太原西山煤田煤储层微观结构与吸附特征研究

作     者：罗丽 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾凡桂;孙蓓蕾;郝海金

授予年度：2022年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：西山煤田 煤储层 孔隙 化学结构 甲烷吸附 影响因素 

摘      要：“碳达峰、碳中和战略目标的提出为清洁能源带来了新的发展机遇。煤层气(主要成分为甲烷)作为一种重要的清洁能源和温室气体,其开发和利用对于提高煤矿安全生产、增加清洁能源供应和减少温室气体排放都具有非常重要的现实意义。煤中甲烷吸附解吸特性对煤层气开发方式的选择及开发效果都具有重要影响。本文以西山煤田为研究对象,从煤的微观角度及甲烷吸附特性的角度进行分析研究,首先选取6个具有代表性煤矿主采煤层进行了现场样品采集工作;其次在实验室完成了相关样品加工和测试前准备工作;然后相继开展了多项测试实验。主要包括:(1)进行基础煤岩煤质参数测试,得到了样品镜质组最大反射率R、水分含量和显微组分含量;(2)利用低温N和CO吸附实验,得到了煤样的中孔、小孔和微孔的全尺度孔径分布特征;(3)用扫描电子显微镜(SEM)手段,对煤样内部结构的表面形态观察,厘清不同煤样对应的主要孔隙类型;(4)采用红外变换光谱测定方法(FTIR)对煤的化学结构进行表征,对不同类型的官能团进行定性和定量分峰拟合计算与分析;(5)利用甲烷等温吸附实验,得到了样品的吸附特征。最后,结合前人的研究,依据实验数据,定性或定量地对煤的微观物理结构与化学结构等因素对甲烷气体吸附特性的影响进行了分析和研究。取得了以下成果:(1)太原西山煤田6件煤样镜质组最大反射率值(R,)测定结果为1.08%～1.8%,表明西山煤田煤层变质程度中等,主要为肥煤、贫煤、瘦煤、贫瘦煤或焦煤。煤中孔隙发育,孔隙体积2.74×10cm/g～2.93×10cm/g。比表面积在0.19m/g～107.07 m/g之间。煤样品中孔的总体积以微小孔隙占比较大。在本研究区范围内随着煤的变质程度增大,微孔所占的比例也越大。煤中的羟基含量随着变质程度的增加而呈现逐渐变小的趋势。(2)研究区内煤样的吸附量相对较强,兰氏体积在14.96～33.62 V/cm.g。利用Langmuir模型对甲烷的实测值与计算值相当,相关系数均大于0.9;对同一个煤样,水分子、甲烷分子存在特殊的竞争吸附机制。甲烷气体吸附量与煤级呈线性相关,吸附能力会伴随变质程度的提升有所提升;与孔隙结构关系密切,表现在煤样微孔的比表面积、孔体积与兰氏体积呈极高的正相关关系;煤样化学结构,主要是羟基含量与甲烷吸附有负相关关系,羟基越多,吸附量越小。最后综合分析可推演得出:甲烷的吸附特征不是由某个物理性质或化学成分的单因素控制的,而是物理、化学结构耦合作用的结果。总的来说,研究区内煤的变质程度越高,提供的大量微孔的比表面积是甲烷气体吸附的主要场所,同时羟基含量较低,对甲烷的竞争吸附较弱,有利于甲烷的吸附。(3)研究区较发育的孔隙结构有助于煤层气的吸附,区域内的煤样有较高的吸附能力,这对煤层气开发具有一定的科学意义和现实意义,可进一步推进国家政策的落地执行。