CN115879395A - 一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，包括引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画表征，然后在考虑气体分子不能视作质点的条件下构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式；利用所述解析式对现有的煤系储层微裂缝吸附层的吸附气流速方程进行变形，并构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式；然后计算煤系微裂缝内多元气体的等效平均分子自由程；再构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，基于气体表面跳跃系数计算获得煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率；获得煤系储层气体竞争吸附及表面扩散的耦合计算模型。
Description
技术领域
本发明涉及煤系储层研究技术领域，具体涉及一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法。
背景技术
在煤系储层微尺度多元气体表面扩散研究领域，建立了基于化学势的气体表面滑移理论和表面跳跃理论。表面扩散即为吸附态流体分子在吸附势场作用下发生的运移。表面扩散是扩散粒子与壁面之间以及与扩散粒子之间的复杂相互作用过程。
研究表明，吸附态气体表面扩散传输量与体相气体传输量具有可比性，甚至占总传输量的90%以上。对于煤系储层微纳米孔裂隙吸附气而言，影响表面扩散的因素主要包括压力、温度、微纳米孔裂隙壁面物理性质、吸附气物理性质以及吸附气/壁面耦合物理性质等。在压力影响研究方面，根据Langmuir吸附定律，孔裂隙壁面吸附气覆盖度与压力有关。
研究发现表面扩散与气体覆盖度呈正相关性。进一步基于跳跃模型，发现表面扩散与气体覆盖度呈正相关性。
在温度影响研究方面，页岩微纳米孔隙中甲烷的解吸是吸热过程，温度变化对甲烷表面扩散影响显著。进一步实验及理论研究均证明，温度升高，甲烷表面扩散系数升高，但表面扩散传输量下降，这是由于温度升高降低了吸附浓度造成的。
在微纳米孔裂隙壁面物理性质影响研究方面，国内外学者普遍认为煤系储层孔裂隙壁面能量密度是决定气体吸附能力的关键；将吸附壁面假设为具有不同渗流阻力的渗流通道，建立了基于吸附壁面能量密度的气体表面扩散模型。假设壁面由不同能量密度的条带组成，进而建立了气体表面扩散模型。
基于实验及理论方法研究了不同吸附气体在不同介质中的表面扩散特征，均表明气体表面扩散与壁面类型紧密相关。在吸附气物理性质影响研究方面，大量实验及分子模拟结果指出不同类型气体具有不同表面扩散系数，且气体表面扩散能力与相对分子质量呈负相关关系。对于不同吸附态气体分子，由于分子物理性质（分子结构、相对分子质量、体积和极性等）具有差异性，且气体分子与壁面作用强度不同，因此，不同类型气体分子具有不同的表面扩散能力。
在吸附气/壁面耦合物理性质方面，国内外学者常通过等量吸附热来定量表征气体分子与壁面的吸附强度。对于一组吸附气体和吸附壁面，等量吸附热数值越高，气体与壁面作用强度最大，表面扩散能力越差。
目前，国内外关于表面扩散模型的研究可分为三类，即Fickian模型、水动力学模型和跳跃模型。
关于Fickian模型，即通过实验测量体相气体传输量和总传输量，进而计算表面气体扩散量。Fickian模型的基本原理即认为气体总传输量等于表面扩散量与体相传输量之和。该模型原理简单，但不能对表面扩散物理机理进行有效表征。关于水动力学模型，即认为吸附气体或液体在壁面的表面扩散过程为黏性流动。基于黏性流动假设建立了纳米级孔隙（2 nm-50 nm）表面扩散模型，该模型被后续学者推广至非均质表面。该模型多用于描述多层吸附条件下的表面扩散特征。关于跳跃模型，即认为气体分子由一个吸附位点跳跃至另一个吸附位点，该过程通过活化能的变化定量表征。当吸附气体分子获得足够能量，能够跨越相邻两个吸附位点的能量壁垒，即认为气体分子被活化。
众多研究表明，煤储层和页岩储层中气体吸附多符合Langmuir单层吸附模式，为此，跳跃模型更适用于描述煤系储层气体表面扩散。基于低压模型，进一步考虑高压对甲烷覆盖度的影响，建立高压吸附气表面扩散模型。需要说明的是，目前跳跃模型尚未在多层气体吸附中得到应用。
综上所述，目前，在煤系储层气体竞争吸附-表面扩散定量表征领域，主要存在以下三项技术问题：
（1）对于煤系储层微尺度多元气体竞争吸附定量表征研究较少；
（2）尚未***开展煤系储层微裂缝多元气体表面扩散的***研究；
（3）关于煤系储层微尺度多元气体竞争吸附-表面扩散的耦合机制尚不清晰且缺乏量化表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，以解决现有技术中，由于缺乏准确的气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，包括步骤：
步骤100、在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画，然后在考虑多元气体效应的条件下构建多元气体压缩因子的表征，具体为：
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为多元气体压缩因子，无因次/>
；为多元气体中某一组分的质量分数，无因次；
步骤200、基于理想气体条件下的煤系储层微裂缝表面吸附气化学势能解析模型，在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式，具体为：
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为化学势，单位J/mol；/>
为参考状态条件下的化学势，单位J/mol；/>
为压缩因子，无因次；/>
为气体常数，数值为8.314 J/(mol·K)；/>
为煤层气储层温度，单位为K；
为气体压力，单位为Pa；
步骤300、利用所述实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式对基于扩散方法的煤系储层微裂缝吸附层的吸附气流速方程进行变形，并基于变形后的方程构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式，具体为：
