煤體解吸甲烷規(guī)律及解吸后微結(jié)構(gòu)特征研究

范家文，劉 健

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 晉能煤礦工程公司，山西 太原 030031；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600)

我國(guó)非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量巨大，煤層氣作為其中之一，其高效開采對(duì)緩解目前我國(guó)能源緊缺現(xiàn)狀具有重要的意義[1-3]。煤層氣地面抽采技術(shù)是指在地面進(jìn)行鉆孔布井，直接將井筒通至礦層，然后進(jìn)行瓦斯的抽采，該技術(shù)抽采瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)90%[4]，而且技術(shù)難度相對(duì)較低，所以多年來我國(guó)一直大力倡導(dǎo)通過地面抽采技術(shù)進(jìn)行煤層氣的開發(fā)。

瓦斯在煤體中主要以游離態(tài)、吸收態(tài)和吸附態(tài)這三種形式賦存，其中，近90%的瓦斯以吸附態(tài)存在[5，6]。吸附態(tài)的瓦斯只有充分解吸，從煤體中滲出，才能從生產(chǎn)井中抽采出來，故煤體的滲透特性直接關(guān)系到瓦斯抽采的效率和煤層氣產(chǎn)量。煤體內(nèi)部的孔隙和裂隙是流體滲流的通道，其發(fā)育程度決定煤體的滲透特性。原位狀態(tài)下煤體吸附解吸特性的主要影響因素是溫度和孔隙壓力，基于此，本文對(duì)溫度和壓力作用下煤體的吸附、解吸特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，由此得到煤層氣抽采的最優(yōu)溫度，最后對(duì)煤體解吸瓦斯后的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT掃描分析，得到煤體內(nèi)孔裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征，對(duì)礦井瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

瓦斯吸附解吸的試驗(yàn)裝置主要包括甲烷氣瓶、手動(dòng)泵、中間容器、反應(yīng)釜、驅(qū)替泵以及空壓機(jī)等，如圖1所示。測(cè)試所用煤樣為標(biāo)準(zhǔn)煤樣，加熱方式為水浴加熱，可測(cè)試溫度范圍為常溫～90℃。根據(jù)煤層的賦存深度，在試驗(yàn)時(shí)設(shè)置靜水壓力為10MPa，設(shè)置測(cè)試溫度分別為40℃、60℃以及80℃，孔隙壓力分別為4MPa、6MPa和8MPa，從而進(jìn)行不同溫度和孔隙壓組合下的煤體吸附解吸瓦斯試驗(yàn)。

圖1 煤體吸附解吸甲烷試驗(yàn)裝置示意

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)試驗(yàn)裝置氣密性檢測(cè)。通過橡膠套密封煤樣，然后將其置入反應(yīng)釜內(nèi)，利用驅(qū)替泵施加10MPa的靜水壓力，模擬煤層的原位賦存狀態(tài)。將一定壓力的氣體通過到釜體內(nèi)部，穩(wěn)定2.5h后觀測(cè)是否有氣體排出，判定整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性。

2)對(duì)反應(yīng)釜及其管線等抽真空12h，然后將反應(yīng)釜進(jìn)氣端和出氣端閥門關(guān)閉，打開甲烷氣瓶，使中間容器內(nèi)的壓力達(dá)到4MPa，即孔隙壓力為4MPa。

4)煤體吸附甲烷試驗(yàn)完成后，關(guān)閉反應(yīng)釜的進(jìn)氣端閥門，打開出氣端，進(jìn)行煤體解吸甲烷試驗(yàn)，通過排水法收集氣體，每隔一定時(shí)間記錄排液量，當(dāng)示數(shù)幾乎不變時(shí)說明甲烷解吸完成。

5)上述過程完成了一個(gè)孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗(yàn)，完成后同樣進(jìn)行抽真空處理，調(diào)節(jié)手動(dòng)泵，使得中間容器壓力達(dá)到6MPa，進(jìn)行孔隙壓為6MPa下煤體吸附解吸甲烷的試驗(yàn)，如此反復(fù)就可完成不同孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗(yàn)。

6)將水浴槽溫度升高到下一個(gè)溫度點(diǎn)，依照步驟1)—5)就可以完成不同溫度和孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗(yàn)。

