李丹丹
(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
煤是一種復(fù)雜多孔性固體,自身高含有機(jī)質(zhì),富含微孔和大孔等特性決定煤巖對甲烷具有極強(qiáng)吸附性。煤層氣主要成分是甲烷,主要分布形式有三種,吸附氣、游離氣以及溶解氣,其中憑借煤巖吸附特性吸附于煤巖表面的吸附氣占總量70%~95%,煤的吸附性決定了煤層含氣量[1]。煤層氣實際開發(fā)效果表明不同煤階煤吸附甲烷特性不同。唐巨鵬等[2]認(rèn)為從中煤階煙煤到高煤階無煙煤,煤變質(zhì)程度越高,煤巖對甲烷分子的吸附性加強(qiáng),含氣量不斷增加;邊強(qiáng)等[3]通過解吸實驗發(fā)現(xiàn)沁水盆地高階煤吸附量隨溫度與含水率升高而降低,且?guī)r孔裂隙越發(fā)育,含水率與溫度對吸附性影響越大;張娜等[4]通過對新疆主要煤田低煤階煤吸附特征研究發(fā)現(xiàn),伴隨著煤巖煤階的增長,蘭氏體積隨煤階增加,而蘭氏壓力降低。當(dāng)然,影響煤吸附特性的還有其他眾多因素,如煤巖組成、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度、煤的分子結(jié)構(gòu)、水分、灰分及揮發(fā)分等[5-8]。
王攀[9]利用MIV方法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對影響含氣量的因子權(quán)重進(jìn)行分析,得出鏡質(zhì)組含量和等溫吸附時間對氣含量影響最大,其次是惰質(zhì)組含量,其他儲層參數(shù)影響程度較小。煤儲層的非均質(zhì)性,致使含氣量分布的非均質(zhì)性,因此同一煤層各深度的含氣量不同。在實際工作中,因為樣品本身或其他客觀問題,所取煤樣并不能均開展吸附性測試,那么如何在未準(zhǔn)確獲取其蘭氏常數(shù)時,有效評價整個儲層含氣性?煤的工業(yè)分析參數(shù)(水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳)是煤及煤層氣儲層評價的基礎(chǔ)參數(shù),是煤層氣基礎(chǔ)測試項目。本文通過對六個區(qū)域多個礦區(qū)、不同煤階的252組煤巖蘭氏常數(shù)與其工業(yè)分析參數(shù)關(guān)系開展分析,力圖找出它們之間的關(guān)系,從而為多區(qū)域預(yù)測煤層氣參數(shù)以及評價儲層提供數(shù)據(jù)支持。
樣品主要來自山西、貴州、安徽、天津、云南和陜西六個區(qū)域的252組不同煤階的煤,按照煤巖反射率劃分煤階[10],其中Ro≥1.9%為高煤階(貧煤、無煙煤),Ro≤0.7%為低煤階(褐煤、長焰煤),介于0.7%~1.9%為中煤階(氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤)。各區(qū)域煤的工業(yè)分析參數(shù)范圍與煤階劃分如表1所示。所有煤樣按照GB/T 474制備成60~80目顆粒以備后用。
