高階煤吸附能力與其微觀組分含量關(guān)系探究
——以沁水盆地F區(qū)塊3#煤層為例

劉廣景 陳彥麗 胡 皓 孔 鵬 韓 媛 張 杰 常豐琛

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)支持中心

0 引言

煤是由有機(jī)組分和少量無機(jī)礦物組成的多孔型非均質(zhì)混合體，具有復(fù)雜的微觀孔裂隙體系[1]。微觀孔裂隙表面積大，對甲烷吸附性強(qiáng)，煤層的含氣量往往較高，反之煤層含氣量則比較低。煤層的微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)特征主要與煤層的微觀組分和熱演化過程有關(guān)，研究煤層微觀組分與對煤層氣吸附能力的關(guān)系，對探索煤層氣的富集機(jī)理，研究煤層氣的產(chǎn)出特點(diǎn)，預(yù)測煤層氣井產(chǎn)能及采收率有著重要意義[2-10]。前人關(guān)于高煤階煤巖組分對煤層氣吸附性能的研究比較多，主要觀點(diǎn)分為3大類[7，11-14]：①煤巖的微觀組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，其中鏡質(zhì)組微孔更為發(fā)育，具有更大的內(nèi)表面積，因此富鏡質(zhì)組煤往往比富惰質(zhì)組煤具有更高的吸附性；②高階煤中鏡質(zhì)組多以均質(zhì)鏡質(zhì)體形式存在，凝膠化作用明顯，儲(chǔ)集空間減小，煤巖對甲烷吸附性和鏡質(zhì)組含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；③煤巖的吸附性與鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量沒有相關(guān)性，隨著鏡質(zhì)體反射率的增加，煤巖對甲烷的吸附能力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)Ro在3.8%左右時(shí)，煤巖對甲烷的吸附能力達(dá)到最大值。前人對高階煤各類微觀組分對煤層氣吸附性能的研究主要圍繞一類或幾類微觀組分來開展，沒有考慮到煤巖對煤層氣的吸附性能受煤層埋藏史、熱演化史、煤巖煤質(zhì)特征、微觀組分、樣品粒度和試驗(yàn)溫度等多種因素的影響，導(dǎo)致獲得的結(jié)論截然相反。為了將非實(shí)驗(yàn)因素干擾降到最低，筆者選取了17個(gè)來自同一構(gòu)造帶不同礦區(qū)的煤樣，其埋深、厚度、地層壓力、熱演化程度相似，測試其工業(yè)組分、微觀組成、含氣量、等溫吸附特征，分析了煤巖組分與含氣量和吸附性之間的關(guān)系。

1 樣品采集與測試

樣品來自于沁水盆地F區(qū)塊的同一構(gòu)造帶上的9口3#煤井，煤層埋深483～551 m，厚度5.7～7.8 m，鏡質(zhì)體反射率3.121%～3.329%，地層壓力3.08～3.83 MPa、地層溫度24.2～27.3℃（表1）。構(gòu)造位置、煤層埋深、地層溫度、儲(chǔ)層壓力及熱演化程度方向的相似性，減小了煤層所處的原始地層環(huán)境對測試結(jié)果的干擾。

表1 測試樣品采樣地層環(huán)境基本信息表

為了研究煤巖各類組分對煤層氣吸附的能力，本次研究對17個(gè)煤巖樣品進(jìn)行了工業(yè)組分測試、顯微組分分析、含氣量測試和等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究。工業(yè)組分測試采用5E-MAG6700煤巖工業(yè)分析儀，按照國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 30732-2014《煤的工業(yè)分析方法儀器》執(zhí)行；煤樣顯微組分和鏡質(zhì)體反射率測試采用顯微鏡 DM4P和顯微分光光度計(jì) CRAIC 508PV，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 8899-2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》和GB/T 6948-2008 《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》執(zhí)行；含氣量測試采用煤層氣氣含量測定儀FCG-O74，執(zhí)行GB/T 19559-2008《煤層氣含量測定方法》；等溫吸附實(shí)驗(yàn)采用磁懸浮天平重量法高壓等溫吸附儀FCG-033，執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》，測試溫度和原始地層溫度一致。

2 樣品煤巖組分特征

煤巖樣品分析化驗(yàn)的工業(yè)組分、顯微組分、含氣性、蘭氏體積、鏡質(zhì)體反射率見表2。

本次研究所選樣品水分含量介于1.71%～2.67%，平均2.097%；灰分含量波動(dòng)比較大，介于9.00%～21.82%，平均15.02%；揮發(fā)分介于7.69%～20.33%，平均14.32%；固定碳含量介于57.45%～80.05%，平均68.56%。整體來看本次所選樣品來自于低水分、低灰分煤層。

煤巖樣品微觀組分分為有機(jī)組分和無機(jī)組分兩大類，有機(jī)組分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主；無機(jī)組分為黏土類礦物、硫化鐵類礦物、碳酸鹽巖類礦物及氧化硅類礦物，以黏土類礦物為主，碳酸鹽巖類礦物次之，氧化硅類礦物和硫化鐵類礦物含量相對較少。有機(jī)組分中鏡質(zhì)組占比61.46%～71.97%，平均67.55%；惰質(zhì)組占比10.03%～31.23%，平均20.69%。無機(jī)組分中黏土類礦物含量為2.1%～16.8%，平均7.5%；碳酸鹽巖礦物含量介于0～9.8%，平均3.31%；硫化鐵類礦物含量0～2.5%，平均0.47%；硫化鐵類礦物含量0～1.8%，平均0.55%。樣品鏡質(zhì)體反射率3.09%～3.381%，平均3.23%；含氣量9.14%～18.49%，平均13.66%；蘭氏體積23.5～41.6 m3/t，平均32.39 m3/t。

