第１０卷第４期 华北科技学院学报 ２０１３年１０月 无烟煤煤层气储层孑Ｌ隙特征与解吸实验① 于明科⑦ （宁夏煤矿安全监察局，宁夏银川７５０００１） 摘要：通过对深成变质作用与岩浆变质作用ｗＹ煤层气储层物质构成、孔隙发育、比表面积、吸附／解吸实 验分析认为，ｗＹ变质类型的判定标志之一是小孔以下孔隙比例为９６％。解吸作用方式取决于解吸热与吸 附热的差值，晋城寺河地区井筒降压满足于ｗＹ煤层气解吸的能耗，解吸率高达６６％。排水一降压一解吸 的排采模式适应于本地区煤层气的开发。煤层气开采应以解吸热与吸附热差值为基础确定解吸方式。 关键词：ＷＹ煤层气储层；深成变质作用；岩浆变质作用；吸附热；解吸率 中图分类号：Ｐ６１８．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７１６９（２０１３）０４—０００１—０５ 中国无烟煤（ｗＹ）产出地多属瓦斯突出矿 井，但是地面煤层气开采效果差异很大。为探索 产生这种差异的本质，本实验采集了深成变质为 样¨ Ｊ、以深成变质作用为主Ｃ 含煤岩系的湖南 冷水江塘冲３ 煤样 Ｊ、煤层气开发示范区沁水盆 地Ｃ 一Ｐ 含煤岩系晋城寺河煤矿３ 煤样＿４』。 表２、图１说明，ＷＹ的孔容与比表面积呈现 主和岩浆变质作用为主的煤样与沁南煤层气开发 示范区的煤样进行实验对比，以ｗＹ煤层气吸附／ 解吸实验结果与分析为基础，揭示不同变质作用 导致ＷＹ煤层气解吸的差别。 正相关性，孔隙以微孔和小孑Ｌ为主，微孔和小孔占 总孔隙的８８％（仅汝箕沟２ 中孑Ｌ含量突出）。但 是深成变质为主的ｗＹ小孔以下孔隙比例占 １实验样品与仪器 １．１实验样品与物性分析 ９６％以上；深成变质为主寺河３ 与塘冲３ ｗＹ比 表面积相当，而岩浆变质为主的汝箕沟２ 煤的比 表面积仅为另外两个样品的１／２０左右；汝箕沟２ 煤样品的孔容也最小，占另外两个样品的１／４～ １／８左右。 实验对象为ｗＹ（表１）， 大于２．５％，Ｖ 小于１０％，Ｆｄ．ｆ大于９０％。分别采自以岩浆热变 质作用为主Ｊ 含煤岩系的宁夏汝箕沟２ 煤 表１煤样工业分析结果表 注：Ｍ ｄ——水分，Ａｄ——灰分，Ｖｄａｆ——挥发分，Ｒ ——镜质组最大反射率，Ｆｄａｆ——固定碳 表２煤样孑Ｌ隙特征 寺河３ ７．０７７ ０．３２１ ６．２５６ ０．ＯＯ４５ ５．９Ｏ ４．２０ ３．８Ｏ ３３．５３ ６３．１４ ３．３１ Ｏ．０２ 汝箕沟２ 塘冲３ ０．００１１ Ｏ．【ｘ】８２ １５．４５ ２２．３７ ７ｌ＿６５ ７４．００ １２．７６ ３．６Ｏ ０．１４ ０．Ｏ３ ①②收稿日期：２０１３—０８—１３ 作者简介：于明科（１９６９一），男，河南许昌人，硕士，宁夏煤矿安全监察局高级工程师，研究方向：安全工程。 第１０卷第４期 华北科技学院学报 ２０１３年１０月 寺河３ 微孔 汝箕沟２ 嚣ＩＩ，７Ｌ 嚣中孔 塘伸 ０ ００ ０ ２０ 翟圆圈雹盈翟豳ｏ－ｏ 孔 ０ ４０ ０ ６０ ０ ８０ １ ００ 图１三种ｗＹ孔径分布比例 分析认为，汝箕沟２ 煤受岩浆热作用，大量 的挥发性物质逸出，产生中孔及其以下的逸出孔， 煤层气储层以微孔小孔为主，有利于煤层气的吸 附 ，发育中孔，有利于煤层气运移 。 １．