將制備的煤樣稱取100 g左右,參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)到平衡水分的煤樣裝入樣品缸,用TerraTek ISO-300型等溫吸附儀對252組煤樣進(jìn)行等溫吸附實驗,實驗裝置如圖1所示,整個過程按照《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB/T 19560-2008)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,吸附質(zhì)為甲烷(純度99.99%),實驗?zāi)M煤樣各自的儲層溫度,從18~45 ℃不等,實驗過程中保持溫度恒定,設(shè)計最高壓力8 MPa,壓力測試點(diǎn)6個,每個壓力點(diǎn)平衡時間不少于12 h,試驗過程中,計算機(jī)自動采集樣品缸和參考缸內(nèi)的時間、壓力、溫度等時間數(shù)據(jù),試驗結(jié)束后,根據(jù)蘭氏單分子層理論,計算出表征煤吸附甲烷氣體特征的蘭氏常數(shù),其中,蘭氏方程表達(dá)式為:
V=VLp/(pL+p)
式中:V為吸附量,cm3/g;p為壓力,MPa;VL為蘭氏體積,cm3/g;pL為蘭氏壓力,MPa。
圖1 實驗裝置示意
表1 煤的工業(yè)分析參數(shù)與煤階
根據(jù)水在煤中形式,可分為:外在水分、內(nèi)在水分、結(jié)晶水和化合水,其中,煤樣內(nèi)在水分Mad與VL和pL的關(guān)系如圖2、圖3所示。
圖2 Mad與VL的關(guān)系
圖3 Mad與pL的關(guān)系
從圖中可以看出低煤階煤樣水分含量高,VL小,且維持在同一個水平;隨著水分含量降低,中煤階煤樣VL呈現(xiàn)急劇增加趨勢;隨著水分含量增加,高煤階煤樣VL呈增加趨勢;隨著水分含量增加,各煤階pL均呈增大趨勢。煤巖中的水分對不同煤化程度煤吸附甲烷影響程度不同。低煤階煤分子結(jié)構(gòu)含有大量羥基和羧基官能團(tuán),煤親水而疏甲烷,水分會占據(jù)煤中可吸附甲烷氣體的有機(jī)物位置,致使吸附甲烷能力弱,蘭氏體積小;中煤階煤分子結(jié)構(gòu)側(cè)鏈極性官能團(tuán)減少,對水的吸附能力減弱,煤中水分含量不斷減小,吸附甲烷能力增加,蘭氏體積增大;隨著煤級進(jìn)一步增高,孔隙中的液態(tài)烴開始裂解并逐漸消失,微孔、微裂隙增加,吸附水分量又開始增加,吸附量增大[6]。由此可見,煤中水分對低、中煤階煤巖吸附具有制約作用,而高煤階煤巖轉(zhuǎn)為正向影響。水分含量高,蘭氏壓力大,表明水分能更好地促進(jìn)煤內(nèi)表面氣體解吸。
煤的灰分幾乎是煤中礦物質(zhì)完全燃燒的產(chǎn)物。灰分與蘭氏體積、蘭氏壓力的相關(guān)關(guān)系如圖4、圖5所示,低煤階煤巖灰分產(chǎn)率相對較小,VL受灰分產(chǎn)率影響不明顯;整體上隨灰分產(chǎn)率增加,中、高煤階煤樣VL呈減小趨勢,pL呈離散狀態(tài)。
圖4 Ad與VL的關(guān)系
煤中礦物質(zhì)通常以顆粒分散于煤基質(zhì),或以夾層形式存在,沒有吸附氣體能力,夾層存在會擠占煤中吸附甲烷氣體有機(jī)質(zhì)位置,顆粒存在會堵塞微孔隙,而微孔則通常被認(rèn)為是構(gòu)成煤主要吸附空間[11],兩種形式均會降低煤層吸附能力,且實驗結(jié)果表明,灰分存在對活性炭性能極不利[12]。由此可知,煤中礦物質(zhì)對煤吸附甲烷氣體具有一定的抑制作用。
圖5 Ad與pL的關(guān)系
煤的揮發(fā)分是煤中有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)物[13],即只與有機(jī)質(zhì)特性相關(guān)。圖6、7是揮發(fā)分產(chǎn)率與蘭氏體積、蘭氏壓力關(guān)系,從圖中可以看出,從高煤階到低煤級,揮發(fā)分產(chǎn)率增大,蘭氏體積VL呈現(xiàn)臺階式變化,其中,高煤階VL隨著揮發(fā)分的增加呈斷崖式下降;低、中煤階煤VL受揮發(fā)分產(chǎn)率影響不明顯;低、中煤階pL隨著揮發(fā)分產(chǎn)率增加而增加,高煤階pL隨著揮發(fā)分增加而減小。