1.3 吸附量和解吸量計(jì)算

進(jìn)行煤體吸附甲烷試驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)釜和中間容器組成了一個(gè)密閉空間[7-9]。將實(shí)驗(yàn)氣體假設(shè)為理想氣體，通過理想氣體方程來計(jì)算煤體對(duì)甲烷的吸附量，由此得到式(1)。

V×(P1-P2)=(V1+V2)×P0

(1)

式中，P1和P2分別為試驗(yàn)前后中間容器的壓力值，MPa；V為中間容器及與反應(yīng)釜相連的管線內(nèi)部的氣體體積，mL；V1為煤樣吸附的體積，mL；V2為煤樣外反應(yīng)釜內(nèi)部的氣體體積，mL；P0為大氣壓強(qiáng)，MPa。

將煤樣換成同樣尺寸的不銹鋼柱體，進(jìn)行同樣測(cè)試條件下甲烷的吸附試驗(yàn)，由此得到的吸附量為V2。

煤體解吸瓦斯的體積可通過式(2)計(jì)算：

且說這日寶玉洗澡，寶釵斜躺在沙發(fā)上看舊碟片，看到《手機(jī)》，主人公嚴(yán)守一妻子看他的手機(jī)短信后，迫他脫下衣服，果見鮮亮的咬痕。仿佛為響應(yīng)這一情節(jié)，寶玉的手機(jī)響起來，寶釵忙接起來，是軟款款的女聲：“寶，昨兒晚上……”寶釵忽然想起前天收拾被褥時(shí)，見枕頭上躺著一根酒紅色的卷發(fā)。這呆子做官掙錢沒腦子，招惹女人倒是有一套的，自己怎就大意了呢？！

Vd=V2+V3

(2)

式中，V3為煤樣解吸的體積，mL。

則煤體對(duì)瓦斯的解吸率通過式(3)計(jì)算。

2 煤體對(duì)瓦斯吸附量的變化規(guī)律

不同溫度下煤體對(duì)甲烷的吸附量與時(shí)間的定量關(guān)系如圖2所示，由圖2可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，隨著孔隙壓的增大，煤體對(duì)甲烷的吸附量也在增加；而孔隙壓力不變時(shí)，煤體對(duì)甲烷的吸附量隨著溫度的升高而減少，由此可見，溫度升高不利于煤體對(duì)瓦斯的吸附。不同溫度和壓力煤體對(duì)甲烷的最終吸附量見表1。

圖2 煤體對(duì)甲烷吸附量隨時(shí)間的變化特征

表1 煤體對(duì)甲烷的最終吸附量

從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在不同的時(shí)間范圍內(nèi)，煤體對(duì)甲烷吸附量的變化速率不同。當(dāng)時(shí)間低于25min時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附量在快速增加，在該階段甲烷氣體會(huì)快速運(yùn)移至反應(yīng)釜內(nèi)的自由空間；當(dāng)時(shí)間處于25～400min時(shí)，吸附量的增加速率較為緩慢，該階段為煤體對(duì)甲烷吸附的主要階段，甲烷分子逐步擴(kuò)散到煤體內(nèi)部的孔裂隙空間，煤基質(zhì)逐步完成對(duì)甲烷分子的吸附；當(dāng)時(shí)間超過400min時(shí)，煤基質(zhì)對(duì)甲烷分子的吸附逐漸趨于飽和，故煤體對(duì)甲烷吸附量的變化極小。

目前主要采用Langmuir模型來分析單組份氣體的等溫吸附特征[10，11]，認(rèn)為在多孔介質(zhì)表層存在氣體分子的吸附位，同時(shí)吸附層位為單分子層吸附，可用式(4)表示。

式中，V為P壓力下煤對(duì)甲烷的吸附量，mL/g；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，Pa；VL為單層容量的最大值，即Langmuir體積，mL/g。

甲烷在煤中的等溫吸附特征如圖3所示。在圖3中，甲烷吸附量與孔隙壓力幾乎呈線性關(guān)系，符合Langmuir模型。當(dāng)溫度為80℃時(shí)，甲烷吸附量處于較低水平，這是因?yàn)楦邷刈饔脮?huì)提高甲烷分子的能量和活性，使得煤體基質(zhì)對(duì)氣體分子的吸附性減弱；而且在應(yīng)力約束狀態(tài)下煤體內(nèi)部發(fā)育的裂隙等會(huì)發(fā)生閉合，從而使比表面積和吸附空間減小。同時(shí)，在高溫三軸作用下煤體發(fā)生塑性變形，滲流空間減弱，甲烷運(yùn)移難度升高。

