沁南東古城區塊3#煤層吸附解吸特征分析

王 玥，劉會虎，桑樹勛

(1．安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001；2.中國礦業大學資源與地球科學學院， 江蘇徐州221116)

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沁南東古城區塊3#煤層吸附解吸特征分析

王 玥1，劉會虎1，桑樹勛2

(1．安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001；2.中國礦業大學資源與地球科學學院， 江蘇徐州221116)

為調查沁南東古城區煤層的成藏性，通過對沁南東古城區塊6口井現場采集煤樣，進行現場解吸實驗和室內等溫吸附實驗，結合煤層氣的儲層特性參數, 如孔隙結構、孔隙率、煤質等測試分析,對該地區煤層氣吸附解吸特征進行系統的分析研究，探討了煤儲層特性對煤層吸附解吸的影響;研究表明：古城區塊3#煤層吸附解吸能力較強,且影響煤層吸附解吸的主要地質因素為溫度和壓力,煤質、煤的變質程度、孔隙度、埋深、孔隙結構在一定程度上對吸附解吸也有影響。

沁水盆地南部； 孔裂隙系統； 裂隙密度； 孔隙率； 滲透率

1 引言

煤層氣主要以吸附態賦存于煤基質表面，煤層氣的開采是將吸附態的煤層氣轉化為游離態的煤層氣而產出。因此，煤的吸附解吸特征是影響煤層含氣量大小和煤層氣開發潛力的重要因素 。沁水盆地是我國煤層氣重要的分布地區，其晚古生代的山西組和太原組都賦存著豐富的煤層氣資源，也是我國煤層氣重點研究的區域之一。前人的研究有煤層氣的成藏機理研究、應力分析、儲存物性、熱演化史等。而本次研究通過對沁南東古城區塊6口井現場采集煤樣，進行現場解吸實驗和室內等溫吸附實驗，結合煤層氣的儲層特性參數，對該地區煤層氣吸附解吸特征進行系統的分析研究，探討了煤儲層特性對煤層吸附解吸的影響。為該地區煤層氣開發提供有用資料信息，為指導煤層氣的開發生產提供了參照依據。

2 研究區域構造

沁水盆地地處山西省東南部，北緯約35°～38°，東經111°00′～113°50′左右，其大體沿北北方向呈長軸狀延展，中間收縮。全境為西北高而南東低，山嶺重疊，溝壑交錯，地質情況較為復雜。區內太原組和山西組是主要的含煤地層，也是該區域的主要可采煤層[19]。研究區總體為北北東～北東東走向、向西傾斜，傾角4°左右的單斜構造，但波狀起伏普遍發育，并伴有寬緩褶曲，致使局部地層傾角達8°以上，斷層附近達25°左右。斷裂構造以北東東向張扭性斷裂為主。受構造影響，在古城礦井范圍內發育的褶曲主要有兩組，分別為北東東向和北西西向，發育少量北北西向褶曲。

3 吸附特征

3.1 吸附參數變化特征

研究區在不同標準下各井的平均蘭氏體積下，平衡水分基Langmuir 體積為20～30 cm3/g，平均25.9 cm3/g；空氣干燥基Langmuir 體積為24.8～34.8 cm3/g，平均30.8cm3/g；干燥無灰基Langmuir 體積為31～40 cm3/g，平均36.8 cm3/g,如圖1、圖2所示。含氣飽和度20.60 %～128.01 %，平均70.53 %變化范圍較大。

為了進一步探討溫度與壓力對吸附特征的影響，通過對圖1的細致地質分析，推論出：在溫度一定的條件下，隨著壓力的增大，吸附量開始迅速增大，隨后趨于平緩，當達到一定壓力，吸附量就不再增大，達到飽和。進一步說明了在低溫低壓條件下，壓力是影響煤層吸附的主要因素，達到高壓時，溫度等因素控制其吸附能力。

圖1 不同標準下煤樣吸附等溫實驗曲線

圖2 不同標準下各井平均蘭式體積

3.2 吸附影響因素分析

從等溫吸附曲線可以清晰的看出，壓力與溫度是煤分別在不同環境下的主控地質因素。為了進一步了解煤儲層物性對吸附解吸所起的作用，本文分別論述了煤質、有效孔隙度、變質程度以及埋深在吸附解吸過程中所起到的作用。