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为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，m2/s；/>
为压缩因子，无因次；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，单位为米；/>
为阿伏伽德罗常数，6.0221415×1023mol-1；/>
为气体压力，单位为Pa；/>
为气体表面跳跃方向，单位为米；
在考虑气体分子间的短程强斥力作用下，构建计算煤系微裂缝内多元气体的等效平均分子自由程，具体为：
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为考虑实际气体效应的表面跳跃系数，单位为m2/s；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，单位为m2/s；/>
为微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度，无因次；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，单位为米；/>
为气体的分子直径，单位为米；
步骤400、构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，具体为：
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为与气体分子类型有关的拟合常数，单位为m2/(s·K m )；/>
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为等量吸附热，单位为J/mol；/>
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为微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度，无因次；
步骤500、基于步骤300中构建的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式以及步骤400中构建的构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，计算获得煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，具体为：
步骤600、利用步骤100中构建的多元气体压缩因子的表征以及步骤500中的煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，构建煤系储层气体竞争吸附及表面扩散的耦合计算模型。
作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画的具体公式包括：
其中，
为压缩因子，无因次；/>
为对比压力，无因次；/>
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为临界压力，Pa；/>
为临界温度。
作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式的具体方式包括：
理想气体条件下的表面吸附气化学势能解析模块表示为：
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为化学势，J/mol；/>
为参考状态条件下的化学势，单位为J/mol；/>
为气体常数，8.314 J/(mol·K)；/>
为煤层气储层温度；/>
为气体压力；
在考虑实际气体效应时，则引入压缩因子Z。
作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，根据扩散方法煤层气储层微纳米孔隙微裂缝吸附层的吸附气流速
及多孔介质尺度吸附气流速/>
可以表示为：
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为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为微裂缝吸附层横截面处的流速，m/s；/>
为迁移率，mol·s/kg；/>
为仅考虑微裂缝吸附层中气体质量的吸附气浓度，kg/m3；/>
为气体分子摩尔质量，kg/mol；/>
为气体表面扩散的跨尺度渗透率转化系数，无因次；/>
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为气体表面扩散方向；
那么基于微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距对公式进行变形后，具体为：
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为迁移率，由温度和活化能决定，mol·s/kg；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，由煤岩吸附性能和压力决定；/>
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那么基于实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式对
的公式进行变形后获得：
作为本发明的一种优选方案，在基于变形后的的方程构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，且在低压条件下的公式具体为：
作为本发明的一种优选方案，在基于吸附气体的随机游走或表面跳跃的动力学特征，推导出在高压条件下吸附气的扩散系数和表面覆盖度的关系，具体为：
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为考虑实际气体效应的表面跳跃系数，m2/s；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数；/>
为吸附气覆盖度，无因次；/>
为表面气体分子阻塞系数，无因次；/>
为海维赛德阶跃函数，无因次；/>
为表面气体分子阻塞速度常数；/>
