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        焦作礦區(qū)無煙煤吸附特征研究及其影響因素分析

        2021-08-31 06:45:04姬玉平張和偉李可心張曉昂
        中國煤炭 2021年8期

        姬玉平,張和偉,李可心,徐 影,張曉昂

        (1.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司,河南省鄭州市,450016;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;3.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心,河南省鄭州市,450016;4. 中石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西省長治市,046000)

        煤層氣是我國最重要的非常規(guī)天然氣資源之一,是一種安全、清潔、開采潛力大的能源[1]。煤層氣是自源型儲層,與常規(guī)儲層相比具有不同的特征[2],煤層氣主要以吸附的方式賦存在孔裂隙表面。一般認為,甲烷在煤表面的吸附符合單分子層吸附理論,其吸附能力可用朗格繆爾(Langmuir)方程進行表征。煤對甲烷的吸附能力受許多因素的影響,包括成熟度(煤級)[3-4]、煤顯微組分[5]、孔結(jié)構(gòu)[6-7]、灰分產(chǎn)率[8]、水分含量[9]、儲層溫度、壓力[10]和地層特征[11]等。研究表明,煤的成熟度在較大程度上直接決定了其對甲烷的吸附能力,并可能掩蓋煤顯微組分的影響[3, 12]。富鏡質(zhì)組煤往往比富惰質(zhì)組煤具有更高的吸附容量,其主要原因是鏡質(zhì)組微孔更為發(fā)育、具有更大的內(nèi)表面積[13-15]。煤的灰分產(chǎn)率與甲烷吸附量呈負相關(guān)關(guān)系[3],進一步反映了影響甲烷儲集能力的關(guān)鍵成分是有機顯微組分。同理,煤的水分含量對甲烷吸附也有負面影響[9, 12, 13, 16],其影響程度與臨界含水率有關(guān),當(dāng)煤中水分含量超過臨界值,對甲烷的吸附能力不會再降低[17]。此外,也有學(xué)者從原子及分子結(jié)構(gòu)的角度,探索了雜原子的含量[18-20]以及氧和氮等基團控制著煤對甲烷的吸附能力[21]。

        焦作礦區(qū)煤級較高,目前對于甲烷吸附性及其與煤質(zhì)的關(guān)系認識不清,制約了焦作礦區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)。針對這一關(guān)鍵問題,通過系統(tǒng)整理與分析數(shù)據(jù),探討其吸附特征及其主控因素,為焦作礦區(qū)煤層氣資源潛力評價提供參考。

        1 地質(zhì)背景

        焦作礦區(qū)位于華北晚古生代聚煤盆地的南部,處于華北板塊板內(nèi)太行構(gòu)造區(qū)太行斷隆的南段。地層由老到新發(fā)育有太古界、下元古界、上元古界震旦系、下古生界寒武系和奧陶系、上古生界石炭系和二疊系、中生界三疊系、新生界。太行斷隆區(qū)總體構(gòu)造以斷塊構(gòu)造為特征,以斷裂構(gòu)造為主要形式。區(qū)內(nèi)地層傾角較小,一般小于20°,發(fā)育NE和NWW向斷裂,多為高角度正斷層,交織成網(wǎng),組合成地塹、地壘、掀斜斷塊和裂陷盆地等構(gòu)造樣式。根據(jù)斷層及位置分布將焦作礦區(qū)從南至北分為3個斷陷,即南部斷陷(盤古寺斷層-鳳凰嶺斷層之間)、中部斷陷(鳳凰嶺斷層-峪河斷層之間)和北部斷陷(峪河斷層-礦區(qū)邊界)。

        2 樣品采集與測試

        樣品來源于焦作礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)示范區(qū)7口井二疊系21煤心樣品。該區(qū)單煤層厚度在3.9~10.37 m之間,煤層埋深介于408.64~1 156.28 m之間。

