研究综述

作者与研究机构

这项研究主要由Yang Bai、Hai-Fei Lin、Shu-Gang Li等学者完成，他们均来自Xi’an University of Science and Technology（西安科技大学）以及该校的Western Engineering Research Center of Mine Gas Intelligent Extraction（矿井气体智能开采西部工程研究中心）。该研究发表于《Energy》期刊，具体为2022年第254卷，论文编号为124251。

研究背景与目的

本研究聚焦于煤层气（coalbed methane, CBM）领域，通过氮气（N2）注入促进煤中气体解吸及扩散的动力特性。煤层气的主要成分为甲烷（CH4），甲烷是导致全球变暖的重要温室气体，但另一方面，其作为一种清洁能源，具有重要的能源价值。煤层气的高效开采及利用已经成为全球的重要研究课题，而中国煤矿区域普遍存在煤层低渗透率（low permeability）的问题，传统钻孔排采的预抽效果较差，耗时较长。因此，近年来研究者越来越关注通过气体注入技术提高煤层气抽采效率和缩短预抽时间。

具体来说，本研究旨在揭示氮气注入过程中氮气分子与煤中吸附气体的相互作用机制，探讨促进气体解吸的动力学效应，完善煤层气开采技术的理论模型。此外，研究还致力于通过实验分析和模型构建，探索解吸气体扩散的时间效应，为氮气注入技术在煤层气高效抽采中的应用提供理论支持。

研究方法与工作流程

1. 实验样品的选取与处理
   研究使用的煤样取自中国新疆艾维尔沟煤矿1930回风巷4号煤层。煤样采集于刚暴露的煤墙，采用真空密封以防止氧化和变质。之后，将煤样粉碎为60-80目，在333K的真空干燥箱中干燥6小时以上。对干燥后的煤样进行工业组分分析，检测其固定碳（FCad）、水分（Mad）、灰分（Aad）和挥发分（Vdaf）。测试结果显示：固定碳为69.85%，水分为0.28%，灰分为8.49%，挥发分为23.45%。

2. 煤样孔隙结构测试
   通过低温氮气吸附实验，研究测定了煤样的平均孔径为6.5494 nm，比表面积为0.8126 m²/g，BJH孔体积为0.002596 cm³/g。

3. 实验设备与系统构建
   实验使用的主要设备为Setaram生产的PCTPro高压吸附仪，其温控范围为-23 K至673 K，测压范围为0至2×10⁷ Pa，精确度优于±102 Pa。此外，实验系统还包括高精度电子天平、PID自动压力控制脱气泵、配置不同范围压力传感器的压力控制系统、气体存储设备以及数据采集与分析系统。

4. 实验流程设计

   • 温度对气体解吸与扩散的影响
     在不同温度（303 K至343 K）条件下，进行等温吸附与解吸实验。饱和煤样的吸附压力设定为1×10⁶ Pa，解吸后通过气相色谱仪实时监测气体成分、解吸量和解吸时间。

   • 氮气注入对煤样中气体行为的影响
     在上述温度条件下，向饱和煤样注入1×10⁶ Pa的氮气，随后进行解吸实验，观察解吸平衡压力点处的气体浓度及其变化。

5. 数据分析与模型构建
   基于实验获得的时间相关数据，构建了描述煤层气扩散的扩散动力学校正模型（modified model of gas diffusion dynamics under gas injection）。该模型综合考虑了扩散系数随时间变化的特性，进一步揭示了解吸扩散的动力学规律。

研究结果

1. 气体解吸规律

   • 在不同温度下，甲烷的解吸量随平衡压力的下降而增大。甲烷的解吸规律符合幂函数曲线，在实验温度范围内，解吸能力介于6.351至8.291 cm³/g之间。结果表明，解吸过程中甲烷的扩散系数与温度呈正相关，而解吸速率的重要阶段集中在前15分钟。

2. 氮气注入对解吸的影响

   • 在氮气注入条件下，实验观测到甲烷浓度随平衡压力的下降逐渐降低，而氮气浓度呈负相关。随着温度升高，甲烷的解吸量在6.779至14.357 cm³/g之间递减，而氮气的解吸量随温度上升而增大。氮气的注入通过竞争吸附和部分压力效应促进了甲烷的解吸。

3. 气体扩散系数规律

   • 在不同温度条件下，实验确定了甲烷扩散系数范围为4.390×10⁻¹⁰ m²/s至5.625×10⁻¹⁰ m²/s；在氮气注入实验中，扩散系数范围为6.555×10⁻¹⁰ m²/s至8.388×10⁻¹⁰ m²/s，表明扩散能力增强与温度升高之间的相关性。

4. 扩散系数的时间依赖性

   • 研究发现甲烷扩散系数随时间快速衰减后趋于稳定，二者关系符合指数函数形式：d(t) = a×e^(-bt)。进一步分析表明，扩散系数的变化能够显著影响实验前期与后期的解吸性能。

5. 模型验证

   • 将校正模型计算的扩散系数与实验结果相比，在不同温度及时间段内，计算值与实验值的一致性较高，相关系数达到0.988，从而说明该模型在描述煤层气解吸扩散动力学方面具有较高稳定性和准确性。

研究结论与意义

1. 本研究通过实验分析与模型构建，系统探索了氮气注入对煤层气解吸及扩散的影响机制。结果表明，氮气注入能够有效促进煤中甲烷解吸，优化煤层气抽采工艺。

2. 本研究首次提出了气体扩散动态校正模型，模型综合考虑了扩散系数的时间依赖性，为建立更具现实性的煤层气动力学模型提供了重要参考。

3. 研究为氮气注入技术在煤层气高效、安全抽采中的应用奠定了理论基础，同时对解决低渗透煤层气体抽采难题具有重要意义。

研究亮点

1. 提出了具有时间效应的扩散动力学校正模型，显著增强了对煤层气解吸扩散过程的理解。

2. 通过新的实验设计与数据分析方法，明确了温度对气体解吸以及扩散系数的影响规律。

3. 实验结果与校正模型具有极高的一致性，为煤层气领域提供了稳定且准确的动力学测量技术路径。