为表面气体分子前进速度常数。
作为本发明的一种优选方案，构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，具体方法为：
考虑实际气体效应，引入压缩因子，则微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数表示为：
其中，
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，m2/s；/>
为与气体分子类型有关的拟合常数；/>
为拟合常数，无因次；/>
为气体温度；/>
为气体活化能；/>
为气体常数；
结合基于甲烷-活性炭***条件下的表面扩散经验方程，对微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数的表达式进行变形，具体为：
其中，
为等量吸附热，与气-固相互作用有关。
作为本发明的一种优选方案，通过步骤200至步骤600，计算输入不同微裂缝参数变量下的多元气体表面扩散系数；
通过步骤100至步骤600计算输入不同甲烷摩尔分数的多元气体实际气体耦合分析结果。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明基于煤系储层微裂缝气-固耦合作用机理、多元气体效应、实际气体效应等，首次提出了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散解析模型，揭示了煤系储层微裂缝内多元气体竞争吸附的多元气体效应-实际气体效应耦合控制模式。
本发明结合吸附势能理论、化学势能驱动理论等，创建了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散解析模型，剖析了煤系储层微裂缝表面多元气体表面扩散的压力-多元气体效应-实际气体效应-微裂缝几何特征耦合控制模式。
本发明基于实际气体理论、吸附势理论、分子力场平衡理论、化学势驱动理论等***构建了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散模型，阐明了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散能量转化控制的分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例1的煤系储层微裂缝表面吸附层厚度的微裂缝宽度-甲烷摩尔分数耦合影响分析示意图；
图2为本发明实施例2的煤系储层微裂缝表面扩散系数的微裂缝宽度-甲烷摩尔分数耦合影响分析示意图；
图3为本发明实施例3的煤系储层微裂缝内吸附浓度的微裂缝宽度-甲烷摩尔分数耦合影响分析示意图；
图4为本发明实施例4的煤系储层微裂缝表面扩散系数的微裂缝宽度-甲烷摩尔分数耦合影响分析示意图；
图5为本发明实施例5的煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散速率的微裂缝宽度-甲烷摩尔分数耦合影响分析示意图；
图6为本发明实施例6的煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散修正系数的压力-微裂缝宽度-实际气体效应耦合控制机制示意图；
图7为本发明中构建耦合计算模型的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图7所示，本发明提供了一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，包括步骤：
步骤100、在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画，然后在考虑多元气体效应的条件下构建多元气体压缩因子的表征，具体为：
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步骤200、基于理想气体条件下的煤系储层微裂缝表面吸附气化学势能解析模型，在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式，具体为：
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步骤500、基于步骤300中构建的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式以及步骤400中构建的构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，计算获得煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，具体为：
步骤600、利用步骤100中构建的多元气体压缩因子的表征以及步骤500中的煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，构建煤系储层气体竞争吸附及表面扩散的耦合计算模型。
在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画的具体公式包括：
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在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式的具体方式包括：
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为迁移率，mol·s/kg；/>
为仅考虑微裂缝吸附层中气体质量的吸附气浓度，kg/m3；/>
为气体分子摩尔质量，kg/mol；/>
为气体表面扩散的跨尺度渗透率转化系数，无因次；/>
为化学势，J/mol；/>
为气体表面扩散方向；
那么基于微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距对公式进行变形后，具体为：
其中，
为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为迁移率，由温度和活化能决定，mol·s/kg；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，由煤岩吸附性能和压力决定；/>
为阿伏伽德罗常数；/>
为化学势，J/mol；/>
