沁水盆地高家莊區(qū)塊高煤階煤吸附特征及控制因素

田 蕾,鄭柏平,袁同星

(1.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.中國煤炭地質(zhì)總局 第一勘探局,河北邯鄲 056004)

煤層氣在煤儲(chǔ)層中主要以吸附態(tài)的形式賦存,因此煤儲(chǔ)層的吸附能力直接影響到煤層氣井的產(chǎn)能;實(shí)踐表明煤階是煤儲(chǔ)層吸附特征的主要控制因素之一,不同煤階煤儲(chǔ)層的吸附特征存在顯著差異。馬京長等[1]通過對(duì)沁水盆地山西組、太原組主要煤層進(jìn)行研究,分析了高煤階煤的吸附特征及其控制因素;陳振宏等[2-3]在分析煤儲(chǔ)層物性基礎(chǔ)上對(duì)高、低煤階吸附特征進(jìn)行對(duì)比,指出了高、低煤階煤儲(chǔ)層吸附特征的差異性。本文結(jié)合高家莊區(qū)塊3#煤儲(chǔ)層和15#煤儲(chǔ)層樣品的等溫吸附試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)內(nèi)高煤階煤儲(chǔ)層吸附特征及控制因素進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

沁水盆地高家莊區(qū)塊位于山西省左權(quán)縣境內(nèi),南北長約15km,東西寬約9km,呈梯形,面積約128km2,屬于沁水煤田東部邊緣中段,主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組。區(qū)內(nèi)含煤地層埋藏較深,保存完整,其中山西組3#煤和太原組15#煤,煤層穩(wěn)定、厚度較大,變質(zhì)程度高,鏡質(zhì)組反射率R0為1.978%～2.655%,屬高煤階煤,煤類以高變質(zhì)無煙煤為主,為本區(qū)主要煤層氣儲(chǔ)層。

2 樣品采集和實(shí)驗(yàn)方法

從7個(gè)典型鉆孔點(diǎn)中選取3#、15#煤層的11個(gè)煤樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn),其中3#煤層4個(gè),15#煤層7個(gè)。采用美國Terratek公司的IS-100型高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行樣品測(cè)試;采用平衡水法,研究煤對(duì)甲烷的吸附性,煤的粉碎粒度為0.25～0.18mm,溫度采用煤儲(chǔ)層溫度,根據(jù)Langmuir單分子層吸附理論,計(jì)算求出表征煤對(duì)甲烷吸附特性的吸附常數(shù)及等溫吸附曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤儲(chǔ)層甲烷吸附特征

蘭氏體積(VL)反映了煤儲(chǔ)集層最大吸附能力,VL值越大表示煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集性越好,表1為沁水盆地高家莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以可燃基煤樣為例,3#煤儲(chǔ)層蘭氏體積為27.02～30.29cm3／g,平均為28.78cm3／g;15#煤儲(chǔ)層蘭氏體積為26.19～ 45.59cm3／g,平均 32.14cm3／g。可見,15#煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力要明顯好于山西組3#煤儲(chǔ)層,其儲(chǔ)集性相對(duì)更好,但是,15#煤儲(chǔ)層樣品測(cè)試數(shù)據(jù)離散程度大,說明在區(qū)域上15#煤儲(chǔ)層吸附能力差異較大。另外蘭氏體積不代表含氣飽和度,高家莊區(qū)塊需要其它成藏條件的適當(dāng)配置才能有利于煤層氣的富集成藏。

蘭氏壓力(PL)反映了儲(chǔ)層吸附氣體的難易程度,當(dāng)蘭氏體積較高,蘭氏壓力大于3 MPa時(shí)煤儲(chǔ)層具有高產(chǎn)條件[4]。以可燃基煤樣為例:3#煤儲(chǔ)層蘭氏壓力為2.40～3.11MPa,平均2.74MPa;15#煤儲(chǔ)層蘭氏壓力為2.18～3.24MPa,平均2.78MPa,表明高家莊區(qū)塊主煤層蘭氏壓力中等。從層位上看,3#、15#煤儲(chǔ)層蘭氏壓力差別不大,15#煤儲(chǔ)層蘭氏壓力略大,高家莊區(qū)塊主煤層均較有利于煤層氣開采。

