胡底井田3號煤孔隙結(jié)構(gòu)特征

劉 航

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤層氣是一種低碳優(yōu)質(zhì)能源，根據(jù)原國土資源部2016年6月13日公開發(fā)布的2015年全國油氣資源動態(tài)評價成果資料顯示，我國埋深2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為30萬億m3，可采資源量為12.5萬億m3.煤層是一種孔裂隙極為發(fā)育的復(fù)雜多孔介質(zhì)，煤孔隙是煤層氣的主要賦存場所和儲集空間，其結(jié)構(gòu)特征對煤層吸附-解吸特性、含氣性、運(yùn)移行為及煤層氣產(chǎn)出特征等具有重要影響，是煤層氣地質(zhì)理論研究、煤層氣井產(chǎn)能評價、煤層氣開發(fā)有利靶區(qū)優(yōu)選等重要研究內(nèi)容之一，因此，煤孔隙結(jié)構(gòu)特征常作為煤層氣勘探開發(fā)的一項重要基礎(chǔ)研究工作[1-4]。經(jīng)過多年的研究及實踐，學(xué)者們在研究方法及實驗手段[5]、孔隙成因及類型劃分[6]、宏觀至微觀(多尺度)[7-8]、孔隙結(jié)構(gòu)及形態(tài)[9]、精細(xì)定量表征[10]等方面開展系統(tǒng)且深入的研究，極大地豐富了煤層氣地質(zhì)理論，為生產(chǎn)實踐亦起到了積極的指導(dǎo)作用。胡底井田為原晉煤集團(tuán)煤炭及煤層氣礦業(yè)權(quán)礦區(qū)，為解決礦井開采煤層含氣量高、礦井瓦斯涌出量大等難題，實施了地面煤層氣抽采工程，在探索采煤采氣一體化模式方面取得了積極成效。目前，胡底井田對3號煤層地質(zhì)特征及賦存規(guī)律，煤儲層物性及特征方面開展了部分工作，但尚未對煤孔隙結(jié)構(gòu)特征開展研究。為此，筆者采用低溫液氮吸附靜態(tài)容量法對胡底井田3號煤孔隙結(jié)構(gòu)特征開展實驗研究，以期為區(qū)內(nèi)井上下煤層氣抽采及防治提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

胡底井田位于山西省沁水縣胡底鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°32′44″—112°36′44″，北緯35°43′—35°45′15″，井田面積約20.51 km2.井田總體為走向北北東，傾向北西的單斜構(gòu)造。地層相對平緩且傾角較小(多小于10 ℃)，井田構(gòu)造類型以寬緩波狀起伏的次級褶皺為主，見圖1，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，陷落柱稀疏發(fā)育，無巖漿侵入現(xiàn)象，井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度總體為簡單型。

圖1 胡底井田構(gòu)造綱要圖

井田含煤地層相對發(fā)育，石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為井田主要含煤地層，兩套含煤地層共含計煤9～12層，其中，山西組3號煤層和太原組15號煤層為全井田發(fā)育穩(wěn)定可采煤層，其余為不穩(wěn)定的不可采煤層。本文研究的3號煤層厚度一般為4.04～13.01 m，平均5.59 m，為厚煤層；煤變質(zhì)程度高(Ro,max=2.624%～3.364%，平均3.186%)，煤類為高變質(zhì)無煙煤；煤層氣含量較高(9.39～30.23 m3/t，平均18.90 m3/t)、含氣飽和度(58.72%～108.69%，平均89%)和地質(zhì)儲量豐度中等偏高(1.52×108m3/km2)[11].

2 煤樣采集及宏觀描述

2.1 煤樣采集

本文研究的煤層樣品均采自胡底煤礦1305綜采工作面距離切巷250 m處的煤巷，為采集全煤體結(jié)構(gòu)類型的煤樣及實驗數(shù)據(jù)盡可能反映研究煤層客觀實際，采樣時在采樣點垂直剖面不同位置采樣，見圖2.①煤樣采自頂板下20 cm處；②煤層采自頂板下1.3 m處；③煤樣采自3.3 m處，且位于中下部夾矸之上20 cm處；④煤樣采自頂板下4.8 m處。根據(jù)煤的宏觀煤巖類型的可辨識程度、煤體破碎程度、煤體手試強(qiáng)度、層理完整性程度、裂隙及揉皺發(fā)育程度等宏觀特征對煤樣的煤體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類。同時，為滿足實驗樣品規(guī)格要求和實驗結(jié)果可靠性，采樣時力求采集新鮮的塊狀煤、煤樣純凈(無夾矸、黃鐵礦等礦物質(zhì))。按照上述要求，共采集煤樣4件，其煤體結(jié)構(gòu)類型為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤。

