孔徑結(jié)構(gòu)、水分對(duì)低階煤煤層氣賦存的影響
——以新疆地區(qū)侏羅系西山窯組褐煤為例

孟貴希

(中國(guó)石化華東油氣分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，南京 210011)

0 引言

低階煤是煤化作用早期階段形成的產(chǎn)物，通常煤巖鏡質(zhì)體反射率Rmax<0.65%，以褐煤和長(zhǎng)焰煤為主。我國(guó)低煤階煤層氣資源量為14.7×1012m3，約占煤層氣總資源量的40%。低煤階煤層分布范圍廣，主要分布在華北鄂爾多斯盆地、東北二連盆地、海拉爾盆地，西北準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、塔里木盆地等，成煤時(shí)代集中在侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)。

隨著美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的成功和國(guó)內(nèi)高煤階煤層氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的逐步建產(chǎn),低煤階煤層氣資源成將成為重要接替。低煤階煤儲(chǔ)層的孔隙特征和賦存影響因素,關(guān)系到煤層氣儲(chǔ)集特征、富集規(guī)律、儲(chǔ)層改造手段和排采工作制度等方面，對(duì)指導(dǎo)低煤階煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)具有重要意義。

研究選取新疆伊犁盆地伊寧凹陷南部斜坡Y1井侏羅系西山窯組褐煤樣品15件(3煤取樣6件，5煤取樣9件)和準(zhǔn)噶爾盆地東部北緣奇臺(tái)地區(qū)DJ-1井的侏羅系西山窯組B1煤層褐煤樣品10件進(jìn)行測(cè)試分析。利用煤的壓汞法和氣體吸附法獲得煤孔隙各項(xiàng)參數(shù)(其中壓汞試驗(yàn)獲得孔徑>6nm孔隙分布，低溫液氮試驗(yàn)獲取孔徑<6nm孔隙分布)，再結(jié)合煤巖的等溫吸附甲烷氣體分析結(jié)果，將褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征、水分與蘭氏體積(飽和吸附量)進(jìn)行相關(guān)分析。

1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

1.1 孔隙度與孔容

低階煤處于煤化作用初級(jí)階段，孔隙度和孔容一般較高，煤巖化學(xué)結(jié)構(gòu)中芳環(huán)層細(xì)小，而且隨機(jī)分布，大量的富氧官能團(tuán)、富氧橋和脂肪族側(cè)鏈聯(lián)合和支撐形成一種立體開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，故各類孔隙十分發(fā)育[1～2]。新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層鏡質(zhì)體反射率0.33%～0.46%，平均0.40%，均為褐煤；煤基質(zhì)孔隙度13.78%～30.76%，平均22.25%，總孔容0.12～0.32ml/g，平均0.21ml/g。據(jù)此，褐煤孔隙度和孔容較高，儲(chǔ)集游離氣、煤層水等流體的儲(chǔ)集空間條件較好。

1.2 孔徑結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同的研究目的和不同的分析尺度，對(duì)煤的孔徑結(jié)構(gòu)做過(guò)研究，其中應(yīng)用最為廣泛的是B.B.霍多特的十進(jìn)制分類系統(tǒng)(表1)[3]，將煤孔隙分成大孔、中孔、小孔(過(guò)渡孔)和微孔，微孔和小孔構(gòu)成煤的吸附容積；中孔和大孔構(gòu)成煤的滲透系統(tǒng)，其中的甲烷幾乎全部處于游離狀態(tài)。

表1 煤中孔隙分類方案

通過(guò)壓汞試驗(yàn)獲得孔徑>6nm孔隙的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，低溫液氮試驗(yàn)獲取孔徑<6nm孔隙各項(xiàng)參數(shù)，綜合壓汞和液氮試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層各孔徑段容積體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表2)，煤孔隙分布特征表明：伊寧地區(qū)侏羅系西山窯組3煤微孔和小孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為9.7%～32.03%，平均21.91%；中孔和大孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為67.97%～90.30%，平均78.09%。伊寧地區(qū)侏羅系西山窯組5煤微孔和小孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為13.08%～23.06%，平均16.66%；中孔和大孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為76.93%～86.92%，平均83.34%。奇臺(tái)縣地區(qū)侏羅系西山窯組B1煤微孔和小孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為16.2%～35.57%，平均21.53%；中孔和大孔總?cè)莘e體積分?jǐn)?shù)為64.43%～83.81%，平均78.47%(表2)。