        為了研究煤的化學(xué)性質(zhì)對甲烷吸附容量的影響,對18個樣品進行了煤巖顯微組分分析、鏡質(zhì)組最大反射率測定、工業(yè)分析、元素分析、全硫含量測定和甲烷等溫吸附試驗。其中煤巖顯微組分、鏡質(zhì)組反射率、工業(yè)分析、元素分析和全硫測定均嚴格按照國家標準執(zhí)行。等溫吸附測試則按照原位溫度確定,分別測試了空氣干燥基、平衡水分基和干燥無灰基條件下煤樣的甲烷吸附量。

        3 煤巖煤質(zhì)及甲烷吸附特征

        樣品工業(yè)分析與元素分析結(jié)果見表1。

        由表1的工業(yè)分析結(jié)果可知,研究區(qū)樣品的水分含量較低,介于0.82%~3.34%之間,平均值為1.57%;灰分含量波動較大,介于7.59%~18.2%之間,平均值為12.22%,屬于中-低灰煤;揮發(fā)分含量介于4.05%~8.26%之間,平均值為5.97%;固定碳含量介于74.54%~85.18%之間,平均值為80.26%。

        由表1的元素分析結(jié)果顯示可知,碳元素含量最高,其次為氧元素,硫元素含量最低;碳元素含量介于77.03%~95.47%之間,平均值為89.68%;氧元素含量介于0.13%~19.21%之間,平均值為6.08%;氫元素含量介于2.38%~3.21%之間,平均值為2.82%;氮元素含量介于0.61%~1.22%之間,平均值為1.01%;硫元素含量介于0.28%~0.41%之間,平均值為0.33%,屬于特低硫煤。

        樣品甲烷等溫吸附結(jié)果見表2。

        表1 樣品工業(yè)分析與元素分析結(jié)果

        表2 樣品甲烷等溫吸附結(jié)果

        由表2可以看出,研究區(qū)樣品的鏡質(zhì)體最大反射率(Ro,max)介于3.40%~4.67%之間,平均值為4.03%,屬于超無煙煤;樣品以有機質(zhì)為主,有機組分含量介于89.4%~99.6%之間,平均值為95.36%;無機組分含量僅占0.4%~10.6%,平均值為4.63%;有機顯微組分中殼質(zhì)組完全不發(fā)育,鏡質(zhì)組含量介于49.9%~88.7%之間,平均值為71.24%;惰質(zhì)組含量介于11.3%~50.1%之間,平均值為27.76%。

        由表2還可以看出,研究區(qū)煤巖樣品吸附能力普遍較高,空氣干燥基蘭氏體積介于33.07~43.62 m3/t之間,平均值為38.84 m3/t;平衡水分基蘭氏體積介于26.68~38.87 m3/t,平均值為33.91 m3/t;蘭氏壓力介于1.87~3.25 MPa,平均值為2.52 MPa,蘭氏壓力相對較低,符合華北整體低蘭氏壓力特征的規(guī)律。

        4 影響煤層氣吸附因素分析

        4.1 煤變質(zhì)程度的影響

        煤鏡質(zhì)體最大反射率與蘭氏體積和蘭氏壓力的關(guān)系如圖1所示。

        圖1 煤鏡質(zhì)體最大反射率與蘭氏體積和蘭氏壓力的關(guān)系

        隨著煤變質(zhì)程度的增加,蘭氏體積呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,約在3.8%達到峰值,與前人認為鏡質(zhì)體最大反射率在3.5%~4.0%之后出現(xiàn)下降趨勢基本吻合[22-25]。究其原因主要是隨著煤級的增高,煤儲層微小孔增多,可供甲烷吸附的表面積大大增加;但煤變質(zhì)程度超過一定臨界值,增碳、脫氫和脫氧作用繼續(xù)增強,煤體更趨向均一化,煤芳香環(huán)定向性迅速增強,逐漸向石墨結(jié)構(gòu)演化,晶格缺陷不斷減少,導(dǎo)致煤微孔開始減少、甲烷吸附能力降低[26]。隨著鏡質(zhì)組反射率增加,蘭氏壓力整體呈上升趨勢,反映了高煤級條件下有利于煤層氣解吸。