为表面跳跃方向；
那么基于实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式对
的公式进行变形后获得：
在基于变形后的的方程构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，且在低压条件下的公式具体为：
在基于吸附气体的随机游走或表面跳跃的动力学特征，推导出在高压条件下吸附气的扩散系数和表面覆盖度的关系，具体为：
其中，
为考虑实际气体效应的表面跳跃系数，m2/s；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数；/>
为吸附气覆盖度，无因次；/>
为表面气体分子阻塞系数，无因次；/>
为海维赛德阶跃函数，无因次；/>
为表面气体分子阻塞速度常数；/>
为表面气体分子前进速度常数。
构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，具体方法为：
考虑实际气体效应，引入压缩因子，则微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数表示为：
其中，
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，m2/s；/>
为与气体分子类型有关的拟合常数；/>
为拟合常数，无因次；/>
为气体温度；/>
为气体活化能；/>
为气体常数；
结合基于甲烷-活性炭***条件下的表面扩散经验方程，对微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数的表达式进行变形，具体为：
其中
，为等量吸附热，与气-固相互作用有关。
通过步骤200至步骤600，计算输入不同微裂缝参数变量下的多元气体表面扩散系数；
通过步骤100至步骤600计算输入不同甲烷摩尔分数的多元气体实际气体耦合分析结果。
综合上述提供的煤系储层微裂缝表面多元气体表面扩散的压力-组分耦合控制分析技术，提供具体实施例：
实施例1
假设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（2nm和5nm）和甲烷摩尔分数（100%、80%和50%）条件下的微裂缝表面吸附层厚度，并对比分析理想气体和实际气体计算结果的差异性，计算结果如图1所示。
由图1可知，随着甲烷摩尔分数下降，多元气体吸附层厚度减小；考虑实际气体效应后，多元气体吸附层厚度下降。
实施例2
假设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（2nm和5nm）和甲烷摩尔分数（100%、80%和50%）条件下的微裂缝内表面扩散系数，并对比分析理想气体和实际气体计算结果的差异性，计算结果如图2所示。
由图2可知，考虑实际气体效应后，不同甲烷摩尔分数及微裂缝宽度条件下的煤系储层微裂缝多元气体表面扩散系数均下降。此外，当微裂缝宽度由2nm增加至5nm时，微裂缝多元气体表面扩散系数迅速下降。
实施例3
假设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（2nm和5nm）和甲烷摩尔分数（100%、80%和50%）条件下的微裂缝内吸附浓度，并对比分析理想气体和实际气体条件下的吸附浓度计算结果差异性，计算结果如图3所示。
由图3可知，随着甲烷摩尔分数下降，微裂缝内吸附浓度升高；微裂缝宽度对多元气体吸附浓度影响不大。
实施例4
假设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（2nm和5nm）和甲烷摩尔分数（100%、80%和50%）条件下的微裂缝内多元气体表面扩散系数，并对比分析理想气体和实际气体条件下的表面扩散系数计算结果差异性，计算结果如图4所示。
由图4可知，随着甲烷摩尔分数减小，煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散系数升高；微裂缝宽度对煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散系数的影响可以忽略。
实施例5
设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（2nm和5nm）和甲烷摩尔分数（100%、80%和50%）条件下的微裂缝内多元气体表面扩散速率，并对比分析理想气体和实际气体条件下的表面扩散速率计算结果差异性，计算结果如图5所示。
由图5可知，甲烷摩尔分数降低，煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散速率升高；考虑实际气体效应后，表面扩散速率小幅下降；微裂缝宽度由2nm升高至5nm，煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散速率下降幅度超50%。
实施例6
假设煤系储层微裂缝开度为20nm，研究不同微裂缝宽度（1nm至7nm）和压力（0.101MPa、1 MPa和10 MPa）条件下的微裂缝内多元气体表面扩散修正系数，并对比分析理想气体和实际气体条件下的表面扩散修正系数计算结果差异性，计算结果如图6所示。
由图6可知，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散修正系数不断升高；随着微裂缝宽度不断升高，表面扩散修正系数不断下降；考虑实际气体效应后，表面扩散修正系数小幅度下降。
1、计算结果表明：
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为100 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气浓度由9.1332 kg/m3升高至368.9031 kg/m3；对于甲烷摩尔分数为80 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气浓度由13.358 kg/m3升高至539.5503 kg/m3；对于甲烷摩尔分数为50 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气浓度由21.0069 kg/m3升高至848.4998 kg/m3。