新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層煤孔隙主要以大于100nm的中孔和大孔為主，約占總孔容積的80%左右，微孔和小孔約占到總孔容積的20%左右；具備儲(chǔ)集大量游離氣的條件，而吸附氣儲(chǔ)集空間較小。

表2 新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層各孔徑段容積體積分?jǐn)?shù)

2 孔徑結(jié)構(gòu)與吸附氣的賦存

在孔徑結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣賦存的影響方面，一些學(xué)者做了相關(guān)研究，如李子文利用N2和CO2吸附解吸實(shí)驗(yàn)，得到了6個(gè)礦井煤樣的孔徑分布特征，并根據(jù)吸附解吸實(shí)驗(yàn)曲線分析了不同煤樣所含孔形狀的差異。同時(shí)，對(duì)所選煤樣進(jìn)行瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，分析瓦斯吸附量隨吸附壓力的變化情況，以及瓦斯吸附能力與孔徑分布的關(guān)系。根據(jù)工業(yè)分析和巖相分析結(jié)果，對(duì)煤樣變質(zhì)程度和水分含量對(duì)瓦斯吸附的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：煤對(duì)氣體的吸附量主要集中在微孔段，同時(shí)受到中孔的影響，朗繆爾體積受微孔和中孔分布的共同作用，而朗繆爾壓力只與微孔有關(guān)。水分子與甲烷分子之間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，水分的存在不利于瓦斯吸附。煤的變質(zhì)程度與朗繆爾體積之間呈現(xiàn)“U”型曲線關(guān)系，而變質(zhì)程度的增加使朗繆爾壓力降低。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采取措施增大煤體孔隙,使微孔比例降低，促進(jìn)煤層瓦斯的解吸[4]。

喬軍偉認(rèn)為我國(guó)低階煤的孔隙主要由大孔和中孔構(gòu)成，總體上反映出半封閉孔隙和細(xì)瓶頸孔隙形態(tài)，部分反映出半封閉孔隙的特征，比表面積在5～6nm和50～60nm兩處顯著分布；低階煤的吸附能力總體低于中、高階煤，褐煤的吸附能力低于長(zhǎng)焰煤，Weibull函數(shù)對(duì)低階煤吸附曲線的擬合度最高；低階煤中甲烷的解吸率大多高于中、高階煤，Weibull函數(shù)對(duì)低階煤解吸曲線的擬合度最高[5]。

褐煤小孔和微孔發(fā)育較少，其對(duì)吸附能力表現(xiàn)為甲烷的飽和吸附量小。平衡水條件下(接近原地埋藏條件)，新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層飽和吸附量(蘭氏體積VL)為 2.81～7.59cm3/g，若扣除灰分和水分的影響，干燥無(wú)灰基條件下飽和吸附量為5.64～12.01cm3/g，最高值12.01cm3/g(表3)，遠(yuǎn)低于中高煤階煤，平衡水條件下，中煤階煤(Rmax0.65%～1.9%)吸附氣量11～20cm3/g；高煤階煤(Rmax>1.9%)吸附氣量20～40cm3/g[3]。

表3 新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層Ro與VL統(tǒng)計(jì)表

對(duì)比干燥無(wú)灰基和平衡水分基兩種條件下，褐煤的飽和吸附量與小孔和微孔的體積比例均為正相關(guān)關(guān)系，與中孔和大孔的體積比例均為負(fù)相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖1),表明褐煤中孔和大孔的發(fā)育不利于甲烷的儲(chǔ)集，小孔和微孔的發(fā)育有利于甲烷的儲(chǔ)集。

3 水分對(duì)吸附氣賦存的影響

低階煤儲(chǔ)層具有孔隙度高，大孔和中孔較發(fā)育的特征，理論上儲(chǔ)集水的能力較強(qiáng)，因此研究水分含量對(duì)煤層氣的賦存很有必要。水的存在,會(huì)降低煤對(duì)甲烷吸附量。因?yàn)樗肿訛闃O性分子,與甲烷分子相比更容易被煤巖吸附,從而占據(jù)甲烷的吸附表面。尤其低階煤水分含量較高,這種現(xiàn)象更為明顯[6-10]。

