鄭莊井田3 號煤孔隙結構特征

閆 東

（山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西 晉城 048012）

煤層孔隙結構特征對煤層氣吸附、擴散、運移有重要影響[1-2]，長期以來，在孔隙研究技術、實驗方法、孔隙結構特征等方面開展了較為系統(tǒng)研究[3-4]。受多地質(zhì)要素及差異性影響，煤層孔隙結構具有分形特征和分異現(xiàn)象[5-6]。

低溫液氮吸附法常用于煤層孔隙結構測定分析，其原理為：液氮低溫下，當吸附、脫附達到平衡時，氮氣吸附量與相對壓力互為函數(shù)關系。相對壓力發(fā)生變化，氮氣分子在孔隙表面發(fā)生毛細凝聚、多分子層吸附，相應符合BJH 毛細凝聚模型和BET吸附理論，利用這些理論模型求取比表面積、孔容、孔徑及孔隙結構形態(tài)測定分析[7-8]。為此，以鄭莊井田為工程背景，采用低溫液氮吸附靜態(tài)容量法對井田3 號煤層孔隙結構特征進行研究。

1 井田概況

鄭莊井田地處沁水煤田東南部沁水縣鄭莊鎮(zhèn)一帶，受區(qū)域構造控制井田構造形態(tài)總體呈傾向北～北北東的單斜構造，地層傾角較小。寬緩、波幅不大的次級褶皺構造較發(fā)育，斷層發(fā)育較少且主要為小斷層，陷落柱稀疏發(fā)育，無巖漿侵入現(xiàn)象。

井田煤系相對發(fā)育，石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為主要煤系，含煤9～16 層，其中，山西組3 號煤層和太原組15 號煤層為穩(wěn)定可采煤層，其余為不穩(wěn)定、不可采煤層。3 號煤層為厚煤層，煤類為無煙煤，煤層含氣量較高，為煤炭和煤層氣開發(fā)主要層位。

2 樣品采集與描述

2.1 煤樣采集

本著采全、采準實驗樣品原則，按照實驗要求對煤層樣品進行了采集（圖1）。采樣時，盡量采全煤體結構類型，多個位置采樣，煤樣純凈，不含矸石及有無機巖類充填，并參照國標《煤體結構分類》（GB/T 30050-2013）對煤體結構類型進行了判識及分類。

圖1 樣品采集實物圖

2.2 煤樣描述

3 號煤層硬度較大（普氏硬度系數(shù)4.4），煤層原生結構與構造保存較完好，煤體結構類型以原生結構煤為主，碎裂煤次之。煤體呈黑色，具金屬光澤，褐黑色條痕。內(nèi)生裂隙系統(tǒng)相對發(fā)育，貝殼狀、參差狀斷口，條帶狀結構，層狀構造，宏觀煤巖組分以亮煤為主、暗煤次之，夾鏡煤條帶。

3 煤層孔隙結構特征

3.1 實驗方法及實驗儀器

基于低溫液氮吸附靜態(tài)容量法，采用ASAP 2020 物理吸附儀對井田3 號煤層孔隙結構特征進行實驗研究，儀器由真空泵、氣源、玻璃歧管、冷卻劑杜瓦、樣品管、壓力測定管、壓力測量裝置構成（圖2），具有精度和自動化程度高、數(shù)據(jù)可靠、孔徑測定范圍廣等特點，可實現(xiàn)多尺度孔隙（0.35～30 000 nm）、微小比表面積（不小于0.000 5 m2/g）及孔隙體積（不小于0.000 1 cm3/g）的測定分析。

圖2 ASAP 2020 物理吸附儀系統(tǒng)構成及原理圖

3.2 實驗流程

煤層為孔裂隙雙重發(fā)育的有機巖石，目前，煤層氣行業(yè)還沒有專門基于低溫液氮吸附法的煤層孔隙結構特征實驗標準或規(guī)范，實驗過程主要參照石油行業(yè)標準《巖石比表面積和孔徑分布測定 靜態(tài)吸附容量法》（SY/T 6154-2019）執(zhí)行。