        4.2 煤巖石學(xué)組成的影響

        煤的巖石學(xué)組成包括有機顯微組分和無機礦物,就有機顯微組分而言,一般認為殼質(zhì)組的吸附能力最低,鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的吸附能力較強[14, 27]。但煤顯微組分對甲烷吸附容量的影響較為復(fù)雜,單一因素對吸附量的影響不是很明顯。焦作礦區(qū)煤的吸附量與鏡質(zhì)組含量相關(guān)關(guān)系離散,但整體呈正相關(guān)關(guān)系,煤鏡質(zhì)組含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖2所示;隨惰質(zhì)組含量的增加呈遞增趨勢,煤惰質(zhì)組含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖3所示。

        圖2 煤鏡質(zhì)組含量與蘭氏體積的關(guān)系

        圖3 煤惰質(zhì)組含量與蘭氏體積的關(guān)系

        鏡質(zhì)組變質(zhì)孔隙較多,是煤最大吸附量與鏡質(zhì)組呈正相關(guān)的直接原因[28]。在低階煤中,鏡質(zhì)組對甲烷的吸附容量更大,惰質(zhì)組較小;而高煤階煤則相反[29],鏡質(zhì)組含量控制著煤甲烷的最大吸附量,但絲質(zhì)體控制能力更強[30],如沁水盆地寺河煤礦無煙煤甲烷最大吸附量與惰質(zhì)組含量呈正相關(guān),與鏡質(zhì)組含量呈負相關(guān)[31]。產(chǎn)生這些結(jié)果的原因可能與微孔的發(fā)育和分布有關(guān)。此外,水分含量對最大吸附量的負效應(yīng)會覆蓋有機組分的正效應(yīng)[24]。隨著礦物含量的增加,煤吸附量降低,其一是因為礦物的吸附能力很弱或沒有吸附,其二是因為礦物的存在會堵塞孔隙導(dǎo)致煤的有效吸附空間減小,吸附能力減弱。無機組分含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖4所示。

        圖4 無機組分含量與蘭氏體積的關(guān)系

        4.3 煤元素組成的影響

        蘭氏體積隨著煤中碳元素含量的增加而增加,這是因為隨著碳原子的增加,苯環(huán)結(jié)構(gòu)變得更加緊密,微孔之間的距離變小,單個孔的吸附勢能逐漸增大,所有孔的有效吸附位置也相應(yīng)增加[32],因此吸附量增大。碳元素含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖5所示。

        圖5 碳元素含量與蘭氏體積的關(guān)系

        蘭氏體積隨著H/C原子比的增加呈現(xiàn)出增加趨勢,但在27.5℃時吸附量并不遵循正比的規(guī)律。H/C原子比與蘭氏體積的關(guān)系如圖6所示。

        本次研究的18個樣品的氧元素含量遠超平均值,且水分含量相對較大。赫爾格森(Helgeson)等[33]、羅伯特(Roberts)等[34]和達奇(Dacis)等[35]研究專家認為,氫原子主要以甲基或亞甲基的形式存在于芳香族化合物的側(cè)鏈上,并證明了該類化合物對甲烷的吸附能力大于醛、羧基和羥基等含氧官能團的吸附能力。筆者認為是水分和氧元素含量的負效應(yīng)覆蓋或抵消了氫元素的正效應(yīng),導(dǎo)致規(guī)律發(fā)生改變。

        圖6 H/C原子比與蘭氏體積的關(guān)系

        煤中天然氧的含量對其吸附甲烷的能力起主要作用,蘭氏體積隨著O/C原子比增加而降低,氧表面基數(shù)較高的煤疏水性較低,甲烷吸附量較低[36]。隨著O/C原子比的增加,分子的氧基團和極化率增加,多環(huán)芳烴的數(shù)目相應(yīng)減少,這意味著苯環(huán)之間的距離增加[37]。因此,有效吸附孔會降低甲烷的吸附容量。此外,含氧基團會堵塞孔道入口,不利于甲烷等非極性分子的吸附[38-39]。O/C原子比與蘭氏體積的關(guān)系如圖7所示。