圖2 采樣點剖面及采樣相對位置示意

2.2 煤的物理性質(zhì)及煤巖特征

胡底井田3號煤為高變質(zhì)無煙煤，煤的硬度大(顯微硬度84.86～91.31 kg/mm2，平均88.92 kg/mm2)，且變化幅度不大。煤的新鮮外表呈黑-灰黑色，似金屬光澤，條痕為灰黑色，煤少許染手。條帶狀結(jié)構(gòu)，貝殼狀、參差狀斷口，層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，性脆易碎。宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，宏觀煤巖類型為半亮-光亮型。

煤中顯微組分中以有機(jī)顯微組分為主(84.50%～94%)，無機(jī)礦物次之(6%～15.5%)，其中有機(jī)顯微組分中主要為鏡質(zhì)組含量(69.0%～84.0%)，次為殼質(zhì)組(10.0%～14.8%)，因煤的變質(zhì)程度高，鏡下無法辨識絲質(zhì)組組分；無機(jī)組分粘土類(6%～15.5%)，以分散狀粘土類礦物為主(約占無機(jī)組分的88%)，另含少量碳酸鹽類礦物(約占無機(jī)組分的12%)，粘土類礦物以分散狀粘土為主，細(xì)胞充填狀粘土，碳酸鹽類礦物以裂隙狀方解石為主。

3 煤孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

3.1 實驗方法及原理

本文采用低溫液氮靜態(tài)容量吸附法對胡底井田3號煤孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。煤是一種孔裂隙雙重發(fā)育的多孔介質(zhì)和有機(jī)物，煤孔隙表面存在不飽和能，與非極性氣體分子之間產(chǎn)生一種范德華力，對氮?dú)夥肿泳哂形阶饔肹12-13]，在液氮溫度下(-196 ℃或77 K)，氮?dú)夥肿觾H在煤中發(fā)生物理吸附，當(dāng)吸附和脫附達(dá)到平衡時，氮?dú)夥肿釉诿嚎紫秲?nèi)表面的吸附量是相對壓力(P/Po)的函數(shù)。根據(jù)相對壓力值在不同值域區(qū)間(0～1.0)時，會發(fā)生多分子層吸附和毛細(xì)凝聚等物理現(xiàn)象，相應(yīng)符合BET多分子層吸附理論和BJH毛細(xì)凝聚模型，利用上述理論和數(shù)學(xué)模型進(jìn)而實現(xiàn)多孔和粉體吸附劑等材料比表面積、孔隙體積及孔徑等孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測定。低溫液氮吸附法因其測定值域范圍廣、數(shù)據(jù)可靠且精度較高，被油氣藏開發(fā)和化工行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于分析孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控[14-15]。

3.2 實驗儀器及技術(shù)參數(shù)

借助于ASAP 2020物理吸附儀對研究區(qū)3號煤孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行實驗研究。該儀器由美國著名的麥克儀器公司制造生產(chǎn)，具備測定功能強(qiáng)大、自動化程度和精度高、實驗數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)等特點，可采用多種吸附質(zhì)(二氧化碳、氮?dú)?、氦?對多孔和粉體材料的比表面積、孔隙體積、孔徑大小測定分析，尤其適用于納米材料的分析研究。比表面積測定和分析范圍廣，測值范圍不小于0.000 5 m2/g；可實現(xiàn)多尺度孔徑的測定，孔徑測定分析范圍為0.35～30 000 nm，微孔區(qū)段的分辯率高達(dá)0.1 nm；孔隙體積(孔容)測定分析范圍最小可達(dá)0.000 1 cm3/g.

3.3 實驗基本流程

煤屬于有機(jī)巖類，當(dāng)前油氣行業(yè)低溫液氮靜態(tài)容量吸附法測定分析煤巖孔隙結(jié)構(gòu)實驗主要參照石油行業(yè)《SY/T 6154-1995巖石比表面積和孔徑分布測定靜態(tài)氮吸附容量法》執(zhí)行，本文的實驗方法、步驟及流程亦參照上述行標(biāo)執(zhí)行。

3.4 實驗結(jié)果分析

3.4.1 孔隙形態(tài)

