煤层气作为非常规天然气资源的重要组成部分,其储量规模巨大且分布广泛,但采收率呈现持续下行趋势。由于CO₂具有良好的物理特性、价格便宜并且被证实可以显著提高煤层气的采收率,所以利用CO₂提高煤层气采收率有广泛的应用前景。基于上述背景,本文采用保德区块和樊庄区煤层中的煤岩进行研究,以等温吸附实验为基础开展了一系列深入分析。主要研究内容包括: (1)通过使用扫描电镜、低温氮气吸附等方法对煤岩样品进行了微观孔隙结构的探测,揭示了其复杂的孔隙结构特征,为后续工作的展开奠定基础。 (2)应用等温吸附实验,分析CO₂与CH₄在煤岩上的吸附解吸规律并绘制等温吸附解吸曲线,利用Langmuir等温吸附模型进行曲线拟合。通过对吸附量的校正,讨论过剩吸附量和绝对吸附量的差异,结果表明视吸附量和真实吸附量的差异均和Langmuir参数有关。 (3)通过Langmuir方程来建立描述吸附/解吸阶段划分的数学模型,提出并确定了关键压力的概念,提出并寻找了关键压力概念。研究表明:吸附过程可以分为三个阶段:过渡吸附阶段、缓慢吸附阶段和零吸附阶段;而解吸过程则分为主流解吸阶段、缓速解吸阶段和过渡解吸阶段。对比实验表明,在不同温度下,CH4在煤岩中的等效吸附率呈现明显的时间滞后效应。 (4)对比了不同温度下的CH4吸附/解吸过程中等效吸附/解吸率、零吸附/解吸压力、过渡吸附/解吸压力,表明:温度升高会使吸附量由疾速增加变为缓慢增加的时间点提前到来;温度降低会使得解吸量由缓慢增加变为疾速增加的时间点提前到来,即有利于快速进入稳产阶段。 (5)从热力学角度出发,运用Clapeyron-Clausius方程分析了不同吸附解吸类型下的热力学特性。结果显示:在温度较高时,煤岩对CO₂和CH₄的吸附机理呈现出不同的机理特征,这为进一步研究其他气体在煤层中的吸附机理具有重要的理论价值。