２ 吸附／解吸实验仪器与实验设计 实验采用ＡＳＴ一２０００型大样量煤层气吸附／ 解吸仿真实验仪，原理如图２所示。 图３寺河３ 吸附／解吸曲线 图２ ＡＳＴ－２０００型大样量煤层气吸附／解吸 仿真实验仪原理图 实验按照ＧＢ／Ｔ１９５６０—２００４＜＜煤的高压容量法 等温吸附实验方法》规则进行。吸附质使用ＣＨ 含 量９９．９９％的瓶装气体。等温吸附实验是一个增 压一平衡一再增压的过程，等温解吸实验的操作其 实是等温吸附实验的逆操作，即为降压一平衡一再 降压的重复过程。实验设计２Ｏ℃、２５℃、３０℃、 ３５￣Ｃ、４０℃五个温度点。最后，根据系统采集的压 力、温度数据计算不同平衡压力点吸附过程、解吸 过程煤样的含气量，绘制吸附／解吸曲线。 图４汝箕沟２ 吸附／解吸曲线 ２吸附／解吸实验结果 实验样品制备参照ＡＳＴＭ（美国试验材料学 会Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａ１）标准执 行，６０—８０目样品平衡水分含量分别为３．５６％ （寺河３ ）、２．６８％（汝箕沟２ ）、４．３２％（塘冲 ３ ）。吸附／解吸实验结果如图３、图４、图５所示。 ２ 图Ｓ塘冲３ 煤样吸附／解吸实验曲线 第４期 于明科：无烟煤煤层气储层孔隙特征与解吸实验 ３实验结果分析 表４不同温度点降压解吸率计算结果 ３．１解吸率 寺河３ 汝箕沟２ 塘冲３ 温度／Ｋ １１ ／％ １１ｄ／％ Ｔ１ ／％ ￣ｌｄ／％ ／％ １１ｄ／％ 为方便解吸率计算，用Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程（１）拟 合吸附过程，用Ｗｅｉｂｕｌｌ函数（２）与解吸式（３）描 述解吸过程 Ｊ。 Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程 Ｖ＝ａｂｐ／（１＋ｂｐ） （１） 式中：ａ一饱和吸附量，ｂ一吸附常数。 Ｗｅｉｂｕｌｌ函数 ３．２等量吸附特征 Ｖ＝Ｙｏ．［１一ｅｘｐ（一 ）］ （２） 利用Ｄ—Ａ方程，将２０℃、２５℃、３０℃、３５℃、 式中：Ｖｏ一最大吸附量；ｂ，ｑ为解吸常数。 ４０℃等温吸附／解吸实验结果的吸附等温线换算 解吸式 为等量吸附线。设定吸附量分别为４、８、１２、 Ｖ＝ａｂｐ／（１＋ｂｐ）＋Ｃ （３） １６ｃｍ ／ｇ，甲烷Ｐ～Ｔ关系如图６。 式中：ａ一最大吸附量．ｂ一解吸常数；ｃ一残余气。 可以看出： 设定实际排采中，煤层气解吸的匮乏压力为 （１）等量吸附线为直线，斜率为正值； ０．５ ＭＰａ １ ，利用Ｗｅｉｂｕｌｌ函数、解吸式计算的解 （２）吸附量一定时，ｗＹ煤层气储层压力与 吸率分别为 。５个温度点解吸量与解吸率 温度正相关； 的计算结果如表４。 （３）随着吸附量增加，直线变陡，斜率增大， 可以看出，煤层气的解吸率随着温度的升 储层压力梯度增加； 高而增大，低温阶段解吸率增大幅度明显高于 （３）等量吸附线相交于一点，此时压力在 高温阶段解吸率增大幅度。但寺河３ 在２５℃ ０．１Ｍｐａ附近，是大气压环境； 解吸率达到最高，塘冲３ 在３５℃解吸率达到最 （４）随着吸附量增加，深成变质作用温度与 高，汝箕沟２ 在最高实验温度解吸率达到最 储层压力变化关系明显，岩浆变质作用为主的汝 高。常温条件寺河３ 解吸率相对较高。