沁水盆地高家莊區(qū)塊3#、15#煤層樣品的等溫吸附曲線如圖1所示,該區(qū)煤儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的煤層甲烷吸附和儲(chǔ)集能力,在其它成藏條件配置有利的情況下,有利于煤層氣開發(fā)。總體上,15#煤層吸附能力較3#煤層吸附能力強(qiáng),但15#煤層吸附能力區(qū)域差異性較大。

表1 沁水盆地高家莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層等溫吸附實(shí)驗(yàn)綜合數(shù)據(jù)Tab.1 The aggregate experimental data of coal reservoir in Gaojiazhuang Area

較大的吸附能力反映出較大的開發(fā)潛力,較高的蘭氏壓力反映良好的開采條件[4]。由圖1可見,蘭氏壓力越大曲線斜率越小,說明煤儲(chǔ)層在低壓區(qū)吸附量越小,高壓區(qū)吸附量越大,在含氣飽和度較高的情況下越有利于開采,反之則不利于生產(chǎn);13-6井的3#煤儲(chǔ)層解吸壓力與解吸壓力相似,Zc1井15#煤儲(chǔ)層等溫吸附曲線彎曲程度小煤層氣解吸相對(duì)更容易。綜合表1、圖1可知,等溫條件下,吸附量與儲(chǔ)集層壓力呈正相關(guān):隨著壓力增高,吸附量變大,壓力較低時(shí),曲線以較高的斜率呈近似線性增長,此后曲線斜率變小,增長逐漸變慢,煤的吸附達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.2 煤層氣吸附特征的影響因素

1)煤階。煤階是影響儲(chǔ)層吸附能力的重要因素之一。煤化作用影響基質(zhì)孔隙發(fā)育,進(jìn)而影響煤的吸附能力;煤化作用過程中煤分子基團(tuán)也在不斷變化,影響對(duì)甲烷的親和力,進(jìn)而影響儲(chǔ)層吸附能力。但煤的吸附能力不總是隨煤階的增高而增加,Yee等[5]認(rèn)為吸附能力隨煤階增高呈U型變化,在高揮發(fā)份煙煤A階段出現(xiàn)最小值。隨煤階的增高,煤儲(chǔ)層的吸附能力在R0＜4%時(shí)逐漸增加,R0＞4%時(shí)急劇減小[6,7]。田永東等[8]等認(rèn)為成巖作用階段褐煤的吸附能力明顯低于其他各變質(zhì)階段的煤,長焰煤至肥煤3個(gè)煤階吸附量增加得緩慢,焦煤之后,煤的吸附量開始快速增加,無煙煤2#煤的吸附能力最強(qiáng)。高家莊區(qū)塊主煤層變質(zhì)程度高,多為無煙煤,煤變質(zhì)程度對(duì)煤吸附能力有明顯的影響,隨著煤變質(zhì)程度的增加,煤的吸附能力下降(圖2)。

2)煤巖有機(jī)顯微組分。煤的有機(jī)顯微組分包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組。一般認(rèn)為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組吸附能力較強(qiáng),對(duì)煤吸附能力有顯著的影響作用,而殼質(zhì)組吸附能力較弱,對(duì)儲(chǔ)層吸附能力影響較弱。有機(jī)顯微組分對(duì)煤吸附能力的影響較復(fù)雜,應(yīng)該考慮煤階、灰分、水分、儲(chǔ)層溫度壓力等因素[9-11]。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出,蘭氏體積隨鏡質(zhì)組含量的增大而增大,而隨惰質(zhì)組含量的增加而降低(圖3)。這種變化與顯微組分對(duì)孔隙發(fā)育程度的影響有關(guān),鏡質(zhì)組中微孔的發(fā)育程度比惰質(zhì)組中微孔的發(fā)育程度高,因此具有較大內(nèi)表面積,吸附能力較強(qiáng)。

