声震法促进煤层气解吸扩散流动的机理研究

论文摘要

论文在教育部科学技术重点项目“声震法促进煤层气解吸扩散流动的机理研究”的资助下,通过开展不加声场和加声场作用下甲烷气吸附、解吸、渗流特性的实验研究,声场促进煤层气解吸扩散流动的机理研究,声场作用下煤层气渗流数值模拟,取得的主要成果如下:在不加声场和加声场条件下煤对甲烷的吸附等温曲线规律一致,声场作用下煤对甲烷的吸附量减少,且吸附量随声场强度的增大而减小。吸附特性可以用D-R方程、Langmuir方程、Freundlich方程、BET方程来描述,其D-R方程与Langmuir方程能较好地描述煤对甲烷的吸附特性。声场作用使吸附参数a、K’、Qm、Qn减小,且随声场强度的增大而减小。不加声场和加声场条件下煤中甲烷气的解吸动力学曲线规律一致,声场作用有利于煤中甲烷解吸、扩散。解吸规律可以用经验公式、渗流模型和扩散模型来描述,且扩散模型能较好地描述煤中甲烷的解吸特性。声场作用使解吸模型参数α、Qd∞增大,β、B、b0减小。不同温度条件下煤中甲烷解吸特性的实验研究表明,随温度的增加,甲烷分子动能增大,煤对甲烷的吸附能力降低,有利于甲烷从煤中解吸出来。解吸模型参数α、Qd∞随温度的增加而增大,参数B与b0随温度的增加而减小。不加声场和加声场条件下煤中甲烷的扩散特性可以用单一扩散模型来描述,声场作用传质毕欧准数减小,说明声场作用使煤体内部扩散阻力减小,扩散能力增强,气体在煤体内部扩散浓度就越一致,内外扩散浓度差小。声场作用扩散系数增大,即传质傅立叶级数F’0增大,气体在煤体内扩散速率大,传质速度快,浓度扰动波及范围大。声波促进煤层气解吸、扩散、渗流的机理源于声波的机械振动和热效应。实验与数值分析结果表明,煤体的渗透率与所处的应力状态、孔隙压力、温度、声场作用密切相关。声场作用能提高煤样的渗透率,其煤层气钻孔抽采中煤层气的渗流与声波的频率、功率作用密切相关。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状评述
• 1.2.1 煤中煤层气的解吸特性
• 1.2.2 煤对煤层气的吸附特性
• 1.2.3 煤层气的渗流特性
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方法
• 1.5 研究的技术路线
• 2 声场作用下煤层气吸附解吸特性的实验研究
• 2.1 煤体微观结构的实验研究
• 2.2 声场作用下煤层气吸附特性的实验研究
• 2.2.1 煤层气的吸附模型
• 2.2.2 实验装置与实验方法
• 2.2.3 声场作用下甲烷吸附特性的实验研究
• 2.3 声场作用下甲烷解吸特性的实验研究
• 2.3.1 煤层气的解吸模型
• 2.3.2 实验装置与实验方法
• 2.3.3 声场作用下甲烷解吸特性的实验研究
• 2.4 本章小结
• 3 声场促进煤层气扩散的机理研究
• 3.1 煤层气的扩散模型
• 3.1.1 Fick 扩散
• 3.1.2 Knudsen 型扩散
• 3.1.3 过渡型扩散
• 3.2 其它扩散模型
• 3.2.1 双扩散模型
• 3.2.2 表面扩散
• 3.2.3 晶体扩散
• 3.3 声场促进煤层气扩散的机理
• 3.4 本章小结
• 4 声场作用下煤层气的渗流特性与数值模拟
• 4.1 煤层气渗流方程
• 4.2 煤体变形特性的实验研究
• 4.2.1 实验试件与设备
• 4.2.2 煤体的变形特性
• 4.3 煤层气渗流特性的实验研究
• 4.3.1 实验装置与实验方法
• 4.3.2 不加声场作用下煤层气的渗流特性
• 4.3.3 声场作用下煤层气的渗流特性
• 4.4 声场作用下煤层气渗流特性的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• B. 参与的科研项目