前沿应用|低场核磁法深部煤层气吸附降压解吸可逆性表征

煤层气在煤储层中主要以吸附态赋存于煤基质微孔隙表面，其含量常超过煤体孔隙容积，仅用游离态或溶解态无法解释，因此吸附态成为主要研究对象。

煤层气的开采必须通过“排水?降压?解吸?扩散?渗流”过程，使吸附气转化为游离气才能产出，这一特殊赋存方式决定了吸附?解吸行为对煤层气可采性的关键控制作用。早期普遍采用 Langmuir 单分子层吸附模型描述等温吸附过程，但在高压、含水及多组分气体条件下出现明显偏差，滞后现象普遍存在，传统模型难以准确刻画实际储层中的吸附?解吸动态。吸附-解吸的可逆性是物理吸附的基本特征，意味着在降压过程中吸附气能够转化为游离气产出。掌握可逆规律可帮助确定临界解吸压力、优化降压制度与井网布置，从而提高单井产量与采收率。

低场核磁共振（LF-NMR）技术在表征煤层气吸附-解吸可逆性表征具有重要的科学价值与工程意义，其优势主要体现在以下几个方面：

图一： HL13甲烷吸附解析T₂图

所选两种煤样在增压吸附、降压解吸的甲烷吸附和解吸的T₂分布如图一、图二所示。图中的甲烷弛豫谱显示出两个明显的峰，从左到右分别标记为P1和P2。P1峰出现在0.01–3毫秒范围内，具有较慢的弛豫特性，而P2峰出现在10–100毫秒范围内。大孔中的质子通常比小孔中的质子表现出更慢的弛豫特性。因此，可以推断P1谱峰代表吸附在煤孔表面的甲烷，而P2谱峰代表存在于煤裂隙系统中的自由甲烷。

如图三所示吸附峰面积与甲烷平衡压力之间的关系。HL13和HQ7样品的吸附峰面积在10MPa时，初始平衡压力2MPa时的7.89倍和3.29倍。图三b中两个样品的P2峰拟合曲线几乎相同，表明自由甲烷在两种过程中都表现出接近可逆的行为。

图四显示了HQ7样本在二氧化碳注入过程中NMR T₂谱和甲烷含量的动态变化。随着初始注入二氧化碳（压力6.22MPa），根据图四aT₂谱图的变化情况部分吸附的甲烷被解吸。根据图四b甲烷吸附量迅速下降，初始解吸气体占总解吸含量的大约47.06%，随着压力增加吸附气体的减少显著减缓。这对二氧化碳竞争吸附提高煤炭甲烷采收率有指导作用。

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参考文献：

[1] Xu H, Ni J, Ding H, et al. Methane adsorption/desorption and carbon dioxide replacement in low permeable coal using LF-NMR-experiments on cylindrical sample under apparent adsorption equilibrium condition[J].International Journal of Greenhouse Gas Control, 2024, 132.

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