3 煤巖組分與含氣性

3.1 工業(yè)組分與含氣性

首先對工業(yè)組分與煤層含氣性進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果表明，煤巖含氣性與工業(yè)水分含量沒有明顯的相關(guān)性，與工業(yè)灰分含量及揮發(fā)分含量呈負(fù)相關(guān)性，與固定碳含量呈明顯的正相關(guān)性（圖 1）。

圖1 工業(yè)組分含量與煤巖含氣性相關(guān)性圖

這是由于：①本次選取樣品水分含量較低，且含量分布相對集中，對煤層的含氣性起不到?jīng)Q定性作用；②本區(qū)3#煤中灰分的成分主要由碳酸鹽巖礦物、黏土礦物、Fe2S3、SiO2等無機(jī)組分構(gòu)成，這些礦物對甲烷不具吸附性，反而對煤巖起到了簡單的稀釋劑作用，填充了孔隙、裂隙，減小了甲烷有效儲(chǔ)集空間，降低了整體吸附性能[10,15-17]；③揮發(fā)分主要為煤中大分子結(jié)構(gòu)的小分子官能團(tuán)和側(cè)鏈的熱解產(chǎn)物，這些有機(jī)物在煤層中的吸附性強(qiáng)于甲烷，占據(jù)了一部分甲烷吸附空間，導(dǎo)致甲烷吸附量減小[18-20]；④固定碳含量增多，煤巖微孔孔容和比表面積隨之增大，對甲烷吸附能力增強(qiáng)[21]。

3.2 微觀組分與含氣性

由前面分析得出，煤層主要依靠固定碳吸附甲烷，固定碳含量與煤層含氣性具有明顯的正相關(guān)性。經(jīng)過對煤巖微觀組分的觀測鑒定，本次所選樣品中的固定碳微觀組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，分析兩種微觀組分和煤層含氣性之間的關(guān)系，結(jié)果表明：①作為有機(jī)組分中主要成分的鏡質(zhì)組與煤巖含氣性沒有明顯的相關(guān)性；②惰質(zhì)組含量與煤層含氣性具有比較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.9115（圖 2）。

4 微觀組分與吸附能力

蘭氏體積是Langmuir方程中描述煤巖對甲烷吸附能力的常數(shù)，其物理意義是在一定的溫度條件下單位質(zhì)量煤樣飽和吸附甲烷氣體的體積。蘭氏體積能很好地反應(yīng)煤巖的吸附能力，筆者通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Langmuir方程獲得了所取17個(gè)煤巖樣品的蘭氏體積，然后研究蘭氏體積與煤巖微觀組分之間的關(guān)系，獲得了不同組分和煤層吸附能力之間的關(guān)系。

對比煤巖中有機(jī)組分和無機(jī)組分與煤巖蘭氏體積之間的關(guān)系，表明蘭氏體積與有機(jī)組分含量呈正比，與無機(jī)組分含量呈反比（圖3）。即高階煤對甲烷的吸附能力主要依賴有機(jī)組分，無機(jī)組分對甲烷沒有吸附性，無機(jī)組分含量越煤層吸附甲烷能力越弱；這點(diǎn)與煤層含氣量和固定碳含量呈正比、和灰分含量呈反比一致。

圖3 微觀組分含量與蘭氏體積相關(guān)性圖

分析有機(jī)組分中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組與蘭氏體積之間的相關(guān)性，鏡質(zhì)組與蘭氏體積相關(guān)性不明顯，惰質(zhì)組含量與蘭氏體積之間具有較好的相關(guān)性，即相比于鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組對甲烷氣體有著更強(qiáng)的吸附性（圖4）。惰質(zhì)組主要由絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體兩類亞組分組成，絲質(zhì)體具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，且其細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較好，半絲質(zhì)體細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存相對較差。高階煤中絲質(zhì)體含量明顯高于半絲質(zhì)體，絲質(zhì)體中胞腔保存較多，對甲烷的吸附性能增強(qiáng)，因此高階煤中惰質(zhì)組含量與其對甲烷的吸附性呈正比[7]。即在相同的條件下高階煤中惰質(zhì)組含量越高，其對甲烷的吸附能力越強(qiáng)，煤層含氣量也往往越好，惰質(zhì)組含量與煤層含氣量呈正比。

圖4 有機(jī)組分含量與蘭氏體積相關(guān)性圖

5 結(jié)論

1）F區(qū)塊3#煤的含氣量與工業(yè)組分中的水分含量相關(guān)性不明顯，與灰分、揮發(fā)分含量呈反比，與固定碳含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

2）所選樣品煤巖有機(jī)組分中的鏡質(zhì)組含量與煤層含氣性沒有明顯相關(guān)性，惰質(zhì)組含量與煤層含氣性有著較強(qiáng)的正比關(guān)系。

3）分析煤巖有機(jī)組分含量與其蘭氏體積之間的關(guān)系，表明高階煤中的鏡質(zhì)組對甲烷吸附能力相對較弱，惰質(zhì)組對甲烷吸附能力較強(qiáng)，因此相同的地質(zhì)條件下惰質(zhì)組含量越高的高階煤其含氣量也往往越好。

4）高階煤中鏡質(zhì)組多以均質(zhì)鏡質(zhì)體形式存在，凝膠化作用明顯，儲(chǔ)集空間減小，煤巖對甲烷吸附性和鏡質(zhì)組含量相關(guān)性不大；惰質(zhì)組組分多為絲質(zhì)體，保存了較多的細(xì)胞胞腔，對甲烷的吸附性能增強(qiáng)。