2、受到沉积环境、水文地质以及构造地质特征影响，实际煤系储层微裂缝内部多元气体表面扩散的微尺度效应显著。
本技术聚焦煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散的微尺度效应，揭示了微裂缝表面多元气体吸附-扩散的化学势能驱动机制，剖析了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散的分子跳跃力学作用模式。
计算结果表明：
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为100 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气表面扩散系数由9×10-6 m2/s升高至2.04×10-5 m2/s；
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为80 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气表面扩散系数由1.29×10-5 m2/s升高至2.75×10-5 m2/s；
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为50 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，吸附气表面扩散系数由1.8×10-5 m2/s升高至3.82×10-5 m2/s。
3、实际煤系储层微裂缝对多元气体作用程度差异显著，微裂缝内多元气体表面扩散受到压力-微裂缝宽度-实际气体效应的耦合控制。
本技术基于实际气体理论、吸附势理论、分子力场平衡理论、化学势驱动理论等***构建了煤系储层微裂缝内多元气体表面扩散模型。
计算结果表明，当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为100 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由2.24×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0089 mol/(m2·s)；
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为80 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由3.19×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0126 mol/(m2·s)；
当微裂缝宽度为2nm时，对于甲烷摩尔分数为50 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由4.82×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0189 mol/(m2·s)；
当微裂缝宽度为5nm时，对于甲烷摩尔分数为100 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由1.02×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0036 mol/(m2·s)；
当微裂缝宽度为5nm时，对于甲烷摩尔分数为80 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由1.45×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0052 mol/(m2·s)；
当微裂缝宽度为5nm时，对于甲烷摩尔分数为50 %，随着压力由0.101 MPa升高至10 MPa，表面扩散速率由2.19×10-4 mol/(m2·s)升高至0.0078 mol/(m2·s)。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (8)
1.一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，包括步骤：
步骤100、在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画，然后在考虑多元气体效应的条件下构建多元气体压缩因子的表征，具体为：
其中，
为多元气体压缩因子，无因次；/>
为多元气体中某一组分的质量分数，无因次；
步骤200、基于理想气体条件下的煤系储层微裂缝表面吸附气化学势能解析模型，在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式，具体为：
其中，
为化学势，单位J/mol；/>
为参考状态条件下的化学势，单位J/mol；/>
为压缩因子，无因次；/>
为气体常数，数值为8.314 J/(mol·K)；/>
为煤层气储层温度，单位为K；/>
为气体压力，单位为Pa；
步骤300、利用所述实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式对基于扩散方法的煤系储层微裂缝吸附层的吸附气流速方程进行变形，并基于变形后的方程构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式，具体为：
其中，
为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，m2/s；/>
为压缩因子，无因次；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，单位为米；/>
为阿伏伽德罗常数，6.0221415×1023 mol-1；/>
为气体压力，单位为Pa；/>
为气体表面跳跃方向，单位为米；
在考虑气体分子间的短程强斥力作用下，构建计算煤系微裂缝内多元气体的等效平均分子自由程，具体为：
其中，
为考虑实际气体效应的表面跳跃系数，单位为m2/s；/>
为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数，单位为m2/s；/>
为微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度，无因次；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，单位为米；/>
