沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质 论文

受地质因素影响的煤体结构能够影响煤层气井的产气能力，且在实际地质条件下，煤储层往往含有甲烷，使得含甲烷煤体的力学性质与储层压裂改造的效果密切相关。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段测试和分析了山西沁水盆地寺河矿无烟煤的元素组成、原子比和官能团类型与分布等分子结构特征，构建了其大分子结构模型，模型的碳含量和密度与实测值具有较好的一致性。采用蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在无烟煤中的吸附量、吸附位和吸附热，得到了甲烷在无烟煤中的吸附构型。结果表明:甲烷在无烟煤中的饱和吸附量为22.4个/晶胞，Langmuir压力为1.12 MPa，无烟煤模型中的芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位，等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降，说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位;甲烷在无烟煤中的吸附热介于22.65 ~25 kJ/mol，远小于42 kJ/mol，属于物理吸附。采用分子动力学方法对无烟煤的含气力学性质进行了模拟，定量研究了含气量对无烟煤的体积模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明，无烟煤的体积模量、杨氏模量和