由吸附和凝聚理論可知，在開展多孔介質(zhì)的吸附-解吸實驗時，吸附曲線和脫附(解吸)曲線會出現(xiàn)重疊和分離兩種現(xiàn)象。吸附曲線(或吸附分支)和脫附曲線(或解吸分支)分開便會形成所謂的吸附回線，該現(xiàn)象反映了孔隙的形態(tài)結(jié)構(gòu)情況[16-18]。煤是一種具有復(fù)雜孔裂隙系統(tǒng)固體有機(jī)質(zhì)，因此，可采用低溫液氮吸附實驗，分析其吸附曲線和脫附曲線的形態(tài)特征，進(jìn)而了解煤的孔隙形態(tài)類型[2]。借助前人研究成果，利用本次低溫液氮吸附試驗結(jié)果，總結(jié)得出胡底井田3號煤存在2類吸附回線，各類吸附回線特征如下：

1) Ⅰ類吸附回線。煤的低溫氮吸附回線類型見圖3，3號煤低溫液氮吸附、脫附曲線特征見圖4.吸附曲線和脫附曲線分離且二者間距大，整體呈“大刀型”，在相對壓力處于中值范圍內(nèi)(0.42～0.50)，脫附曲線出現(xiàn)了明顯的滯后環(huán)閉合拐點(即圖中“G”)。就吸附曲線而言，當(dāng)相對壓力在0～0.1之間時，吸附量快速增加，吸附曲線呈急傾斜狀。相對壓力介于0.1～0.9時，吸附量緩慢增加，吸附曲線呈近水平狀或緩傾斜狀。隨著相對壓力繼續(xù)增加，當(dāng)相對壓力介于0.9～1.0時，吸附量快速增加，吸附曲線呈近似急傾斜或陡立狀；脫附曲線在高相對壓力段0.9～1.0范圍內(nèi)時，吸附氣快速脫附(或解吸)，脫附曲線呈急傾斜狀。相對壓力介于0.5～0.9時，吸附氣緩慢解吸，脫附曲線呈相對平緩狀；相對壓力介于0.05～0.42時，解吸氣量緩慢增加，脫附曲線呈近水平狀或緩傾斜狀；當(dāng)相對壓力處于較低范圍0～0.05時，解吸氣量又出現(xiàn)快速增加，脫附曲線呈急傾斜狀。同時在相對壓力0.42～0.50之間出現(xiàn)了滯后環(huán)閉合拐點(即圖中“G”點)，這與Harris和Avery等發(fā)現(xiàn)[19]在多種吸附劑上氮吸附等溫線滯后環(huán)閉合點均在相對壓力0.42～0.50之間高度吻合。胡底井田3號煤的低溫液氮吸附Ⅰ類吸附回線特征分別與陳萍等[20]劃分的L2、姚艷斌等[21]劃分的A型極為類似，表明煤中孔隙形態(tài)復(fù)雜，主要為兩端開口的筒狀孔、四面開放狹縫形孔和墨水瓶孔，同時含有少量的一端開口的孔。

圖3 煤的低溫氮吸附回線類型

2) Ⅱ類吸附回線。該類吸附回線見圖4(c)、圖4(d)，其特征如下：吸附曲線和脫附曲線分離且二者間距較Ⅰ類吸附回線小，在相對壓力處于中值范圍內(nèi)(0.45～0.50)，脫附曲線出現(xiàn)了不顯著的滯后環(huán)閉合拐點(即圖中“G”)。就吸附曲線而言，當(dāng)相對壓力在0～0.1之間時，吸附量快速增加，吸附曲線呈急傾斜狀。相對壓力介于0.1～0.9時，吸附量緩慢增加，吸附曲線呈近水平狀或緩傾斜狀。隨著相對壓力繼續(xù)增加，當(dāng)相對壓力介于0.9～1.0時，吸附量快速增加，吸附曲線呈近似急傾斜或陡立狀；脫附曲線在高相對壓力段0.8～1.0范圍內(nèi)時，吸附氣快速脫附(或解吸)，脫附曲線呈急傾斜狀。相對壓力介于0.5～0.8時，吸附氣緩慢解吸，脫附曲線呈平緩狀；相對壓力介于0.1～0.45時，吸附氣解吸放緩，脫附曲線呈近水平狀或緩傾斜狀；當(dāng)相對壓力處于較低范圍0～-0.1時，吸附氣快速解吸，脫附曲線呈急傾斜狀。同時，在相對壓力0.45～0.50之間出現(xiàn)了滯后環(huán)閉合拐點(即圖中“G”點)，與陳萍等[20]劃分的L3類似，見圖3(b)，表明煤中孔隙形態(tài)比較復(fù)雜但較Ⅰ類簡單，同時煤的滲透性整體亦較Ⅰ類吸附回線樣品好，煤中主要為兩端開口的筒狀孔、四面開放狹縫形孔，同時含有少量的一端開口的墨水瓶孔。