關(guān)于煤層不同含水狀態(tài)下，煤對(duì)甲烷的吸附量的變化情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均有研究。Joubert等研究發(fā)現(xiàn)煤層在未達(dá)到臨界水分時(shí)，水分增加使其對(duì)甲烷吸附量降低；超過(guò)臨界水分后，甲烷吸附量不再隨水分的增加而減少。隨后研究認(rèn)為臨界水分就是平衡水分。因此吸附實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在等于或大于平衡水分的條件下進(jìn)行，以還原地下埋藏條件[11-12]。Levine研究認(rèn)為：水堵塞了氣體吸附位，降低了某一壓力所能吸附的氣體量，這主要是對(duì)低煤階煤巖有影響，因?yàn)榈兔弘A煤巖的許多吸附位優(yōu)先吸附水，而不是優(yōu)先吸附甲烷[13]。

國(guó)內(nèi)煤炭科研院所和高校等學(xué)者也進(jìn)行了不同含水條件下煤樣的甲烷吸附實(shí)驗(yàn)和影響機(jī)理分析。張時(shí)音進(jìn)行了不同煤級(jí)干燥煤樣、平衡水煤樣和注水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)，并用維里方程擬合等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證，結(jié)果表明煤基質(zhì)的潤(rùn)濕程度是液態(tài)水影響煤吸附甲烷的主要因素[14]。李樹(shù)剛等運(yùn)用Langmuir單分子層吸附理論，分析了煤對(duì)甲烷吸附能力受其含水量的影響，利用WY - 98B型瓦斯常數(shù)測(cè)定儀，分別對(duì)2種煤樣在不同含水量時(shí)吸附甲烷氣體的等溫吸附曲線、Langmuir壓力、吸附常數(shù)a,b進(jìn)行了定性與定量分析， 得出了 煤對(duì)甲烷吸附量隨壓力的變化關(guān)系式及Langmuir吸附常數(shù)a,b隨煤樣內(nèi)水含量變化的關(guān)系式，研究結(jié)果表明：含水煤樣依然滿足Langmuir單分子層吸附理論，吸附常數(shù)a,b與煤樣中含水量的變化之間存在著一定相關(guān)性[15-16]。黃丹研究發(fā)現(xiàn)，在未達(dá)到平衡水分之前，水含量對(duì)高煤級(jí)吸附能力影響小且注水煤樣中的液態(tài)水影響增加了甲烷吸附量[17]。陳洋對(duì)不同煤種6個(gè)原煤進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)對(duì)3個(gè)煤種各種水分含量煤樣吸附等溫線的實(shí)測(cè)，得出了考慮煤揮發(fā)分影響的新的水分對(duì)甲烷吸附量影響的經(jīng)驗(yàn)公式[18]。王兆豐等采用高壓吸附容量法在不同水分含量0，1.05%，2.30%，3.50%和4.68%條件下對(duì)新景礦3號(hào)煤層甲烷吸附等溫線進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明：新的水分影響系數(shù)得出的吸附等溫曲線和實(shí)測(cè)的吸附等溫曲線幾乎重合，而傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式得出的曲線明顯低于實(shí)測(cè)曲線，這說(shuō)明傳統(tǒng)的水分影響系數(shù)誤差偏大，而通過(guò)校正后的水分水分影響系數(shù)對(duì)于3號(hào)煤層更為準(zhǔn)確和適用[19]。馬東民等以大佛寺4#不黏煤樣為研究對(duì)象，進(jìn)行4#不黏煤空氣干燥基樣和平衡水分樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)于同1種煤樣，吸附勢(shì)與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)系，煤中水分大小對(duì)吸附勢(shì)影響較大[20]。

