低煤阶煤中粘土矿物对甲烷的吸附机理研究

Clay minerals are the main and most vast minerals in coal, and the methane adsorption capacity of clay minerals has been improved by the combination with organic matter in coal. Therefore, the adsorption of methane by clay minerals in low rank coal reservoirs cannot be ignored. Based on the structure and surface properties, this project selects clay minerals in low-rank coal as the research object to ascertain the methane adsorption capacity of different kinds of clay minerals, to discuss the influence on the methane adsorption by the interaction of clay-organic matter complexes, and to clarify the impact of clay mineral interlayer properties on the methane adsorption capacity, by comparing the methane adsorption of clay minerals in low-rank coal with synthetic organo-clay complexes. The complex models of different types of clay minerals with methane are constructed by using the molecular modeling technique combining molecular dynamics simulation with Monte Carlo method, to explore the key mineral factor of methane adsorption by clay minerals and their interfacial microstructural characteristics, reveal the nanoscale interfacial interactions between the clay mineral interlayer in coal and the methane, which is helpful in ascertaining the reserve and migration features of methane in coal, and accurately evaluating the gas content.

粘土矿物是绝大部分煤中最主要的矿物质，煤中有机质与粘土矿物复合改善了粘土矿物对甲烷的吸附能力，故在含气量较低的低煤阶煤储层中粘土矿物对甲烷的吸附不可忽视。本项目拟以低煤阶煤中粘土矿物为研究对象，基于其结构特征和表面性质研究，在与人工合成粘土矿物-有机质复合体甲烷吸附对比实验基础上，查明煤中不同类型粘土矿物的表面特征及其对甲烷的吸附能力与吸附方式；探讨有机质-粘土矿物相互作用对其甲烷吸附性能的影响；阐明不同粘土矿物层间域对甲烷分子存储机制。结合分子动力学与蒙特卡洛模拟方法，构建煤中不同种类粘土矿物与甲烷分子的界面作用体系，探索储层条件下煤中粘土矿物对甲烷气体吸附过程的关键矿物学因素及其微观界面作用机制；揭示煤中粘土矿物层间域与甲烷分子在纳米尺度的界面作用机理；进而为探明甲烷在煤层中的存储和运移特征，并为精确预测低煤阶煤储层的气含量提供理论基础。

粘土矿物是绝大部分煤中最主要的矿物质，煤中有机质与粘土矿物复合改善了粘土矿物对甲烷的吸附能力，故在含气量较低的低煤阶煤储层中粘土矿物对甲烷的吸附不可忽视。本项目分别选取黏土矿物含量较高的煤层夹矸和纯黏土样品，采用X-射线衍射、红外光谱及扫描电镜表征，并进一步分析了样品中总有机碳（TOC）含量、有机质的类型和成熟度，结合孔径、孔隙体积和比表面积测定结果，探讨造成夹矸型和非煤黏土矿物甲烷吸附能力差异的主要原因，研究影响夹矸型黏土矿物吸附能力的控制因素。结果表明，夹矸型黏土矿物甲烷吸附能力的大小顺序为：铵伊利石>高岭石>伊利石>金云母；单纯的外表面积大小并不能完全反应出黏土矿物的甲烷吸附特性，需结合不同黏土矿物层间域等多方面因素综合考虑；有机质含量较高的夹矸型黏土矿物样品比纯黏土样品具有更多的微小孔隙，尤其是孔径小于6nm的孔隙，对样品比表面积的增加起到了关键作用，进而也增强了其甲烷吸附能力。通过分析黏土矿物的甲烷吸附贡献率发现，黏土矿物及其有机复合体都具有较强的甲烷吸附能力，尤其是在有机质含量较低的煤层及夹矸中具有较大贡献。运用吸附势理论推导出的各样品甲烷吸附能力大小顺序和实测的结果一致，该方法存在一定的可行性，为预测不同埋深温压下的甲烷吸附状态提供了一种方法手段，为探索深部煤储层气体吸附提供了依据。在该项目的资助下，研究队伍中1人获得教授任职资格，1人获得教育部青年长江学者，1人获得陕西省“青年千人”称号。培养博士研究生4名，硕士研究生7人。研究成果发表SCI收录论文12篇，EI收录论文2篇，中文核心期刊论文15篇，申请发明专利3项，授权1项。