張飛燕 程 偉 季 璐 熊 斌 周國文

(中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院,江蘇 210011)

煤儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的容納能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自身基質(zhì)孔隙和裂隙體積,所以與天然氣常規(guī)儲(chǔ)層相比,煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)是煤層氣以溶解態(tài)、游離態(tài)和吸附態(tài)三種形式儲(chǔ)集在煤儲(chǔ)層中,其中以吸附態(tài)為主;吸附性起源于煤的有機(jī)固體格架。因此,煤的巖石學(xué)組成與煤儲(chǔ)層物理學(xué)特性密切相關(guān),兩者綜合作用,對(duì)煤層氣的賦存特征以及開采地質(zhì)條件產(chǎn)生顯著影響。煤的吸附性能決定了煤的儲(chǔ)集能力,同時(shí)由于煤層氣的產(chǎn)出是一個(gè)降壓解吸的過程,煤的吸附性能對(duì)煤層氣的開采也起至關(guān)重要的作用。而煤對(duì)CH4的吸附能力,除受煤的物質(zhì)組成、變質(zhì)程度等自身特性的影響外,還受許多外部因素如煤的水分、溫度、顆粒大小等的影響。

研究實(shí)驗(yàn)樣品采自鄂爾多斯盆地延川南地區(qū)、沁水盆地和順地區(qū)以及南方織金地區(qū)。本文將應(yīng)用這些實(shí)驗(yàn)樣品所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合煤巖的其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從煤巖顯微組分對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響展開分析。

1 煤階對(duì)吸附能力的影響

通過實(shí)驗(yàn),筆者認(rèn)為中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質(zhì)組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對(duì)甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的,只是在鏡質(zhì)組反射率超過4.2%時(shí),蘭氏體積隨著煤化程度的加深而下降。

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

對(duì)所采煤樣進(jìn)行了一系列室內(nèi)分析,包括等溫吸附實(shí)驗(yàn)、鏡質(zhì)體反射率測(cè)定及顯微組分定量統(tǒng)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)的條件包括：

(1)利用IS0-200型等溫吸附儀對(duì)各煤樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)。吸附實(shí)驗(yàn)條件為：最大平衡吸附壓力不高于20MPa;實(shí)驗(yàn)溫度29～35℃;吸附氣體為濃度99.999%的CH4,先對(duì)各煤樣進(jìn)行水分平衡。

(2)使用顯微光度計(jì)—MPV-SP按SY/T5124-1995標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各煤樣進(jìn)行分析。檢測(cè)條件是：油浸50倍物鏡,測(cè)得隨機(jī)反射率Ro(%);油浸32倍物鏡,0.5mm×0.5mm的點(diǎn)距、行距,測(cè)點(diǎn)數(shù)達(dá)500有效點(diǎn),統(tǒng)計(jì)煤巖顯微組分;檢測(cè)室溫度：23℃±2℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 各煤樣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果及顯微組分統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

1.3 煤階對(duì)吸附能力的影響

煤的變質(zhì)程度直接影響著煤的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,并嚴(yán)重制約著煤的吸附能力。由圖1可知,中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質(zhì)組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對(duì)甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的,只是在鏡質(zhì)組反射率超過4.2%時(shí)蘭氏體積隨著煤化程度的加深而下降 (此處數(shù)據(jù)量有限只存在一個(gè)趨勢(shì)),這與張新民等的研究發(fā)現(xiàn)具有相似性。即鏡質(zhì)體反射率在1.2%～4.0%的范圍內(nèi),煤的吸附量隨煤化程度增加而增加。因?yàn)殓R質(zhì)組反射率大于4.2%的煤樣數(shù)據(jù)只有2個(gè),所以下面在分析煤巖顯微組分對(duì)吸附能力的影響時(shí),對(duì)于實(shí)驗(yàn)所得以上數(shù)據(jù)可以進(jìn)行統(tǒng)一分析。

