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基于分子模拟研究深部煤储层孔隙结构和吸附特征 ——以大宁-吉县地区煤层为例

2020-12-08阅读(144)

基于分子模拟研究深部煤储层孔隙结构和吸附特征 ——以大宁-吉县地区煤层为例

论文摘要

为了更准确研究深部煤层CH4的吸附特征和煤的孔隙结构特征,了解深部煤储层CH4吸附的影响因素和机理,通过工业元素分析、煤岩学、真密度、13C核磁共振碳谱(13C-NMR)、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等测试表征了煤样的微观结构,并构建了黑龙关（HLG）和蛤蟆沟（HMG）两个煤样的大分子结构模型。在大分子结构模型的基础上进行孔隙结构模拟,结合低压CO2吸附实验和低温N2吸附解吸实验,从超微孔、微孔、中孔和大孔角度分析煤样孔隙结构特征。通过等温吸附模拟,分析了CH4的吸附特征。主要研究成果包括:1.通过13C-NMR、FTIR、XPS分析进行了煤样的微观结构表征。研究结果表明:（1）煤化作用的过程,也是煤分子结构中芳香化合物缩聚程度提高的过程;（2）在低煤级阶段,芳香环被取代程度很高,随着煤级升高,芳香环被取代程度降低,逐渐趋于平稳;煤的大分子结构中亚甲基的含量高于甲基的含量,氢键多以自缔合羟基氢键的形式存在;变质程度相近时,富惰质组煤的芳香度与缩合度要稍高于富镜质组煤;高挥发分烟煤具有极好的生烃潜力,第二次煤化作用跃变也会导致生烃潜力的跃变;（3）HLG和HMG两种煤样中氮的存在形式主要为吡咯,硫的存在形式主要为噻吩型硫。2.通过13C-NMR、FTIR、XPS等参数构建了HLG和HMG煤样的平面结构模型和立体结构模型。HLG和HMG煤样的结构模型的密度均为1.45g/cm3。3.通过低温N2、低压CO2的吸附解吸实验和超微孔隙结构模拟的方法,研究了HLG和HMG煤样的孔隙结构特征。研究结果表明:（1）与HMG煤样相比,HLG煤样具有更复杂的孔隙结构和更大的孔体积和比表面积;（2）传统的体积法等温吸附实验低估的CH4吸附量为PVh-m/ZRT;低估的吸附量随着埋深的增加而增大,因此对于深部煤储层低估的CH4吸附量很大,不可忽略。4.通过等温吸附模拟分析了深部煤层CH4的吸附特征和影响机理。研究结果表明:（1）压力对CH4的吸附呈现出正效应,温度和水含量对CH4的吸附呈现出负效应;压力越高,吸附量对温度变化越敏感;相同温度压力范围下,HLG煤样的吸附能力大于HMG煤样;（2）从吸附热角度看,CH4的吸附属于放热反应,导致了温度对CH4的吸附呈现出负效应;H2O与煤分子的作用强于CH4与煤分子,导致了水分不利于CH4的吸附;从孔隙结构上看,H2O分子占据许多有利的吸附孔位,导致这些有利的吸附孔位无法吸附CH4,且H2O的存在也会阻碍CH4等流体分子的扩散,导致了CH4吸附量的减少。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 选题背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 煤结构表征
  •     1.2.2 分子模拟
  •     1.2.3 煤的孔隙结构研究
  •     1.2.4 煤的吸附特征
  •   1.3 研究内容与技术路线
  •     1.3.1 研究内容
  •     1.3.2 技术路线
  • 第二章 地质概况与样品实验
  •   2.1 地质概况
  •     2.1.1 地质构造背景
  •     2.1.2 煤层发育特征
  •   2.2 样品采集处理
  •   2.3 实验测试
  •     2.3.1 工业元素分析测试
  •     2.3.2 镜质组反射率测试
  •     2.3.3 真密度测试
  • 13C核磁共振碳谱测试'>    2.3.413C核磁共振碳谱测试
  •     2.3.5 傅里叶变换红外光谱测试
  •     2.3.6 X射线光电子能谱测试
  • 2和 CO2）吸附实验'>    2.3.7 低压气体（N2和 CO2）吸附实验
  • 4高压等温吸附实验'>    2.3.8 CH4高压等温吸附实验
  • 第三章 光谱测试结果分析
  •   3.1 煤岩煤质特征
  • 13C核磁共振谱分析'>  3.213C核磁共振谱分析
  • 13C-NMR图谱'>    3.2.113C-NMR图谱
  •     3.2.2 分子结构参数
  •     3.2.3 分子结构芳香桥碳与周碳之比
  •   3.3 傅里叶变换红外光谱分析
  •     3.3.1 FTIR图谱
  •     3.3.2 芳香结构吸收带
  •     3.3.3 含氧官能团吸收带
  •     3.3.4 脂肪吸收带
  •     3.3.5 羟基吸收带
  •     3.3.6 红外定量分析
  •   3.4 X射线光电子能谱分析
  •     3.4.1 煤表面结构中氮的赋存形态
  •     3.4.2 煤表面结构中硫的赋存形态
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 大分子模型的构建
  •   4.1 HLG煤样大分子模型的构建
  •     4.1.1 HLG煤样平面结构模型的构建
  •     4.1.2 HLG煤样立体结构模型的构建
  •   4.2 HMG煤样大分子模型的构建
  •     4.2.1 HMG煤样平面结构模型的构建
  •     4.2.2 HMG煤样立体结构模型的构建
  •   4.3 本章小结
  • 第五章 孔隙结构特征
  •   5.1 大孔和中孔
  •   5.2 微孔
  •   5.3 超微孔
  •   5.4 等温吸附曲线的修正
  •   5.5 本章小结
  • 4的吸附模拟'>第六章 煤对CH4的吸附模拟
  •   6.1 等温吸附模拟
  •     6.1.1 Langmuir吸附模型理论
  • 4的等温吸附特征'>    6.1.2 不同温压条件下CH4的等温吸附特征
  • 4的等温吸附特征'>    6.1.3 不同水分条件下CH4的等温吸附特征
  • 4的等温吸附特征'>    6.1.4 不同灰分CH4的等温吸附特征
  •   6.2 吸附的影响机理
  •     6.2.1 吸附热
  •     6.2.2 孔隙结构
  •   6.3 本章小结
  • 第七章 结论与展望
  •   7.1 主要结论
  •   7.2 论文创新点
  •   7.3 论文的不足
  •   7.4 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李鹏飞

    导师: 要惠芳

    关键词: 深部煤储层,大分子结构,孔隙结构,等温吸附

    来源: 太原理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 地质学,石油天然气工业

    单位: 太原理工大学

    分类号: P618.13

    总页数: 107

    文件大小: 5708K

    下载量: 270

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