3.2.1 煤質

由圖3可以看出，灰分對煤層的吸附能力起到相當的作用，當灰分增大時，其蘭氏體積整體為下降趨勢，但是其散點分布點較為離散，相同灰分下的蘭氏體積有明顯的差異。由圖4可得到在空氣干燥基下蘭氏體積要小于干燥無灰基的蘭氏體積，也能說明灰分對煤層吸附能力的影響，隨著灰分的增加其吸附能力逐漸減小。

圖3 灰分與蘭式體積的關系

圖4 空氣干燥基于燥無灰基蘭式體積對比圖

3.2.2 有效孔隙度

由圖5可以看出，有效孔隙度對煤層的吸附能力有明顯的影響，其吸附能力隨著有效孔隙度的增大而增大。

圖5 不同標準下煤樣吸附等溫實驗曲線

3.2.3 煤的變質程度

R0max在一定程度上可以反映了煤的變質程度，可以由圖6看出，蘭氏體積隨著R0max呈兩段式，先隨著R0max的增大而增大，之后隨著R0max的增大而減小。也就是說煤層的吸附量多少跟著煤的變質水平呈現先變大后變小。

圖6 R0max與VL的關系

3.2.4 煤的埋深

由圖7可以看出，深度越深煤層含氣量越豐富，但是不是所以位置都有這一規律，可能在地史時期，由于地層的抬升、下降或地層的剝蝕作用，造成煤層氣的大量逸散，但能說明煤層的含氣量相當程度上是受埋深程度影響的。

圖7 埋深與含氣量的關系

4 解吸曲線變化特征

4.1 煤層氣解吸量隨時間的變化特征

在實驗的開始階段解吸是迅速的，在這個階段，壓力是其主要的影響因素。壓力的降低，使得煤層氣快速的析出，但可以看出每條曲線的曲率是不同，也就是解吸率不同，其解吸量也有所不同。可以推斷出這與孔隙的類型、大小、孔隙度以及滲透率息息相關。如圖8。雖然各井的解吸時間相差的較大，但是其解吸時間主要集中在2～8天的范圍內。其解析量的變化范圍也是極其廣泛的，即介于 800～1 800 cm3。如圖9所示。

圖8 解吸曲線

圖9 吸附時間曲線

4.2 解吸影響因素分析

從以上分析可以看出，溫度與壓力仍然是影響煤的解吸特征的重要因素。除此之外，本文從一個新的視角，即煤層自身的孔徑、孔隙度以及滲透率的視角來研究影響煤層解吸特征的因素。

4.2.1 孔徑

研究區孔徑介于36.5～66.5之間，中孔占多數，含部分大孔?？讖綄馕卣鞯挠绊懯秋@著的，主要體現在，孔徑控制著煤比表面積的大小，二者呈現一定得正相關關系，從而影響解吸特征。從實驗數據分析來看，隨著孔徑的增大，煤的解吸量越大，解吸速度越快。從而說明，孔徑是影響煤解吸特征的重要因素之一。

4.2.2 孔隙度

孔隙度對煤層的含氣量有定的影響，當孔隙度增大時，含氣量有上升的趨勢，但是散點圖中的點較為離散，相同的孔隙度下，其含氣量相差較大，說明影響其含氣量的因素較為復雜。如圖10所示。

圖10 孔隙度與含氣量的關系

4.2.3 煤質

由圖11可以看出，灰分對煤層的吸附能力也有一定的影響，當煤的灰分增大時，其吸附時間為下降趨勢。

圖11 灰分與吸附時間的關系

5 結論

古城區塊3#煤層的吸附能力較強，其平衡水分基Langmuir 體積20～30 cm3/g，平均25.9 cm3/g；空氣干燥基Langmuir 體積24.8～34.8cm3/g，平均30.8 cm3/g；干燥無灰基Langmuir 體積31～40 cm3/g，平均36.8 cm3/g。

溫度和壓力是控制煤層吸附解吸的主控因子，在低壓區，在等溫條件下，吸附量-壓力曲初期表現為斜率較大的曲線(即吸附量對壓力的變化很敏感，且成正相關關系)，而后吸附量-壓力曲線趨于平緩，直到達到飽和狀態(即無論壓力如何變化，吸附量始終為一定值)；在高壓區，溫度是主導因素，溫度增大時，分子熱運動加快，解吸速率大于吸附速率，表現為解吸作用，反之為吸附量增大。

除了溫度和壓力之外，還有其他的因素影響著煤層氣的吸附解吸，如煤質、煤的變質程度、孔隙度、埋深、孔隙結構等。煤的吸附能力隨著灰分、水分的增大而降低，而在一定程度上隨著煤的變質程度、有效孔隙度、埋深的增加而增大。

[1] 古共偉，陳健，魏璽群.吸附分離技術在現代工業中的應用[J].合成化學，1999，7(4)：346,353.

