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发布时间：2026-04-07
煤层气吸附解吸机理研究是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。已有研究表明，煤储层孔隙结构非常复杂且具有分形特征，煤层气在孔−固界面的吸附行为明显受到煤孔隙结构特征的影响。对比分析几种常用气−固界面上的吸附模型，总结这些模型的特点和适用条件，指出当前吸附模型在分形界面吸附行为的描述和应用上均未摆脱吸附选择性的平稳假设，尚未考虑吸附厚度的尺度不变特征。而分形拓扑理论可以有效标定分形对象的尺度不变属性，为分形界面的等效表征提供了理论支撑。因此，结合上述模型对气−固界面吸附行为的描述，借助分形拓扑理论提出煤储层孔−固界面上分形吸附行为的相关假设及其控制机理，构建基于吸附拓扑的单层吸附模型。在此基础上，通过设置不同的吸附拓扑参数组合获取其等温吸附曲线，分析得出，随着吸附压力的升高，吸附覆盖率表现出指数、线性和对数3种不同的增长趋势，而吸附热表现为对数减小趋势。结果显示，不同的吸附拓扑参数组合会得到不同类型的等温吸附曲线，在一定程度上弥补了Langmuir方程只能描述单一类型等温吸附线的不足。为了验证吸附模型的适用性，结合沁水盆地武乡区块富有机质泥页岩的液氮吸附实验数据，对比了实际等温吸附曲线与模拟吸附曲线的差异。结果表明，通过调整各吸附拓扑参数之间的组合关系，可以使等温吸附模拟曲线与实际吸附曲线的趋势始终保持一致。最后，探讨了吸附解吸机理的研究方向，类比电子层提出了吸附层的概念，指出发展分形动力学描述模型是解释煤层气吸附解吸规律的关键。
煤层气是指以甲烷为主要成分赋存于煤层中，以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，属非常规天然气，俗称“瓦斯”，也是煤的伴生矿产资源。煤层气是近二十年来在世界范围内的清洁优质能源与化工原料，我国已探明的煤层气资源储量较为丰富，开采前景较好。目前，埋深2 000 m以浅的煤层气地质资源储量约36.81×1012 m3，世界排名第三。煤层气的开发和使用能够填补部分常规油气资源量的匮乏，减轻矿井灾害程度，减少矿井生产成本，也有助于降低温室气体排放量，保护大气环境。煤层气开采过程中，有关煤层气吸附解吸机理及吸附动力学模型的研究对其高效开发和开采起到了关键理论支撑。
煤层气主要吸附在孔−固界面上，以其孔隙网络为储存空间，其吸附能力取决于煤储层孔隙结构的复杂程度，一般孔隙体积与孔−固界面表面积越大，煤储层储集性能越好。国内外相关研究指出，拥有大量孔裂隙的煤储层是一种分形体，且其表面的变形、断裂、渗透率、孔隙率和物理性质都呈现出分形特征。Zhang Liehui等基于分形理论提出了考虑吸附表面粗糙度的多层分形吸附模型。孔隙表面分形特征，导致煤表面非均匀吸附势阱，影响甲烷的吸附特性，煤的孔隙表面具有部分远高于甲烷分子能量的深吸附势阱和大量与甲烷分子能量相当的浅吸附势阱。不同分形粗糙特征狭缝孔影响甲烷吸附，吸附界面的原始复杂性和行为复杂性会分别改变甲烷的赋存方式和吸附数量。
总体而言，前人已经对储层孔−固分形表面上气体的吸附特征进行了深入研究，但主要是获取其吸附规律的方法和手段，吸附行为的控制参数尚无严格定义，且分形界面上气体吸附解吸过程的控制体系尚不明确。笔者通过系统分析煤层气在孔−固界面吸附解吸机理的研究现状，总结归纳煤孔隙结构分形特征，探讨界面几何分形特征对气体吸附解吸行为的控制机制，并基于吸附拓扑理论研究界面分形吸附机理。
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