吸附熱對煤-氣相互作用的數值模擬研究

李曜辰，王春光

(山東科技大學 能源與礦業工程學院,山東 青島 266590)

0 引 言

煤層氣開采與礦井瓦斯抽采均涉及多物理耦和過程。煤層氣的主要成分是甲烷，大部分甲烷以吸附狀態存儲在煤孔隙/裂隙結構中。當煤儲層壓力降低后，吸附態甲烷分子會解吸成游離態，從煤基質內擴散進入裂隙。在此過程中，會出現煤基質收縮，煤裂隙壓縮導致滲透率變化，進而又會影響后續的吸附氣體解吸-擴散-滲流。因此研究煤-氣吸附/解吸過程對煤儲層物性的動態影響規律是高效開發煤層氣、提高煤層氣抽采量的基本科學問題[1]。

有關煤儲層流-固耦合關系已經開展大量的研究[2-6]。張宏斌等[7]根據有效應力原理建立的單孔隙滲透率模型，得到了業內廣泛應用[8-9]。考慮到深部煤儲層溫度較高，曲鴻雁等[10]從熱力學的角度將溫度變量引入Langmuir吸附方程,建立了吸附參數與環境溫度的數學關系。李寶林等[11]研究了煤層溫度對氣體滲流的影響。XIA等[12-13]考慮了焦耳湯姆遜效應對溫度的改變，構建了熱-流-固三場耦合的模型。XUE[14]考慮了非達西流體和滑脫效應對溫度的影響。KHALILI[15]建立了雙孔彈性介質的非等溫流動和變形的偏微分方考慮了熱對流、溫度梯度和壓力梯度引起的流體通量、相壓收縮熱等。這些研究表達了熱流固耦合過程，揭示了溫度、固體、氣體互相作用演化的機理。

煤的吸附能力與其孔隙結構發育和礦物組成有關[16]，不同煤階的吸附性能差異顯著[17]。目前評價煤對氣體的吸附參數多數是進行等溫吸附實驗，根據Langmuir[18-19]或Brunauer-Emmett-Teller(BET)[20]等溫吸附方程確定相關參數。……