3)水分。煤中水分是影響煤儲(chǔ)層吸附能力的主要因素之一。水分存在于基質(zhì)孔隙中,將減小甲烷的存儲(chǔ)空間,并減少吸附甲烷的有效孔隙表面積,使甲烷吸附量變小。水分對(duì)吸附量的影響與臨界水分值有關(guān),水分含量小于臨界水分值時(shí),隨水分的增加甲烷吸附量增大;達(dá)到或大于臨界水分值時(shí),水分只是覆蓋在煤的顆粒外表面,甲烷吸附量不再隨水分的增加而變化[12]。從測(cè)試結(jié)果看,高家莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層水分的存在總體上與吸附能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4),但其對(duì)吸附量的控制作用并不明顯,說明水分并不是該區(qū)煤儲(chǔ)層吸附能力的主要影響因素。

4)灰分。灰分的吸附能力比較微弱,它通過影響煤中有機(jī)組分的含量和結(jié)構(gòu)來影響煤的吸附能力。另外,灰分的存在還堵塞一些微孔隙,造成有效吸附表面積變小,吸附能力降低。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來看,灰分的存在降低了煤儲(chǔ)層的吸附能力(圖5)。表1中原煤蘭氏體積總是小于可燃基煤樣蘭氏體積,同樣說明灰分對(duì)煤儲(chǔ)層的吸附能力產(chǎn)生了負(fù)面影響。

4 結(jié)論

1)高家莊區(qū)塊主煤儲(chǔ)層蘭氏體積大于26cm3／g,蘭氏壓力中等,具有較強(qiáng)的煤層甲烷吸附和儲(chǔ)集能力,在其它成藏條件的適當(dāng)配置下,有利于煤層氣富集成藏。

2)研究區(qū)山西組3#煤儲(chǔ)層蘭氏體積平均為28.78 cm3／g,太原組15#煤儲(chǔ)層蘭氏體積平均為32.14 cm3／g。15#煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力要明顯好于山西組3#煤儲(chǔ)層,但15#煤儲(chǔ)層甲烷吸附和儲(chǔ)集能力區(qū)域差異較大。

3)煤階和煤巖有機(jī)顯微組分是研究區(qū)煤儲(chǔ)層甲烷吸附特征的控制因素,水分和灰分在一定程度上降低了煤儲(chǔ)層吸附能力。

[1]馬京長,王勃,劉飛,等.高煤階煤的吸附特征分析[J].天然氣技術(shù),2008,2(6):31-34.

[2]陳振宏,王一兵,宋巖,等.不同煤階煤層氣吸附、解吸特征差異對(duì)比[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):30-32.

[3]陳振宏,賈承造,宋巖,等.高煤階與低煤階煤層氣藏物性差異及其成因[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(2):179-184.

[4]蔚遠(yuǎn)江,汪永華,楊起,等.準(zhǔn)噶爾盆地低煤階煤儲(chǔ)集層吸附特征及煤層氣開發(fā)潛力[J].石油勘探與開發(fā),2008,35(4):410-416.

[5]YEE D,SEIDL E J P,HANSON W B.Gas sorption on coal andmeasurementof gas content[C]／／Law BE,RiceD D.Hydrocarbons from Coal:AAPG Studies in Geology.OK,U.S.:American Association of Petroleum Geologists,1993.

[6]鐘玲文,張新民.煤的吸附能力與其煤化程度和煤巖組成問的關(guān)系[J].煤田地質(zhì)與勘探,1990,27(4):29-35.

[7]蘇現(xiàn)波,張麗萍,林曉英.煤階對(duì)煤的吸附能力的影響[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):19-21.

[8]田永東,李寧.煤對(duì)甲烷吸附能力的影響因素[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(2):247-250.

[9]KROOSS BM,BERGEN F,GENSTERBLUM Y,et al.High-pressure methane and carbon dioxide adsorption on dry and moisture-equilibrated Pennsylvanian coals[J].International Journal of Coal Geology,2002,51:69-92.

[10]GARETH R L CHALMERS,RMARC BUSTIN.On the effects ofpetrographic composition on coalbed methane sorption[J].International Journal of Coal Geology,2007,69:288-304.

[11]張麗萍,蘇現(xiàn)波,曾榮樹.煤體性質(zhì)對(duì)煤吸附容量的控制作用探討[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,80(6):910-915.

[12]沈麗惠,齊俊啟,趙志義,等.煤層氣生成及含氣量控制因素[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,27(1):81-84.