超临界CO2抽提煤的吸附和渗透特征及其机理

Supercritical CO2, a supercritical solvent, can extract small organic molecules from the coal, which changes structures of the pore and fracture, and material composition/chemical structure of the coal, and affects the coal adsorptivity and permeability. Primary structure coal samples before and after the second coallification jump will be collected to simulate supercritical CO2 extraction in supercritical extraction equipment. The evolutions of pore and fracture structures, and material composition/chemical structure with the coal rank will be studied according to results of pore and fracture structures, and material composition/chemical structure of raw and supercritical CO2 extracted coals. Based upon those, adsorptivity and permeability properties of raw and supercritical CO2 extracted coals will be compared. The inherent relationships between adsorptivity and pore and fracture structures & chemical structure，as well as permeability and pore and fracture structures & chemical structure of supercritical CO2 extracted coals will be investigated, and their evolutions to coal rank will be analyzed. Therefore, change mechanisms of supercritical CO2 extraction to coals adsorptivity and permeability will be illustrated; and the models of isothermal adsorption and permeability of supercritical CO2 extracted coals will be established or modified.

超临界CO2作为一种超临界溶剂，可以抽提出煤中有机小分子，改变煤孔裂隙结构和物质组成/化学结构，影响其吸附性和渗透性。本项目拟以第二次煤化作用跃变前后原生结构煤作为研究对象，采用超临界抽提装置模拟超临界CO2抽提煤中有机小分子实验，根据实验前后煤的孔裂隙结构和物质组成/化学结构特征，探讨超临界抽提煤的孔裂隙结构和物质组成/化学结构随煤级的演变规律。在此基础上，对比分析原煤和超临界CO2抽提煤的吸附和渗透特征，基于原煤和超临界CO2抽提煤的孔裂隙结构和化学结构的测试结果，耦合超临界CO2抽提煤的吸附性、渗透性与其孔裂隙结构、化学结构之间的内在关联，分析其随煤级的演化规律，阐明超临界CO2抽提作用对煤吸附和渗透特征改造机理，建立或修正适合超临界CO2抽提煤的等温吸附模型和渗流模型。

超临界CO2作为一种超临界溶剂，可以抽提出煤中有机小分子，改变煤孔裂隙结构和物质组成/化学结构，影响其吸附性和渗透性。本项目以第二次煤化作用跃变前后原生结构煤作为研究对象，采用超临界抽提装置模拟超临界CO2抽提煤中有机小分子实验，结果发现：经超临界CO2抽提后，煤的物质组成发生了微弱的变化，孔隙结构改造特征显著，吸附性和渗透性改造都以第二次煤化作用为主发生规律性变化。分析认为超临界CO2抽提出煤中烃类等液态小分子，致使煤中水分含量、灰分和固定碳含量都有不同程度升高，挥发份含量则普遍降低；煤中碳和氢两种元素含量显著降低，氧和氮两种元素含量有明显增加的演变趋势。煤化作用过程中形成的液态小分子被超临界CO2抽提后，对孔隙结构改造表现为增孔和扩孔效应；且在第二次煤化作用之前增孔效应相对突出，第二次煤化作用之后扩孔效应较为显著；构建了超临界CO2抽提对煤孔隙结构改造模型。认为超临界CO2抽提作用不会改变煤吸附气体等温线类型，但吸附气体能力会受其影响；第二次煤化作用之前，超临界CO2增强煤吸附甲烷能力，第二次煤化作用之后，超临界CO2抽提作用减弱煤吸附甲烷能力。发现孔隙结构的改造对吸附性改造具有一定的影响，物质组成/化学结构改造才是吸附性改变的根本原因，并应用吸附表面能和吸附势理论阐释了吸附能力改变，发现渗透率改变特征与大中孔孔容以及孔隙度之间存在正相关关系。论证了煤储存系统中纳米级孔隙和微孔是气体吸附的主要场所，大中孔隙则是气体流动的主要通道，阐释了超临界CO2抽提作用对煤吸附性和储层渗透性改造机理。