圖3 甲烷的等溫吸附曲線

3 瓦斯解吸量的變化規(guī)律

不同溫度下煤體對(duì)甲烷的解吸量與時(shí)間的定量關(guān)系如圖4所示。煤體解吸瓦斯的過程是吸熱反應(yīng)，由圖4可知，隨著孔隙壓的增大，煤體對(duì)甲烷的解吸量也在增加；而孔隙壓力為4MPa和6MPa時(shí)，煤體對(duì)甲烷的解吸量隨著溫度的升高總體呈減小趨勢(shì)。當(dāng)孔隙壓力為8MPa時(shí)，隨著溫度的升高，甲烷解吸量表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。究其原因，雖然溫度升高會(huì)加大甲烷分子的活性和能量，使得煤體基質(zhì)對(duì)甲烷的吸附性減弱；但當(dāng)溫度較高時(shí)，外圍應(yīng)力會(huì)限制煤體的變形，從而使得部分孔隙和裂隙受擠壓而產(chǎn)生向內(nèi)的變形，減少了有效滲流通道[12-14]；在這兩方面的綜合作用下使得溫度從60℃增大到80℃的過程中甲烷解吸量呈輕微減少趨勢(shì)。不同溫度和壓力煤體對(duì)甲烷的最終解吸量見表2。

圖4 煤體對(duì)甲烷解吸量隨時(shí)間的變化特征

表2 煤體對(duì)甲烷的最終解吸量

4 溫度和孔隙壓力對(duì)煤體甲烷解吸率的影響

圖5 不同孔隙壓力下甲烷解吸率與溫度間關(guān)系

不同溫度和孔隙壓力下煤體對(duì)甲烷的解吸率如圖5所示。由圖5可知，孔隙壓力對(duì)甲烷解吸率的影響極小，主要影響因素為溫度。溫度從40℃升高至80℃，煤體對(duì)甲烷的解吸率幾乎呈線性趨勢(shì)增加。當(dāng)溫度為40℃、孔隙壓力為8MPa時(shí)，解吸率最小，其值為36.49%；當(dāng)溫度為80℃、孔隙壓力為4MPa時(shí)，解吸率最大，其值為56.84%?？傮w上，認(rèn)為80℃是煤體解吸甲烷較為合理的溫度點(diǎn)。

在MATLAB軟件中以甲烷解吸率(z)作為因變量，溫度(x)和孔隙壓力(y)作為自變量，進(jìn)行了多元回歸分析，認(rèn)為溫度和孔隙壓力耦合效應(yīng)對(duì)甲烷解吸率的影響可用多元線性回歸模型來表示：z=0.1874-0.00048x+0.2785y(相關(guān)系數(shù)R2=0.94)。甲烷解吸率與溫度、孔隙壓間關(guān)系如圖6所示。

圖6 甲烷解吸率與溫度、孔隙壓的關(guān)系

5 煤體解吸瓦斯后內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征

由于80℃時(shí)煤體對(duì)瓦斯的解吸率最高，故對(duì)該溫度下解吸后的煤體進(jìn)行顯微CT測(cè)試，從而對(duì)其內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量闡述。此次所用CT掃描設(shè)備為天津三英nanoVoxel-3000，最高空間分辨能力0.5μm，系統(tǒng)主要包括射線源、探測(cè)器、機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、防輻射箱體，如圖7所示。

圖7 nanoVoxel-3000型CT掃描儀

測(cè)試設(shè)置的掃描電壓為80kV，電流為60μA，可識(shí)別3.11μm的孔隙和裂隙。對(duì)煤樣進(jìn)行全直徑CT掃描測(cè)試，得到了樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)體的三維展示，如圖8所示。

圖8 樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)體的三維展示

對(duì)樣品內(nèi)部XY方向、YZ方向以及XZ方向切面的圖像進(jìn)行提取，得到了不同切面的二維效果圖，據(jù)此可以更加系統(tǒng)了解孔隙、裂縫和礦物的分布情況，如圖9、圖10所示。