圖4 胡底井田3號煤低溫液氮吸附、脫附曲線特征

3.4.2 孔徑

煤是一種復(fù)雜的多孔固體介質(zhì)，煤中孔隙的形態(tài)“千姿百態(tài)”，不同大小(或多尺度)的孔隙均有發(fā)育，孔隙大小及結(jié)構(gòu)形態(tài)對煤的吸附-解吸、運(yùn)移及滲流特性具有重要控制作用[22-23]。為了實現(xiàn)對煤中孔隙大小的定量分析和研究，國內(nèi)外學(xué)者在煤孔徑結(jié)構(gòu)及孔隙大小劃分方面開展了大量研究工作，研究成果為煤層氣吸附和運(yùn)移特征提供了重要信息。在孔徑結(jié)構(gòu)研究方面，學(xué)者們?yōu)榱撕喕褐袕?fù)雜孔隙形態(tài)，實現(xiàn)其定量描述和表征，假設(shè)煤中孔隙均為規(guī)則的圓柱形或狹縫形，國標(biāo)(GB/T 21650.3-2011/ISO 15901-3:2007)把圓柱形孔的直徑或狹縫形孔兩對壁間的距離稱為“孔徑”，并基于Kelvin方程提出了多孔介質(zhì)的BJH孔徑分析方法，該方法被廣泛應(yīng)用于煤孔徑計算和分析[24]。

在孔徑大小及其對煤層氣作用機(jī)制方面，因認(rèn)識水平、研究目的、測試方法、測試儀器及其精度范圍等差異，孔隙大小分類方法也不盡相同[25-26]。前蘇聯(lián)B.B.霍多特[27]基于多孔介質(zhì)的孔徑范圍與固氣分子作用效應(yīng)、液氮吸附法和壓汞法的測試結(jié)果，采用十進(jìn)制劃分方案將煤中孔隙大小劃分為大孔(>1 000 nm)、中孔(1 000～100 nm)、過渡孔(100～10 nm)及微孔(<10 nm)四類，并得出不同大小孔隙對吸附質(zhì)賦存及運(yùn)移作用機(jī)制不同，吸附質(zhì)在大孔中主要發(fā)生紊流滲透和強(qiáng)烈層流，中孔中吸附質(zhì)為緩慢層流滲透，過渡孔中吸附質(zhì)可發(fā)生毛細(xì)管凝聚、物理吸附及擴(kuò)散行為，微孔中吸附質(zhì)以吸附為主[28]。該分類方法因劃分相對簡單、可借鑒和實操性強(qiáng)，目前在國內(nèi)煤層氣開發(fā)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文在孔徑研究及孔隙大小劃分時亦采用B.B.霍多特方法。

由實驗結(jié)果可知(表1)，胡底井田3號煤中孔隙主要為過渡孔和微孔，煤層氣在煤中主要發(fā)生毛細(xì)管凝聚、擴(kuò)散及物理吸附?？紫洞笮∑骄鵅JH孔徑一般為5.546 8～16.332 7 nm，平均為12.700 8 nm.受地質(zhì)要素及煤本身非均質(zhì)性影響，不同樣品間孔隙的BJH孔徑有所差異，總體呈現(xiàn)出煤變質(zhì)程度越高、煤體破壞程度越小，平均BJH孔徑越小的趨勢，反之亦然。

表1 胡底井田3號煤孔隙孔徑

3.4.3 比表面積

煤層氣以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)賦存于煤層中，并以吸附于煤基質(zhì)微孔隙內(nèi)表面為主，因此，煤中內(nèi)孔隙比表面積大小對煤層氣賦存狀態(tài)、吸附儲集能力及含氣性具等有重要影響[29]。煤是多孔介質(zhì)和良好的吸附劑，低溫液氮吸附實驗相對壓力(P/P0)介于0.05～0.35時，氮?dú)夥肿釉诿嚎紫秲?nèi)表面發(fā)生多分子層吸附現(xiàn)象，符合多分層吸附理論和多分子層吸附方程(即BET方程)[30]，BET方程被廣泛應(yīng)用于多孔介質(zhì)的吸附劑表面吸附性能研究及相關(guān)檢測儀器的數(shù)據(jù)處理中。

