煤镜质组结构演化对甲烷吸附的分子级作用机理

发布时间：2020-11-08 14:27

　　 吸附态为煤层气(瓦斯)的主要赋存状态,煤吸附甲烷机理的研究对丰富煤层气成藏理论、指导煤层气高效开发、提升矿井瓦斯治理效果具有重要意义。论文针对煤中镜质组开展研究,旨在揭示煤化过程中煤镜质组吸附甲烷能力的演化机制,从分子层面阐明甲烷与镜质组大分子之间的作用机理。研究选取自然演化序列、人工热模拟序列两套不同成熟度镜质组样品,利用实验测试方法表征煤镜质组分子结构演化、孔隙结构演化、甲烷吸附能力演化,借助于分子模拟技术探究镜质组大分子吸附甲烷的作用机理,以实验验证计算结果,以计算解释微观机理,从分子级层面阐明了煤镜质组大分子结构演化对甲烷吸附的作用机制。论文取得了如下主要认识与成果:(1)利用高分辨率透射电镜、核磁共振、红外光谱等实验定量表征了不同成熟度镜质组芳香环化学结构特征及定向性特征,揭示了镜质组芳香环的演化规律,发现了3×3芳香环在中高煤级煤芳香环演化过程中的“纽带”作用;基于核磁共振数据、X射线衍射等数据,利用分峰拟合法半定量表征了镜质组脂肪结构演化特征、微晶机构演化特征;综合芳香结构演化及脂肪结构演化,建立了新的煤镜质组大分子结构演化模式,将R_(o,ran)=0.5%~R_(o,ran)=4.2%区间的镜质组结构演化划分为了五个阶段,进一步细化了煤镜质组大分子结构的演化特征及作用机制。(2)借助于高压压汞实验、低温液氮吸附实验、低温二氧化碳吸附实验等定量表征了自然演化序列样品、人工热演化序列样品孔隙结构特征,研究发现人工热模拟过程中微孔演化特征与自然演化过程中基本一致,而二者过程中介孔与宏孔演化存在较大差异;在此基础之上,研究基于煤镜质组大分子三维结构模型利用“探针法”重构了微孔结构网络,并结合镜质组孔隙结构特征及分子结构特征,探究了镜质组中微孔的形成机理,发现了镜质组中微孔的形成与演化受控于镜质组大分子结构,阐明了煤化过程中微孔的“三段式”演化机制;(3)利用分子模拟技术,从微观上阐明了甲烷吸附机理。模拟结果表明:甲烷在微孔中呈现“充填式”吸附特征,而在介孔与宏孔中呈现“双层式”吸附特征;孔径、压力不同,甲烷吸附能力对温度的响应不同,整体上孔径越大、压力越小,温度对甲烷吸附能力的减小作用越明显;煤镜质组各化学基团对甲烷吸附作用较为复杂,其表面势能及空间展布形式均对甲烷吸附能力有较大影响;研究结合镜质组分子结构、孔隙结构,构建了煤镜质组复杂分子结构控制下、复杂孔隙网络中甲烷吸附计算模型,厘清了各因素对甲烷吸附的影响,明确了微孔是煤镜质组大分子与甲烷相互作用的主要场所,为甲烷吸附能力的主要贡献者;(4)综合煤镜质组大分子结构演化、孔隙结构演化及甲烷吸附机理,探明了煤化过程中甲烷吸附能力的演化机制,从分子级层面揭示了煤镜质组大分子结构对甲烷吸附的作用机理;研究表明,煤镜质组大分子结构的演化主导着甲烷吸附能力的演化,镜质组大分子一方面提供了产生甲烷吸附的作用势能,另一方面控制着甲烷吸附的主要场所(微孔),同时,在不同阶段,煤镜质组大分子结构演化特征的不同也导致着甲烷吸附能力演变机制的不同。该论文有图116幅,表15个,参考文献218篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

图 1-1 水分与吸附量之间的关系[111]lationship between moisture content and methane adsorpt分对甲烷吸附的影响已取得共识[[1, 124, 125]。水分，且水分含量愈高，甲烷吸附量愈低（图 1-1），造成甲烷吸附量的急剧减少[111, 119]。Levy（1995MPa 下不同含水量煤样中甲烷的吸附量，结果量呈线性减小，水分每增加 1%，甲烷吸附量约减nd Crosdale（2002）研究了不同煤级煤中平衡水表明低煤级煤的减小效果要比高煤级煤明显[126能团表面的吸附能力远高于甲烷[127]，水分子的得煤储层中甲烷的吸附量降低[111, 119]。随着煤级团逐渐脱落，煤储层对水分子的吸附能力降低，烷能力减小效果高于高煤级煤[111, 119]。

且水分含量愈高，甲烷吸附量愈低（图 1-1），造成甲烷吸附量的急剧减少[111, 119]。Levy（1995MPa 下不同含水量煤样中甲烷的吸附量，结果量呈线性减小，水分每增加 1%，甲烷吸附量约减and Crosdale（2002）研究了不同煤级煤中平衡水表明低煤级煤的减小效果要比高煤级煤明显[126能团表面的吸附能力远高于甲烷[127]，水分子的得煤储层中甲烷的吸附量降低[111, 119]。随着煤级团逐渐脱落，煤储层对水分子的吸附能力降低，烷能力减小效果高于高煤级煤[111, 119]。

煤芳香化程度进一步加深，大规模缩聚反应与孔小孔减少，储层孔隙度与比表面积急剧减小，储层吸附能力达到高煤级 III 无烟煤阶段时，由于孔容与比表面积大大常小[134]。Wang 等（2011），Shen 等（2015），郭恒等（阶煤、中煤阶煤、高煤阶煤平衡水煤样甲烷吸附特征，其果基本一致（图 1-3）[131-133]。
【参考文献】

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本文编号：2874908