解吸主要集中在前45 min，尤其是前30 min數(shù)據(jù)變化明顯。該狀態(tài)下的煤層氣運(yùn)移，類似于“電容放電”，大量吸附態(tài)的氣體分子如電荷一樣迅速釋放(解吸–擴(kuò)散)，維持系統(tǒng)內(nèi)氣體的持續(xù)運(yùn)移。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，該狀態(tài)下的氣體放散速率與時(shí)間關(guān)系符合負(fù)指數(shù)關(guān)系，見式(18)，這與文獻(xiàn)[14]結(jié)論吻合；比較發(fā)現(xiàn)，盡管CO2的放散初速率較CH4偏大，但其速率衰減系數(shù)較CH4偏低。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，CO2和CH4的氣體解吸體積在前45 min內(nèi)已接近完成總吸附量的41.9%和54.5%，而后續(xù)近2 000 min的氣體放散體積變化微小，最終解吸體積分別達(dá)到244 mL和320 mL，分別達(dá)到吸附體積的46.6%和55.7%。

圖5 CH4和CO2氣體放散體積累積曲線對(duì)比

結(jié)合式(18)可知，在高壓氣體關(guān)閉的瞬間(=0)，CO2和CH4氣體的擴(kuò)散初始速率d分別為37.242 mL/min和34.298 mL/min，分別占初始流速的93.1%和77.5%，系統(tǒng)中殘存氣體壓力控制下的滲流速度s貢獻(xiàn)微弱；如果將上述兩個(gè)氣體擴(kuò)散初始速率代入式(12)–式(14)，可分別求得對(duì)應(yīng)的氣體擴(kuò)散系數(shù)；而孔隙內(nèi)氣體解吸–擴(kuò)散進(jìn)入裂隙的質(zhì)量(或體積)可以通過式(15)和式(16)求解(給定均質(zhì)屬性，單元數(shù)量在小于100的情況下)，可得CO2和CH4氣體的擴(kuò)散初始速率d分別為36.541 mL/min和35.013 mL/min，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性(平均誤差小于5%)。

5 討論

有學(xué)者[19-20]認(rèn)為，氣體吸附(或解吸)導(dǎo)致的基質(zhì)變形是煤體滲透率變化的關(guān)鍵因素，而基質(zhì)變形大小與吸附氣體量成正比，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1,21]證實(shí)，除了煤體孔隙結(jié)構(gòu)和煤體成熟度影響氣體的吸附，氣體自身分子極性也是決定因素，然而氣體的極性差異主要受控于分子結(jié)構(gòu)(官能團(tuán))。本實(shí)驗(yàn)研究過程中，He、CH4和CO2三種氣體在相同條件下的流速差異證實(shí)了其分子極性強(qiáng)弱排序：CO2>CH4> He；而CO2流速最低的原因，可能是氣體吸附體積最大導(dǎo)致基質(zhì)膨脹變形量顯著，從而降低了煤體滲透率。

與巖石不同，煤體的吸附特性決定了其孔隙–裂隙系統(tǒng)在氣體交換過程中交換系數(shù)較小，甚至<0.5，這也是與常規(guī)天然氣滲流量差異原因之一。影響雙重介質(zhì)中氣體交換的重要條件是兩個(gè)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性，其中系統(tǒng)之間的連通性尤為重要，氣體運(yùn)移過程中煤體結(jié)構(gòu)的“容阻效應(yīng)”正是孔隙–裂隙系統(tǒng)功能的映射：微孔和非連通型微裂隙是吸附和容儲(chǔ)氣體的主要載體(電容功能)，而連通型大–中孔隙和裂隙是氣體滲流阻力通道(電阻功能)。

本實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)的吸附流速增加量和解吸擴(kuò)散流速變化量受實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和儀表測(cè)試精度的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)可能存在時(shí)滯誤差，如He閥門關(guān)閉、CH4閥門開啟形成氣體交替置換過程中，吸附開始的響應(yīng)時(shí)間、最大吸附速率與累計(jì)吸附體積的時(shí)間同步性等。與此雷同，在關(guān)閉高壓氣體進(jìn)行氣體解吸–擴(kuò)散速率計(jì)量時(shí)，同樣面臨系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與流速變化的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)等技術(shù)難題?？傮w而言，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋了一維條件下吸附動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，驗(yàn)證了吸附氣體動(dòng)力學(xué)理論，但對(duì)于深入剖析復(fù)雜的煤層氣運(yùn)移機(jī)制，需要更多的數(shù)據(jù)樣本。