3.3 實驗結果分析

3.3.1 煤層孔隙形態(tài)結構

根據(jù)鄭莊井田3 號煤層吸附實驗的吸附、脫附曲線特征，將煤層孔隙形態(tài)結構劃分為2 種類型。

1）a 類

該類孔隙的吸附、脫附曲線不重疊，不重疊區(qū)域呈“大刀”狀，在0.42～0.50 相對壓力段，脫附曲線有顯著拐點。0～0.1 的相對壓力段，吸附量增加快速，吸附曲線表現(xiàn)為急傾斜。0.1～0.9 相對壓力段，吸附量增加放緩，吸附曲線呈緩傾斜、近水平。0.9～1.0 較高相對壓力段，吸附量增加快速，吸附曲線表現(xiàn)為急傾斜、近似急傾斜；脫附曲線在0.9～1.0高相對壓力段，液氮快速脫附，脫附曲線表現(xiàn)為急傾斜。0.5～0.9 相對壓力段，吸附氣解吸緩慢，脫附曲線表現(xiàn)為平緩狀；0.05～0.42 相對壓力較低段，解吸氣量表現(xiàn)為緩慢增加，脫附曲線呈近水平狀；0～0.05 低相對壓力值段，快速脫附，脫附曲線表現(xiàn)為急傾斜狀。同時，0.42～0.50 中值相對壓力段，具有明顯的滯緩環(huán)。煤層孔隙形態(tài)結構與李小彥等[9]劃分的B 型類似，如圖3（a）～（c）所示，說明煤層孔隙形態(tài)結構比較復雜。煤中孔隙以一端開口的筒狀孔為主，并發(fā)育有四面開口平行板狀孔、兩端開口的筒狀孔及微量“墨水瓶狀”孔隙（圖4）。

圖3 3 號煤吸附、脫附曲線特征

圖4 不同孔隙結構形態(tài)

2）b 類

b 類孔隙形態(tài)結構的吸附、脫附曲線的不重疊間距較a 類小，脫附拐點更顯著，與李小彥等[9]研究的C 型類似，如圖3（d），表明煤層孔隙形態(tài)復雜程度較a 類簡單，煤層滲透性整體優(yōu)于a 類樣品。煤層中主要為“墨水瓶狀”孔，同時有一端、兩端開口的筒狀孔及四面開口的平行板狀孔發(fā)育（圖4）。

3.3.2 孔隙大小

孔隙大小主要用孔徑來劃分和定量表征，研究煤層中過渡孔、微孔最為發(fā)育，煤層氣在煤層孔隙中以物理吸附、毛細管凝聚及擴散方式儲集和運移[4]，3 號煤層孔徑（BJH 孔徑）一般為6.947 3～32.188 7 nm，平均為13.200 8 nm（表1），按照B.B.霍多特煤孔隙大小十進制分類法[4]，3 號煤層孔隙主要為過渡孔和微孔。樣品間的BJH 孔徑存在一定差異，總體表現(xiàn)為煤變質(zhì)程度高，煤體破壞小，BJH 孔徑越小。反之，變質(zhì)程度低、煤體破壞嚴重，孔徑變大趨勢。

表1 孔隙大小測定結果

3.3.3 比表面積

比表面積總體較高，一般為5.924 7～9.846 2 m2/g，平均7.930 2 m2/g（表2）。煤變質(zhì)程度對比表面積影響最為顯著，隨著煤變質(zhì)程度升高，煤中微孔及過渡孔越發(fā)育，比表面積越大，反之亦然。不同大小孔隙的比表面積貢獻程度不同，微孔比表面積占比最高，一般52.73%～66.58%，平均58.77%；過渡孔占比次之，一般為29.61%～37.79%，平均34.17%；中孔貢獻程度位居第三，所占比例2.16%～6.84%，平均4.50%；大孔發(fā)育少，其比表面積所占比例僅為0.11%～2.21%，平均1.09%。

表2 比表面測定結果

3.3.4 孔隙體積

孔隙體積總體較高，一般為0.003 1～0.004 2 cm3/g，平均0.003 6 cm3/g（表3），顯示該煤層具有較好的煤層氣儲集空間。不同大小孔隙的孔容不同，過渡孔為孔隙體積的最大貢獻者，占比最高（52.16%～61.75%，平均57%）；微孔和中孔的體積占比次之且二者相當，其中，微孔體積占比16.72%～29.11%，平均19.97%，中孔體積占比12.83%～22.37%，平均19.46%；大孔發(fā)育少且孔隙體積占比低，僅為0.57%～5.90%，平均3.58%。

表3 孔隙體積測定結果

4 結論

1）煤層非均質(zhì)性強，致使3 號煤層樣品間孔隙結構形態(tài)、孔隙大小、比表面積及孔隙體積具有顯著差異和分形現(xiàn)象。

2）孔隙形態(tài)結構復雜，以一端開口的筒狀孔和“墨水瓶”狀孔為主，并發(fā)育少量四面開口平行板狀、兩端開口狀孔隙。

3）過渡孔和微孔最為發(fā)育，微孔比表面積最大、占比最高，過渡孔比表面積占比次之，中孔比表面積占比位居第三位，大孔比表面積占比最小；孔隙體積總體較高，過渡孔的孔隙體積占比最高，微孔和中孔的孔隙體積占比次之且二者相當，大孔孔隙體積占比最低。