圖1 褐煤不同孔徑孔隙體積比例與蘭氏體積關(guān)系圖

本次研究利用煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來(lái)研究?jī)煞N含水狀態(tài)對(duì)甲烷吸附量的影響，一種是空氣干燥基條件下，煤樣水分稱為空氣干燥基水分(Mad)；另一種是平衡水分(Me)。新疆地區(qū)西山窯組主力煤層空氣干燥基水分10.86%～14.25%，平均12.33%，煤樣甲烷飽和吸附量(VL1)4.47～10.22cm3/g；同批煤樣在平衡水分25.39%～47.53%，平均34.80%，煤樣飽和吸附量(VL2)2.81～7.59cm3/g。煤樣在實(shí)驗(yàn)室空氣濕度下水分增加到臨界含水量(平衡水分)，水分增加13.23%～36.02%，平均增加22.47%，甲烷飽和吸附量減少(VL1-VL2)1.54～3.78 cm3/g，平均2.71 cm3/g，減少比例((VL1-VL2)/VL1)25.73%～48.09%，平均35.45%(表4)，表明新疆地區(qū)西山窯組主力煤層飽和含水情況下，吸附氣量減少約35%，飽和吸附量最大為7.59cm3/g。

兩種含水條件，新疆地區(qū)西山窯組主力煤層煤樣等溫吸附曲線分離明顯，空氣干燥基等溫吸附線明顯高于平衡水分基的等溫吸附曲線(圖2)，反映煤樣在等溫吸附過(guò)程中，不同壓力下，均表現(xiàn)出水分不利于甲烷的吸附。水分對(duì)煤吸附氣相組分起抑制作用，水分的存在降低煤對(duì)甲烷的吸附量。

圖2 新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層兩種含水狀態(tài)下等溫吸附曲線圖

地區(qū)煤層樣品質(zhì)量/g空氣干燥基水分Mad/%平衡水分Me/%蘭氏體積VL/cm3·g-1空氣干燥基VL1平衡水分基VL2VL1-VL2/cm3·g-1(VL1-VL2)/VL1%伊寧345.7513.538.176.864.182.6839.07349.5614.2535.279.325.953.3736.16547.6312.8536.24.472.811.6637.14547.8812.4836.179.55.993.5136.95542.2611.5147.537.864.083.7848.09545.7110.8630.879.576.563.0131.45545.0011.3842.165.513.152.3642.83奇臺(tái)B147.3212.4628.1996.432.5728.56B146.1011.8828.095.43.861.5428.52B145.9412.1625.3910.227.592.6325.73

4 結(jié)論

低階煤處于煤化作用初級(jí)階段，孔隙度和孔容一般較高，具備儲(chǔ)集游離氣、煤層水等流體的儲(chǔ)集空間條件，本文通過(guò)研究低階煤的孔徑結(jié)構(gòu)入手，分析了低階煤儲(chǔ)層中甲烷吸附氣和游離氣的賦存關(guān)系，再結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水分與低階煤儲(chǔ)氣能力的影響研究成果，利用新疆伊犁盆地伊寧凹陷和準(zhǔn)噶爾盆地東部北緣實(shí)鉆低階煤25件煤樣的干燥樣與平衡水樣吸附甲烷曲線對(duì)比分析，得出如下認(rèn)識(shí)：

①新疆地區(qū)侏羅系西山窯組褐煤的孔隙度13.78%～30.76%，平均22.25%，其中主要以中孔和大孔為主，約占總孔容積的80%，微孔和小孔約占20%，具備儲(chǔ)集大量游離氣的條件，而吸附氣儲(chǔ)集空間較小。

②原地埋藏條件下，西山窯組褐煤飽和吸附量變化為2.81～7.59cm3/g，遠(yuǎn)低于中高煤階煤。飽和吸附量與小孔和微孔的總體積比例為正相關(guān)關(guān)系，與中孔和大孔的總體積比例為負(fù)相關(guān)關(guān)系。褐煤吸附氣量受水分影響明顯，由空氣干燥基至平衡水階段，水分增加20%左右，吸附氣量減少約35%。

③新疆地區(qū)侏羅系西山窯組主力煤層的孔隙度較高，可作為常規(guī)天然氣的儲(chǔ)層，在上覆下伏地層烴源巖生氣充足的背景下，若匹配較好的運(yùn)移和封蓋條件，則具有游離氣成藏的潛力。