圖9 樣品內(nèi)部不同切面的二維效果圖

圖10 原樣的YZ方向二維效果圖

煤體內(nèi)部的貫通裂隙為原生裂隙(圖10)，而圖9中小裂隙為煤體吸附解吸過程中形成的次生裂隙，雖然在溫度作用下煤體變形會(huì)受到外圍應(yīng)力的約束，但該類型的裂隙依然為甲烷分子在煤體內(nèi)部的運(yùn)移和擴(kuò)散提供了良好通路，降低了甲烷解吸的難度，而且甲烷分子在運(yùn)移過程中會(huì)進(jìn)一步拓寬裂隙。對(duì)CT掃描后的3D圖進(jìn)行閾值分割，可以得到孔隙和裂隙分布的三維渲染圖，如圖11所示。沿著縱向?qū)⒌?51—1250層導(dǎo)入到AVIZO9.0軟件中，并通過恰當(dāng)?shù)拈撝祵?duì)這些灰度圖像進(jìn)行閾值分割，得到的樣品內(nèi)部不同層位裂隙結(jié)構(gòu)的孔隙率變化趨勢(shì)如圖12所示?？傮w上，樣品在不同層位切片的孔隙率變化較小，均在孔隙率均值線附近波動(dòng)，這是因?yàn)槊菏菣M觀各向同性巖體，其破裂形式以弱面的破裂為主，故在縱軸方向孔隙率變化不大，保持在6.32%～9.38%之間，由此得到解吸瓦斯后煤樣的平均孔隙度為7.4%。煤體在原始狀態(tài)下內(nèi)部?jī)H存在原生裂隙，總體上是致密結(jié)構(gòu)，孔隙度極低。而煤體解吸瓦斯后內(nèi)部形成了大量的孔隙，這就為甲烷氣體的排采提供了較多的空間。

圖11 樣品內(nèi)部孔隙和裂隙分布的三維效果圖

圖12 樣品內(nèi)部不同層位的孔隙度

將孔隙和裂隙等效為圓形，則孔徑即為圓的直徑，對(duì)不同孔徑的孔裂隙進(jìn)行篩分，可以得到相應(yīng)孔徑孔隙空間的分布特征，同時(shí)可以對(duì)其數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不同孔徑范圍內(nèi)孔隙分布如圖13所示。從圖13中可以看出，在解吸后煤體的孔徑分布中，孔徑低于30μm的孔隙在三維空間內(nèi)的分布范圍較廣，其次為孔徑處于50～80μm間的孔隙，孔徑高于80μm的孔隙數(shù)量相對(duì)較少，在三維空間中的分布較為零散。由此可見，當(dāng)溫度為80℃時(shí)，孔徑低于30μm的孔裂隙是甲烷解吸、擴(kuò)散以及運(yùn)移的主要通道。

圖13 部分孔隙分布的三維空間圖

不同孔徑范圍的孔隙所占比如圖14所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，孔徑超過80μm的孔隙占比最小，僅為5.67%；孔徑處于5～15μm的孔隙所占比最大，可達(dá)43.12%；總體上，孔徑處于30μm以下的孔隙所占比例達(dá)到了76.36%。

圖14 不同孔徑孔隙所占比例

6 結(jié)論

本文進(jìn)行不同溫度和壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗(yàn)，得到了解吸瓦斯的合理參數(shù)，同時(shí)對(duì)煤樣解吸瓦斯后內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了CT掃描測(cè)試，所得主要結(jié)論為：

1)孔隙壓力不變時(shí)，煤體對(duì)甲烷的吸附量隨著溫度的升高而減少；當(dāng)溫度較高時(shí)，外圍應(yīng)力會(huì)限制煤體的變形，使得煤體發(fā)生向內(nèi)的變形，減少了有效滲流通道，抑制甲烷解吸。

2)當(dāng)溫度為80℃、孔隙壓力為4MPa時(shí)，甲烷解吸率最大，認(rèn)為80℃是煤體解吸甲烷較為合理的溫度點(diǎn)。溫度和孔隙壓力耦合效應(yīng)對(duì)甲烷解吸率的影響可用多元線性回歸模型來表示。

3)解吸瓦斯后煤樣的孔隙度為7.4%，在不同類別的孔隙結(jié)構(gòu)中，孔徑超過80μm的孔隙所占比例最小，僅為5.67%；孔徑處于5～15μm間的孔隙所占比例最大，可達(dá)43.12%。

4)總體上，煤體解吸瓦斯后形成的孔隙孔徑相對(duì)較小。當(dāng)溫度為80℃時(shí)，孔徑低于30μm的孔隙比例高達(dá)76.36%，由此作為甲烷解吸、擴(kuò)散以及運(yùn)移的主要通道。