为气体的分子直径，单位为米；
步骤400、构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，具体为：
其中，
为考虑实际气体效应的表面跳跃系数，单位为m2/s；/>
为与气体分子类型有关的拟合常数，单位为m2/(s·K m )；/>
为气体温度，单位为K；/>
为拟合常数，无因次；/>
为等量吸附热，单位为J/mol；/>
和/>
为拟合常数；/>
为压缩因子，无因次；/>
为气体常数，数值为8.314 J/(mol·K)；/>
为微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度，无因次；
步骤500、基于步骤300中构建的气体表面跳跃系数与微裂缝吸附层中吸附气的流速的关系式以及步骤400中构建的构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，计算获得煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，具体为：
步骤600、利用步骤100中构建的多元气体压缩因子的表征以及步骤500中的煤系储层微裂缝表面某一气体组分表面扩散速率，构建煤系储层气体竞争吸附及表面扩散的耦合计算模型。
2.根据权利要求1所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，在步骤100中，在现有煤系储层微裂缝表面多元气体竞争吸附机理的表征中引入压缩因子参数对实际气体效应进行刻画的具体公式包括：
其中，
为压缩因子，无因次；/>
为对比压力，无因次；/>
为对比温度，无因次；/>
为临界压力，Pa；/>
为临界温度。
3.根据权利要求1所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，在步骤200中，在考虑气体分子不能视作质点的条件下以及引入所述压缩因子参数构建煤系储层微裂缝表面的实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式的具体方式包括：
理想气体条件下的表面吸附气化学势能解析模块表示为：
其中，
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为参考状态条件下的化学势，单位为J/mol；/>
为气体常数，8.314 J/(mol·K)；/>
为煤层气储层温度；/>
为气体压力；
在考虑实际气体效应时，则引入压缩因子Z。
4.根据权利要求1所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，在步骤300中，根据扩散方法煤层气储层微纳米孔隙微裂缝吸附层的吸附气流速
及多孔介质尺度吸附气流速/>
可以表示为：
其中，
为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为微裂缝吸附层横截面处的流速，m/s；/>
为迁移率，mol·s/kg；/>
为仅考虑微裂缝吸附层中气体质量的吸附气浓度，kg/m3；/>
为气体分子摩尔质量，kg/mol；/>
为气体表面扩散的跨尺度渗透率转化系数，无因次；/>
为化学势，J/mol；/>
为气体表面扩散方向；
那么基于微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距对公式进行变形后，具体为：
其中，
为微裂缝吸附层中吸附气的流速，mol/(m2·s)；/>
为迁移率，由温度和活化能决定，mol·s/kg；/>
为微裂缝吸附层中被吸附位点捕获的气体分子的平均间距，由煤岩吸附性能和压力决定；/>
为阿伏伽德罗常数；/>
为化学势，J/mol；/>
为表面跳跃方向；
那么基于实际气体效应的表面吸附气化学势能解析式对
的公式进行变形后获得：
5.根据权利要求4所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，在基于变形后的的方程构建在定义吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，且在低压条件下的公式具体为：
6.根据权利要求4所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，在基于吸附气体的随机游走或表面跳跃的动力学特征，推导出在高压条件下吸附气的扩散系数和表面覆盖度的关系，具体为：
其中，
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为覆盖度趋于0时的表面跳跃系数；/>
为吸附气覆盖度，无因次；/>
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为表面气体分子阻塞速度常数；/>
为表面气体分子前进速度常数。/>
7.根据权利要求1所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，构建吸附气体表面覆盖度趋于零时的气体表面跳跃系数，具体方法为：
考虑实际气体效应，引入压缩因子，则微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数表示为：
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结合基于甲烷-活性炭***条件下的表面扩散经验方程，对微裂缝吸附层中的吸附气覆盖度趋于0时的表面跳跃系数的表达式进行变形，具体为：
其中，
为等量吸附热，与气-固相互作用有关。
8.根据权利要求1所述的一种气体竞争吸附和表面扩散的耦合计算模型构建方法，其特征在于，通过步骤200至步骤600，计算输入不同微裂缝参数变量下的多元气体表面扩散系数；
通过步骤100至步骤600计算输入不同甲烷摩尔分数的多元气体实际气体耦合分析结果。
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| Title |
|---|
| 郝光旭: "煤对CH4、CO2和N2混合气体等温吸附实验研究", 《中国优秀博硕士论文辑》 * |
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