6 結(jié)論

a. 煤體內(nèi)氣體運(yùn)移能力主要受煤體的孔隙–裂隙結(jié)構(gòu)控制，其次受氣體本身的分子結(jié)構(gòu)和極性特性影響，煤體中氣體運(yùn)移速率由氣體擴(kuò)散速率和滲流速率兩部分組成；與密閉空間內(nèi)的氣體吸附實(shí)驗(yàn)相比，動(dòng)壓作用下的氣體吸附量下降、吸附平衡時(shí)間縮短。

b. 對(duì)于煤層氣運(yùn)移，煤體結(jié)構(gòu)具備“容”“阻”二重特性，與電路元件類似，由一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)組成的通路構(gòu)成了煤體的基本單元；在煤層氣運(yùn)移過程中，煤體中微孔和非連通型微裂隙是吸附和封存氣體的主要載體(電容功能)，而連通型大–中孔隙和微裂隙是氣體滲流阻力通道(電阻功能)。

c. 氣體運(yùn)移過程中的吸附特性差異體現(xiàn)在吸附響應(yīng)時(shí)間、吸附速率增長(zhǎng)率、吸附平衡時(shí)間和最大吸附體積等4項(xiàng)指標(biāo)；相同條件下CO2氣體較CH4氣體吸附速率大、吸附周期長(zhǎng)、解吸效率低，這是氣體分子極性差異的宏觀表現(xiàn)。

d. 煤層氣運(yùn)移速率，除了受煤巖組分和孔隙結(jié)構(gòu)影響外，還受控于煤層氣壓力梯度和煤層氣賦存狀態(tài)：當(dāng)裂隙及大孔內(nèi)煤層氣壓力較中–微孔隙系統(tǒng)煤層氣壓力高時(shí)，煤層氣運(yùn)移速率以滲流為主，否則以擴(kuò)散為主。

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Coalbed methane migration mechanism under adsorption-desorption condition in coal

LIU Yongqian1,2, ZHANG Shulin1,2, SHU Longyong1,2

(1. Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute), Beijing 100013, China)

The migration law of coalbed methane(CBM) with adsorption has always been the focus of attention in the field of coalbed methane geology. In order to study the mechanism of CBM migration under adsorption-desorption state, the deduction of gas adsorption-desorption equation and theoretical analysis of gas diffusion-seepage in porous media were carried out, and new viewpoints were put forward by means of experimental analysis of CBM migration. The results identified that: (1) for the CBM migration,pore structure of coal body has the storage-resistance effect, the dual functions of gas storage and gas pressure drop form the basic feature of coal matrix, (2) adsorption reaction time, adsorption rate, growth rate, adsorption equilibrium time and the maximum adsorption capacity are 4 key indexes of the different gases, (3) diffusion and seepage coexist in the process of CBM migration. When the gas pressure in fracture and macropore is higher than that in medium-micropore system, the gas migration velocity is dominated by seepage, otherwise diffusion is dominant.

the migration mechanism of CBM; adsorption and desorption; capacitive resistance effect; dynamic adsorption; binary medium; molecular polarity

TP028.8

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.003

1001-1986(2019)04-0012-07

2019-01-15

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-002-006)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51504137，51704164)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-006)；National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(51504137，51704164)

劉永茜，1984年生，男，河南南陽人，博士，副研究員，從事礦山安全技術(shù)和滲流力學(xué)理論研究工作.E-mail：yqliu518@126.com

劉永茜，張書林，舒龍勇. 吸附–解吸狀態(tài)下煤層氣運(yùn)移機(jī)制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：12–18.

LIU Yongqian，ZHANG Shulin，SHU Longyong.Coalbed methane migration mechanism under adsorption-desorption condition in coal[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：12–18.

(責(zé)任編輯 范章群)