通過低溫液氮吸附實驗可知(表2)，胡底井田3號煤層的變質(zhì)程度較高，煤中有效孔隙較發(fā)育，孔比表面積總體較高，一般為4.386 5～7.258 3 m2/g，平均5.864 3 m2/g，與鄰近的寺河井田和成莊井田3號煤層的孔比表面積相差不大[29,31]。

表2 胡底井田3號煤比表面積

成煤過程中及成煤期后，受煤中礦物質(zhì)含量、顯微煤巖組分、煤變質(zhì)程度、煤體結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)造應(yīng)力等諸多地質(zhì)要素及其耦合作用影響，致使不同樣品間的煤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有所差異，并呈現(xiàn)出明顯的分異現(xiàn)象和分形特征[32]。在眾多地質(zhì)影響要素中，煤變質(zhì)程度對煤孔比表面積影響最為顯著，隨著煤變質(zhì)程度升高，煤中內(nèi)生小尺度有效孔裂隙越發(fā)育(特別是微孔和過渡孔發(fā)育更甚)，孔比表面積越大，反之亦然。不同尺度孔隙對比表面積的貢獻(xiàn)程度各不相同，微孔的比表面積是3號煤層孔比表面積的主要貢獻(xiàn)者(占比53.62%～66.04%，平均59.88%)，過渡孔貢獻(xiàn)程度次之(占比31.62%～39.31%，平均35.55 %)，中孔貢獻(xiàn)程度居第三位(占比2.33%～6.79%，平均4.44 %)，因煤中大孔發(fā)育甚少，對比表面積程度甚微(占比0.01%～0.28%，平均0.13 %).

3.4.4 孔隙體積

煤的孔隙體積(或孔容)對煤層氣吸的附能力、吸附量及煤層氣井產(chǎn)能等具有重要影響[33]，是煤孔隙結(jié)構(gòu)特征研究的重要參數(shù)。煤中孔隙形態(tài)多樣、大小不一，孔隙間的連通性差異很大，既有開放型孔(又稱“有效孔隙”)，又有“死孔”(或稱“無效孔隙”)。開放型孔的連通性和滲透性好，吸附質(zhì)可以進(jìn)入孔隙充填，而“死孔”因其不連通，吸附質(zhì)無法進(jìn)入，因而利用吸附實驗測定獲得的煤孔隙體積均為單位質(zhì)量吸附劑(煤)內(nèi)開放型孔內(nèi)吸附的等效氣體(吸附質(zhì))體積[34]。

胡底井田3號煤層為高變質(zhì)無煙煤，煤中孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育，孔隙體積總體較高，顯示了研究煤層具有較好的儲氣煤層氣能力?？紫扼w積一般為0.002 426～0.003 307 cm3/g，平均0.002 930 cm3/g(見表3).受多地質(zhì)要素及煤儲層物性自生屬性等影響[32,35]，樣品間煤孔隙體積存在差異性，具有顯著分異現(xiàn)象。煤中不同尺度孔隙對孔隙體積的貢獻(xiàn)程度不一，過渡孔的孔隙體積所占比例最高，為孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，占比一般為38.44%～53.28%，平均45.63%；微孔的孔隙體積所占比例次之，占比一般為22.35%～35.16%，平均29.52%；中孔的孔隙體積所占比例位居第三位，占比一般為14.18%～21.37%，平均17.95%；大孔因其發(fā)育較少，孔隙體積所占比例僅為2.67%～13.24%，平均6.9%.

表3 胡底井田3號煤孔隙體積

4 結(jié) 語

1) 受多地質(zhì)要素及煤非均質(zhì)特性影響，煤中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、形態(tài)特征、孔徑、比表面積及孔隙體積具有一定差異，并具有顯著的分異現(xiàn)象。

2) 胡底井田3號煤孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形態(tài)多樣，低溫液氮吸附回線表現(xiàn)為兩類特征，顯示不同吸附回線類型的煤樣中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及滲透性不同，煤中孔隙主要為兩端開口的筒狀孔、四面開放狹縫形孔、墨水瓶孔少量及少量一端開口的孔。

3) 不同大小的孔隙發(fā)育程度不一，煤中微孔最為發(fā)育，過渡孔次之，中孔位居第三位，大孔發(fā)育甚微。煤過渡孔和微孔發(fā)育，比表面積和孔隙體積較大，過渡孔和微孔均為比表面積及孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，顯示胡底井田3號煤層具有較強(qiáng)的吸附、儲集煤層氣能力。