这是 箕沟２ 温度与储层压力变化不明显，与煤孑Ｌ隙的 当前晋城寺河地区煤层气开发取得突破的原 中孔含量有关。 因之一。 Ｔ／Ｋ （ｃ） 图６寺河３ （ａ）汝箕沟２ （ｂ）塘冲３ （ｃ）等量吸附数据与线性回归 ３．３吸附热 来的热量，是吸附过程瞬间的焓值变化。根据不 等量吸附热，也称微分吸附热，即吸附量一定 同温度下压力与吸附量的关系进行计算，通常使 时，再有无限小量的气相分子被吸附后所释放出 用Ｃｌａｕｓｉｕｓ—Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ方程（４）式计算 “， 。 ３ 第１０卷第４期 华北科技学院学报 ２０１３年１０月 ｄ ＝ Ｒ （４） 测得的吸附量的增长是没有规律的，根据不同温 度压力ｌｎｆ和吸附量ｎ存在一一对应关系，对ｌｎｆ 式中：ｑ“表示等量吸附热，－厂表示逸度， 表示 温度。 —ｎ关系进行数据拟合，可得ｌｎｆ—ｎ关系式。定 若干固定ｎ值，在不同的温度下，其对应的压力都 不高，由拟合所得的关系式可得到相应的ｌｎｆ。这 些数据就可以用定吸附量下的ｌｎｆ对１／Ｔ作标绘， （５） 根据牛家治 等人的推导，最终得出了逸度 －厂与压力Ｐ之间的关系（５）式。 ｌ厂：Ｐ・Ｚ 得到一组吸附等温线。我们对数据点进行直线拟 式中：Ｐ表示压九，ｚ表示压缩因子。 积分变形式 为： ｌｎｆ＝一 ＋Ｃ （６） 合，由回归的线性方程得到等温线的斜率，由其斜 率计算等量吸附热。对解吸数据进行同样处理来 计算解吸热，解吸过程吸热，用负值表示。计算结 果如表５。 计算等量吸附热需要固定吸附量ｎ，而实验 表５吸附热计算结果 寺 ３＃ 吸附量／ｍｍｏｌ・ｇ 吸附热 ／ＫＪ・ｍｏｌ一 ０．４ ２５．９３ 汝箕沟２ 解吸热 吸附热 ／ＫＪ・ｔｏｏｌ一 ６．７１ 塘冲３ 解吸热 吸附热 ＫＪ・ｍｏｌ一 １７．０９ 解吸热 ／ＫＪ・ｍ０１ —５４．３５ ／Ｋ．Ｉ・ｍｏｌ一 —２５．０８ ／ＫＪ・ｍｏ１ —３５．５８ Ｏ．８ １．２ １．６ ４１．６２ ５７．３１ ７２．９９ —４０．６２ —５６．１５ —７１．６８ ９．０２ １１．３３ １３．６４ —２５．５５ —１５．５３ —５．５Ｏ ４０．６８ ６４．２７ ８７．８７ —６１．３０ —６８．２４ —７５．１９ 可以看出： 区域变质作用，深成变质作用基础上莫霍面局 部上升所致。从微孔的发育程度来看，其压实 （１）解吸热一般大于吸附热； （２）深成变质ｗＹ煤层气吸附量与吸附热、 解吸量与解吸热存在线性关系，但岩浆变质作用 的汝箕沟２ ｗＹ煤层气解吸量与解吸热负相关； （３）ＣＨ 与寺河３ ｗＹ的气一固界面作用中 作用程度较强，我们认为，晋城寺河地区ｗＹ 成因以深成变质为主，等量吸附特征介于深成 变质与岩浆热变质之间，吸附热大于解吸热。 １）深成变质ｗＹ煤层气储层小孑Ｌ以下孔径 解吸热与吸附热基本相当，通过降压促进煤层气 解吸才起作用。这可能是晋城寺河地区煤层气开 发突破的关键。 比例、比表面积皆大于岩浆变质ｗＹ煤层气储层， 可以作为ｗＹ变质类型的判定标志； ２）深成变质ｗＹ煤层气开发中，解吸热与吸 ４ 结论 含气量主要由生气量、保存条件与制约吸附 量的孑Ｌ隙构成、比表面积多因素控制。