圖6 Vdaf與VL的關(guān)系
圖7 Vdaf與pL的關(guān)系
揮發(fā)分與煤變質(zhì)程度有關(guān),隨著變質(zhì)程度增加,揮發(fā)分產(chǎn)率減小,吸附量增加,蘭氏體積變大。在高煤階階段,納米級熱成孔的大量生成使得微孔體積占總孔容的比例隨著煤階的升高不斷增大,BET比表面積隨微孔體積增大呈線性增加趨勢[14]。據(jù)此推斷,與低、中煤階煤巖相比,高煤階煤巖微孔體積以及比表面的變化,導(dǎo)致煤吸附甲烷以及煤內(nèi)表面氣體解吸發(fā)生了變化。
固定碳是測定揮發(fā)分時,剩下的不揮發(fā)物減去灰分,是煤中有機(jī)質(zhì)分解殘余物。圖8、9是固定碳與蘭氏體積、蘭氏壓力關(guān)系,從圖中可以看出,低、中、高煤階,隨著固定碳增加,蘭氏體積VL呈現(xiàn)增大趨勢,且同一水平下固定碳含量,不同煤階吸附能力存在明顯差異;pL與各煤階煤的固定碳呈離散狀態(tài)。
固定碳也是反映煤化程度的一種有效指標(biāo),隨著變質(zhì)程度增加,固定碳增大,吸附量增加,蘭氏體積變大。
圖8 FCad與VL的關(guān)系
圖9 FCad與pL的關(guān)系
蘭氏常數(shù)與煤的工業(yè)分析參數(shù)關(guān)系顯示,不同煤階煤巖蘭氏體積變化具有明顯的階梯性,差異明顯,且揮發(fā)分產(chǎn)率和固定碳含量反映了煤的變質(zhì)程度,由此推斷,煤階控制煤吸附能力,這與眾多學(xué)者的研究結(jié)論是一致的。同時,不同煤階煤巖蘭氏常數(shù)對工業(yè)分析參數(shù)敏感程度不同,整體而言,高煤階煤巖對煤的工業(yè)分析參數(shù)的敏感程度高于中煤階,低煤階敏感度最低。
揮發(fā)分產(chǎn)率數(shù)值變化在不同煤階之間界限明顯,對蘭氏常數(shù)影響顯著;水分含量變化在低煤階與中、高煤階之間分布界限明顯,對蘭氏常數(shù)影響顯著;固定碳含量變化在不同煤階之間具有一定重疊性,對蘭氏體積影響顯著,對蘭氏壓力無明顯影響;灰分產(chǎn)率數(shù)值變化在不同煤階中從低到高均有分布,對高、中煤階蘭氏體積有一定影響,對蘭氏壓力無明顯影響。因此,依據(jù)揮發(fā)分產(chǎn)率、水分、固定碳和灰分產(chǎn)率與蘭氏常數(shù)之間的關(guān)系,可對未進(jìn)行吸附測試層位的蘭氏常數(shù)做預(yù)估,同時,也可對比相同煤階煤巖之間的測試結(jié)果,這對分析不同區(qū)域不同礦區(qū)煤的吸附性具有一定的意義。
1) 低、中、高煤階的蘭氏體積、蘭氏壓力之間存在規(guī)律性變化特征,不同煤階煤樣吸附能力差異性明顯,煤階是控制煤層吸附性的主控因素。
2) 不同煤階煤巖吸附性與煤的工業(yè)分析參數(shù)相關(guān)性差異較大,低煤階煤巖蘭氏體積、蘭氏壓力與煤的工業(yè)分析參數(shù)變化不顯著,整體表現(xiàn)為蘭氏體積小,蘭氏壓力大的特點(diǎn);中煤階煤巖蘭氏體積隨著水分減小、固定碳增加而增加,蘭氏壓力隨著水分、揮發(fā)分產(chǎn)率增大而增大;高煤階煤巖蘭氏體積隨著水分、固定碳增加而增加,隨著揮發(fā)分產(chǎn)率增加而減小,蘭氏壓力隨著水分增加而增加,隨著揮發(fā)分產(chǎn)率增加而減小。