[2] 錢凱，趙慶波，汪澤成，等．煤層甲烷氣勘探開發理論與實驗測試技術[M].北京：石油工業出版社，1997.

[3] 周亞平，楊斌.氣體超臨界吸附研究進展[J].化學通報，2000，63(9)：8,13.

[4] 聶百勝，段二明.煤吸附瓦斯的本質[J].太原理工大學學報，1998，29(4)：417-422.

[5] 楊宏民,任子陽,王兆豐.煤對氣體吸附特征的研究現狀及應用前景展[J].試驗研究，2009,18(8):.

[6] 李小彥 ，司勝利.我國煤儲層煤層氣解吸特征[J].煤田地質與勘探，2004,32(23):27-29.

[7] 張遂安．有關煤層氣開采過程中煤層氣解吸作用類型的探索[J]．中國煤層氣，2004，l(1)： 26-29.

[8] 鐘玲文, 鄭玉柱, 員爭榮,等.煤在溫度和壓力綜合影響下的吸附性能及氣含量預測[J].煤炭學報，2002,27(6):580-587.

[9] Yang RT，Saunders J T．Adsorption of gases on coals and heat-treated coals at elevatedtempreature and pressure[J]．Fuel，1985：314-327.

[10]鐘玲文，鄭玉柱，員爭榮，等．煤在溫度和壓力綜合影響下的吸附性能及含量預測[J]．煤炭學報，2002，27(6)：581-585．

[11]張群，楊錫祿．平衡水條件下煤對甲烷的等溫吸附特性研究[J]．煤炭學報，1998，24(6)：565-570.

[12]陳振宏，王一兵，宋巖,等.不同媒階煤層氣吸附解吸特征差異對比[J].天然氣工業 ,2008，28(3):30-32.

[13]Gregg SJ,sing k s,Adpsorption,surface.area and Porosity[M].London:Academic press,1982.

[14]陳宗淇,王光信,徐桂英.膠體與界面化學[M].北京:高等教育出版社，2001.

[15]付雪梅，秦勇，葉建平.中國部分煤儲存解吸特征及甲烷采收率[J].煤田地質與勘探，2000,28(2):19-21.

[16]陳春琳，林大楊.等溫吸附曲線方法在煤層氣可采資源量估算中的應用[J].中國礦業大學學報，2005,34(5),680-682.

[17]邵龍義,肖正輝,何志平,等.晉東南沁水盆地石炭二疊紀含煤巖系古地理及聚煤盆地研究[J].古地理學報,2006，8(1):43-52.

[18]張良義.夏店井田水文地質條件及二1煤層充水因素分析[J].科學風，2013()：170-171.

[19]王紅巖,張建博,劉洪林.沁水盆地南部煤層氣藏水文地質特征[J]．煤田地質與勘探，2001,29(3):33-36.

[20]中國煤田地質總局.中國煤層氣資源[M ].徐州:中國礦業大學出版社, 1998.

[21] Langmuir I．The constitution and fundamental properties ofsolids and 1iquids[J]．Joumal of the American Chemical Society，1916，38(11)：2221-2295.

Analysis on Adsorption and Desorption Characteristics of No. 3 Coal Seam in Southern Qinshui Basin

Wang Yue1,Liu Hui-hu1,Sang Shu-xun2

(1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001;2.School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, XuzhouJiangsu221116) Abstract We did this research to investigate the reservoir forming characteristics of coal seam in Southern Qinshui Basin. We collected coal samples from six mines in the south of Qinshui basin and experimented on the adsorption and desorption characteristics of the coal seam. Combining with the characteristic parameter of the coalbed methane reservoir, the pore structure, porosity and coal property was tested. This paper analyzes the adsorption and desorption characteristics of this area's coal seam. It also explores the effect of the reservoir forming characteristics on the adsorption and desorption characteristics of the coal seam.The results show that the adsorption and desorption capacity of the coal seam is strong. The main geological factors that affect the adsorption and desorption characteristics of the coal seam are temperature and pressure. Coal capacity, metamorphic degree, porosity, depth, pore structure also affect the adsorption and desorption to some extent.

qinshui basin; pore and fractue system； fracture density； porosity; permeability

2016-07-28

王玥(1995-)，女，江蘇鹽城人，研究方向為地質資源與工程，電話：13225542996。

TD84

B

1671-4733(2016)05-0015-06

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.05.005