实测含气 量情况：汝箕沟２ 煤２２ ｍ ／ｔ、塘冲３ 煤３４ ｒｎ ／ｔ、 寺河煤矿３ 煤２９ ｍ ／ｔ。ｗＹ矿井多属于瓦斯突 出矿井，目前寺河地区煤层气开发实现了商业 附热差值不大，井筒降压满足于解吸的能耗，排 水一降压一解吸的排采模式适应于晋城寺河地区 煤层气的储层解吸，其他地区煤层气的解吸方式 需要根据此差值确定解吸方式。 参考文献： ［１］ 高山林，李芳，李天斌，等．汝箕沟晚中生代玄 武岩的确定与煤变质作用关系简论［Ｊ］．煤田 地质与勘探，２００３，３１（３）：８—１０ 性开发，但是对于煤的变质特点还说法不一，主 要的两种观点是深成变质作用的背景上叠加了 ｄ ［２］ 张学文，穆桂松，孟方，等．宁夏汝箕沟矿区煤 第４期 于明科：无烟煤煤层气储层孑Ｌ隙特征与解吸实验 炭学报，２００６，３１（２）：１６３—１６８ ［９］ 马东民，张遂安，蔺亚兵．煤的等温吸附～解 吸实验及其精确拟合［Ｊ］．煤炭学报，２０１１， ３６（３）：４７７—４８０ 层气地质学特征［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００５， ３３（３）：３３—３５ ［３］ 何红生．涟邵煤田北段测水煤系岩相古地理 与聚煤作用［Ｊ］．中国煤炭地质，２００９，２１ （３）：１１—１５ ［１０］ 马东民，李卫波，蔺亚兵．降压解吸关系式在 中高阶煤煤层气排采中的应用［Ｊ］．西安科 技大学学报，２０１０，３０（６）：６９７—７０１ ［４］ 天才．晋城寺河矿井煤层气抽采实践与展望 ［Ｊ］．中国煤层气，２００５，２（３）：１６—１８ ［５］ 秦勇，宋全友，傅雪海．煤层气与常规油气共 采可行性探讨［Ｊ］．天然气地球科学，２００５， １６（４）：４９２—４９８ ［１１］ 苏现波，陈润，林晓英，等．吸附势理论在煤 层气吸附／解吸中的应用［Ｊ］．地质学报， ２００８，８２（１０）：１３８２—１３８９ ［６］ 张宏燕，傅雪海，张宏亮，等．和顺地区高煤级 煤空间结构特征研究［Ｊ］．煤，２０１１，２０（７）： １—４ ［１２］ 王宝俊，凌丽霞，赵清艳，等．气体与煤表面 吸附作用的量子化学研究［Ｊ］．化工学报， ２００９，６Ｏ（４）：９９５—１０００ ［７］ 姚艳斌，刘大锰，汤达祯，等．华北地区煤层气 储集与产出性能［Ｊ］．石油勘探与开发，２００７， ３４（６）：６６４—６６７ ［１３］牛家治，郭乔峰．从气态方程讨论逸度的计算 ［Ｊ］．淮北煤师院学报，２００２，２３（３）：６８—７７ ［１４］崔永君，张庆玲，杨锡禄．不同煤的吸附性能及 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ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；Ｐｌｕｔｏｎｉｃ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｓｍ；Ｍａｇｍａｔｉｃ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｅｆｆｅｃｔ；Ｈｅａｔ ｏｆ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒＡｔ ５