煤儲(chǔ)層孔隙特征及比表面積對(duì)煤吸附能力影響的研究

李亞男 李貴中 陳振宏

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北 065007)

煤儲(chǔ)層孔隙特征及比表面積對(duì)煤吸附能力影響的研究

李亞男 李貴中 陳振宏

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北 065007)

本文選取煤層氣開發(fā)區(qū)代表性煤樣，運(yùn)用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究煤中礦物含量及孔隙發(fā)育情況；通過(guò)圖像分析，表征不同組分煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征和發(fā)育程度，為煤層氣的勘探開發(fā)提供理論支持。同時(shí)，還對(duì)研究區(qū)內(nèi)的比表面積和吸附氣含量的關(guān)系進(jìn)行了探討。

掃描電鏡 孔隙特征 比表面積 吸附特征

1 煤儲(chǔ)層孔隙特征

煤巖的雙重孔隙系統(tǒng)，按照結(jié)構(gòu)劃分可分為基質(zhì)孔隙和裂隙。其中，基質(zhì)中所包含的微孔隙成為基質(zhì)孔隙，是煤層氣的重要儲(chǔ)集場(chǎng)所，其儲(chǔ)集有吸附狀態(tài)的煤層氣。而煤巖中的裂隙，按照其結(jié)構(gòu)可以劃分成兩種：內(nèi)生裂隙和外生裂隙。內(nèi)生裂隙又被稱為“割理”，是在煤化的過(guò)程中形成的；而外生裂隙則是由構(gòu)造應(yīng)力造成的。

1.1 煤孔隙大小的分類

在《煤與瓦斯突出》(ΧОДОТ，1961年)中，對(duì)煤的孔隙有較詳細(xì)的論述，這也是最早的系統(tǒng)研究煤孔隙的著作之一，按空間尺度將煤中孔隙劃分為微孔、小孔、中孔和大孔。其中，對(duì)煤的孔徑結(jié)構(gòu)劃分是在工業(yè)吸附劑的基礎(chǔ)上提出的，主要依據(jù)孔徑與氣體分子的相互作用特征，氣體在大孔中主要以層流和紊流方式滲透，在微孔中以毛細(xì)管凝。之后，也有很多學(xué)者也都提出過(guò)不同的分類方法(表1)。

表1 煤的孔隙分類方案比較 單位：nm

國(guó)內(nèi)的很多研究者對(duì)孔隙的分類有很多種方法。由此可知，按孔隙大小進(jìn)行分類，其分類的差異性是較大的。其中的原因主要是取樣時(shí)煤中孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性，采樣區(qū)域不同，以及研究者的研究目的和手段的差異等。

1.2 煤孔隙的掃描電鏡下觀察

由于煤是由植物遺體轉(zhuǎn)變成的非均質(zhì)性極強(qiáng)的有機(jī)巖石，所以植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)在煤巖中有不同程度的保存。不同的原始植物細(xì)胞，以及其不同的保存完整度，都會(huì)造成煤儲(chǔ)層的孔隙大小、孔隙類型和結(jié)構(gòu)的差別。而煤在變質(zhì)過(guò)程中也會(huì)有新的孔隙產(chǎn)生，同時(shí)其原有的孔隙也會(huì)發(fā)生改變。在成煤作用過(guò)程中，煤儲(chǔ)層會(huì)伴有一定量的煤層氣生成。而煤儲(chǔ)層中的孔隙和裂隙就成為煤層氣的主要存儲(chǔ)、擴(kuò)散和運(yùn)移的場(chǎng)所，同時(shí)煤層中的孔隙和裂隙也是煤層氣得以產(chǎn)出的重要通道。因此，對(duì)煤儲(chǔ)層中的孔隙和裂隙的類型、大小和結(jié)構(gòu)等的研究，對(duì)煤層氣的含氣性，乃至后續(xù)的勘探開發(fā)都具有非常重要的意義。

掃描電鏡(Scanning ElectronMicroscope, SEM)具有較高的放大倍數(shù)，5～30萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)，分辨率可達(dá)0.15nm左右，圖像立體感強(qiáng)，清晰度高，可較方便地觀察煤中不同級(jí)別的、多種成因類型的孔隙和裂隙，開展定性和半定量研究。也可觀察和識(shí)別礦物質(zhì)微小低等生物、比較典型的顯微和亞顯微組分、研究煤體結(jié)構(gòu)等；同時(shí)，掃描電鏡與X射線能譜配合使用，不僅可以看到樣品的微觀結(jié)構(gòu)，還能分析樣品的元素成分及在相應(yīng)視野的元素分布。利用掃描電鏡觀察和研究煤儲(chǔ)層中的孔隙和裂隙是一種十分有效的研究方法。

在掃描電鏡下，對(duì)煤體自然表面特征(形貌、斷口、斷裂等)、煤體破碎特征(粒狀、片狀、網(wǎng)狀、 棱角狀等)、 煤中孔隙特征 (孔隙類型、 大小、 分布等) 以及煤中礦物成分及分布特征等均可進(jìn)行研究。不同煤階的掃描電鏡圖如圖1和圖2所示。

圖1 長(zhǎng)焰煤掃描電鏡圖

圖2 其他煤級(jí)掃描電鏡圖

根據(jù)不同種煤在掃描電鏡下的孔隙形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)煙煤中大孔發(fā)育少，且孔隙具有顯著的定向性。而褐煤、長(zhǎng)焰煤中大孔分布的密度明顯要高于焦煤和肥煤。

2 比表面積與吸附特征

影響煤儲(chǔ)層的吸附能力的因素很多，對(duì)甲烷吸附容量的因素是多方面的。其中，主要包括溫度、壓力、煤質(zhì)及比表面積等因素的影響。溫度和壓力

的影響比較簡(jiǎn)單，而煤質(zhì)影響比較復(fù)雜。粗略的說(shuō)包括不同煤巖組分的煤、不同變質(zhì)程度的煤、不同灰分產(chǎn)率的煤、不同水分含量的煤、不同孔隙特征和不同破壞類型的煤等。比表面積的影響即為：在同樣煤質(zhì)的條件下(如：同煤階、同煤巖組分、同破壞類型的煤)對(duì)甲烷的吸附量及吸附特性卻不一定相同。

2.1 煤孔隙比表面積

研究區(qū)內(nèi)所采的樣品以無(wú)煙煤為主，其次為貧煤。對(duì)樣品的工業(yè)分析結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)煤的工業(yè)分析

選取了研究區(qū)中具有代表性的煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果見表3。從表3中可看出，沁南地區(qū)煤樣的BET比表面積為0.636～2.313m2/g，平均為1.17m2/g。BJH總孔體積為 0.001～0.585mL/g，平均為0.076mL/g。BJH總體積和BET比表面積發(fā)育具有大致相似的規(guī)律，即BET比表面積越大，BJH總孔體積亦越大(表3)。

表3 研究區(qū)煤樣測(cè)試結(jié)果

2.2 孔隙對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力(蘭氏體積)的影響

煤儲(chǔ)層當(dāng)中，孔隙平均直徑越大，總比表面積越小；反之，孔隙平均直徑越小，總比表面積越大(圖3)。而在液氮溫度下，煤儲(chǔ)層的吸附量與總孔隙體積、煤的比表面積呈正相關(guān)關(guān)系(圖4、圖5)。實(shí)驗(yàn)表明，煤的吸附儲(chǔ)集能力與煤的孔隙密切相關(guān)，孔體積和比表面積越大，煤儲(chǔ)集氣的能力越強(qiáng)。

圖3 研究區(qū)煤孔平均直徑與比表面積的關(guān)系

圖4 研究區(qū)總孔體積與蘭氏體積的關(guān)系

圖5 研究區(qū)比表面積與蘭氏體積的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)不同種煤在掃描電鏡下孔隙形態(tài)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)不同種類的煤的孔隙形態(tài)有所差異。其中，無(wú)煙煤中大孔發(fā)育少，且孔隙具有顯著的定向性。而褐煤、長(zhǎng)焰煤中大孔分布的密度明顯要高于焦煤和肥煤。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出：煤儲(chǔ)層的吸附性取決于比表面積和總孔體積，且它們呈正相關(guān)關(guān)系。鑒于煤孔隙特征的結(jié)果，結(jié)合煤大分子理論，在煤的低變質(zhì)階段，煤儲(chǔ)層埋藏較淺，承受上覆地層壓力較小，煤體結(jié)構(gòu)比較疏松，加上煤大分子的固有缺陷，從而形成尺度多樣的孔隙類型，因此導(dǎo)致了不同煤級(jí)的孔隙的差異，以及煤的吸附性的差異。

[1] 李強(qiáng)，歐成華，徐樂，周長(zhǎng)林.我國(guó)煤巖儲(chǔ)層孔-裂隙結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].煤，2008,17(7)：1-3.

[2] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，國(guó)家能源局煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用十二五”規(guī)劃.

[3] 李相臣，康毅力.煤層氣儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)特征及研究方法進(jìn)展[J].中國(guó)煤層氣，2010，7(2)：13-17.

[4] 傅雪海，等.多相介質(zhì)煤層氣儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)理論與方法[J].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[5] 蘇現(xiàn)波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與探勘開發(fā)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[6] ΧОДОТ.煤與瓦斯突出[M].宋士釗譯.北京：中國(guó)煤炭出版社，1966.

[7] 王明壽，湯達(dá)禎，張尚虎.煤儲(chǔ)層孔隙研究現(xiàn)狀及其意義[J].中國(guó)煤層氣，2004,1(2):9-11.

[8] 王利麗.煤的微觀結(jié)構(gòu)變化吸附控制機(jī)理，河南理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文,2009.

[9] 張素新，肖紅艷.煤儲(chǔ)層中微孔隙和微裂隙的掃描電鏡研究[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2000,19(4):531-532.

[10] 杜玉娥.煤的孔隙特征對(duì)煤層氣解吸的影響[R].西安科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文,2010.

[11] 劉琰昊.高煤級(jí)煤儲(chǔ)層條件下氣體運(yùn)移機(jī)理[R].河南理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文,2010.

[12] 李旭.不同變質(zhì)程度煤比表面積與吸附特征關(guān)系的研究[R].煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院，碩士學(xué)位論文,2007.

[13] 楊高峰.不同煤階煤儲(chǔ)層物性特征研究[R].安徽理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文,2013.

[14] 鐘玲文，張慧，員爭(zhēng)榮, 雷崇利.煤的比表面積、孔體積及其對(duì)煤吸附能力的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002，30(3)：26-29.

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Research on the Characteristics of Coal Reservoir Porosity and the Influence of Specific Surface Area on Coal Adsorption Capacity

LI Yanan, LI Guizhong, CHEN Zhenhong

(Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Hebei 065007)

The representative coal samples of the coalbed methane development zone is selected, and optical microscope and scanning electron microscope are used for experimental measurement in the paper to research on the mineral content in coal and pore development situation. By the analysis of the image, the pore structure feature and degree of development of coals with different components, is represented, which provides theoretical support for the CBM exploration and development. At the same time, research is conducted on the relation between the specific surface area and the adsorption content.

Scanning electron microscope; porosity characteristics; specific surface area; adsorption characteristics

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣富集規(guī)律研究及有利區(qū)塊預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)”(2011ZX05033)和中國(guó)石油天然氣股份重大科技專項(xiàng)“煤層氣資源潛力研究與選區(qū)評(píng)價(jià)”(2013E-2201)

李亞男，女，博士，工程師，現(xiàn)主要從事煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)研究工作。