2 煤巖顯微組分組成與煤儲(chǔ)層吸附性

一般來講,對(duì)甲烷吸附能力最強(qiáng)的是鏡質(zhì)組,其次為惰質(zhì)組,殼質(zhì)組最低;對(duì)于不同煤階的煤來說,鏡質(zhì)組含量多的鏡煤要比惰質(zhì)組或穩(wěn)定組含量相對(duì)較多的暗煤的吸附能力強(qiáng)。剔除水分及灰分對(duì)其吸附性所產(chǎn)生的影響,利用干燥無灰基的蘭氏體積對(duì)顯微組分與煤儲(chǔ)層吸附性進(jìn)行分析。

煤儲(chǔ)層吸附性能與煤巖顯微組分組成之間雖然離散性較大,但仍顯現(xiàn)出確定的分布趨勢(shì)。鏡質(zhì)組含量與蘭氏體積之間總體正相關(guān),但這種關(guān)系并非是連續(xù)漸變的,而是極限吸附量在鏡質(zhì)組臨界含量處發(fā)生量上的顯著變異 (圖2)。

圖2 煤的蘭氏體積 (干燥無灰基)與鏡質(zhì)組含量的關(guān)系圖

圖3 煤的蘭氏體積 (干燥無灰基)與惰質(zhì)組含量的關(guān)系圖

在Ro＞2%的煤儲(chǔ)層中,鏡質(zhì)組臨界含量約在70%左右。低于這一臨界值,無論鏡質(zhì)組含量高低如何,極限吸附量均小于40m3/t,離散性相對(duì)較小。反之,極限吸附量突然躍升,離散性突然增大,最大值可達(dá)43.35m3/t。鏡質(zhì)組臨界含量之后最大極限吸附量隨鏡質(zhì)組含量增高而變大的趨勢(shì)漸趨明顯。通過對(duì)極限吸附量與顯微組分含量之間關(guān)系的分析,可以對(duì)煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。從圖中可以明顯看出當(dāng)鏡質(zhì)組含量降低時(shí),蘭氏體積普遍大于30m3/t,這充分顯示在三個(gè)研究區(qū)中,含氣飽和度不是太低的情況下,鏡質(zhì)組含量的高低不影響煤層氣的開采價(jià)值。

在Ro＞2.0%的階段,惰質(zhì)組含量增高,極限吸附量呈現(xiàn)為降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)惰質(zhì)組含量大于30%時(shí),煤樣的蘭氏體積仍大于30m3/t,表現(xiàn)為較高的吸附能力 (圖3)。這部分煤樣變質(zhì)程度較高,最大鏡質(zhì)組反射率在2.5%～4%之間,煤中的微裂隙較多,比表面積較大,煤的吸附能力大。和順地區(qū)的煤樣中以寬度小于5μm且長度大于300μm而小于1mm的時(shí)斷時(shí)續(xù)的裂隙和長度小于等于300μm的短裂隙為主 (備注：在熒光顯微鏡下觀察能清晰地辨認(rèn)各類型裂隙。在50倍的熒光顯微鏡下將30mm×30mm的煤巖光片劃分成10mm×10mm的9個(gè)微區(qū),分別將每個(gè)微區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的裂隙按4個(gè)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得);南方地區(qū)暗煤內(nèi)生裂隙發(fā)育且無充填物。另外,煤樣惰質(zhì)組主要是以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主,絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體中多保存了植物組織孔隙,這些孔隙在不被礦物質(zhì)充填的情況下,有利于甲烷的吸附。

另外,殼質(zhì)組含量增高,極限吸附量總體上降低,但離散性極大,這與腐植煤中殼質(zhì)組含量一般較低的狀況有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質(zhì)組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對(duì)甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的。

(2)在三個(gè)研究區(qū)Ro＞2%的煤儲(chǔ)層中,蘭氏體積普遍大于30m3/t,在含氣飽和度不是太低的情況下,鏡質(zhì)組含量的高低不影響煤層氣的開采價(jià)值。

(3)惰質(zhì)組中不同顯微組分極限吸附量存在差異會(huì)影響煤樣整體對(duì)甲烷的吸附能力。煤中大量微裂隙、微孔和微溶孔的存在可能是惰質(zhì)組含量超過30%的煤樣蘭氏體積的主要原因。

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