        圖7 O/C原子比與蘭氏體積的關(guān)系

        4.4 煤工業(yè)組分含量的影響

        水是極性分子,極性鍵的存在使水分子與煤孔隙或煤中大分子的結(jié)構(gòu)缺陷之間的結(jié)合力更強、更緊密[40]。對于甲烷氣體,水分子優(yōu)先吸附在煤中,并占據(jù)一定的內(nèi)表面積。隨著煤中含水率的增加(不超過臨界含水率),越來越多的水分子被吸附在煤的內(nèi)表面,導(dǎo)致甲烷所占據(jù)的吸附位置減少,甲烷的最大吸附量降低;當(dāng)含水率超過臨界含水率時,甲烷的最大吸附量降低,甲烷的最大吸附量不再受含水率變化的影響。由于煤樣含水率小于臨界含水率,因此蘭氏體積隨含水率的增加而減小。平衡水分含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖8所示。

        圖8 平衡水分含量與蘭氏體積的關(guān)系

        隨著固定碳含量的增加,蘭氏體積呈上升趨勢,且相關(guān)性較強,固定碳含量與蘭氏體積的關(guān)系如圖9所示。

        圖9 固定碳含量與蘭氏體積的關(guān)系

        隨著灰分產(chǎn)率的增加,蘭氏體積呈線性下降,說明煤中的灰分起到了簡單的稀釋劑作用[3],填充了孔隙[25, 41],從而減小了甲烷的有效儲存空間。拉克西米(Laxmi)和克羅斯戴爾(Crossdale)[3]得出結(jié)論,當(dāng)灰分含量極高時,煤對甲烷的吸附容量變得非常小。這一間接關(guān)系可以預(yù)測甲烷傾向于吸附在煤的孔隙表面,而不是吸附在無機物的孔隙表面?;曳之a(chǎn)率與蘭氏體積的關(guān)系如圖10所示。

        圖10 灰分產(chǎn)率與蘭氏體積的關(guān)系

        揮發(fā)分產(chǎn)率與蘭氏體積呈負相關(guān)關(guān)系,即甲烷吸附容量隨揮發(fā)分產(chǎn)率的增加而降低。揮發(fā)分主要來自煤中具有大分子結(jié)構(gòu)的小分子官能團和側(cè)鏈的熱解產(chǎn)物,其余為固定碳[32]。通過對煤樣的工業(yè)分析發(fā)現(xiàn),揮發(fā)分產(chǎn)率和固定碳含量之間存在著矛盾關(guān)系,即蘭氏體積和揮發(fā)分產(chǎn)率之間的關(guān)系與蘭氏體積和固定碳含量之間的關(guān)系正好相反。揮發(fā)分產(chǎn)率與蘭氏體積的關(guān)系如圖11所示。

        圖11 揮發(fā)分產(chǎn)率與蘭氏體積的關(guān)系

        4.5 主控因素分析

        為進一步分析影響無煙煤最大吸附量的主控因素,對上述影響因素進行了皮爾遜(Pearson)相關(guān)性檢驗[42]。結(jié)果顯示,在0.01級別相關(guān)性最顯著的因素從強到弱依次為:固定碳含量、水分含量、灰分含量以及碳元素含量,相關(guān)性均大于0.7。通過對上述相關(guān)性較強的影響因素進行多元線性回歸分析發(fā)現(xiàn),固定碳含量和水分含量與最大吸附量相關(guān)顯著性最強。因此,認為固定碳含量與水分含量是無煙煤最大吸附量的主控因素。

        5 結(jié)論

        本研究通過一系列試驗研究了無煙煤甲烷吸附性影響因素,對煤層氣開發(fā)有利區(qū)選取具有指導(dǎo)意義。

        (1)蘭氏體積與鏡質(zhì)組或惰質(zhì)組含量之間沒有統(tǒng)一的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系。富含鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的煤有相似的蘭氏體積。此外,無機礦物含量與蘭氏體積呈弱負相關(guān)。

        (2)蘭氏體積與碳元素含量、H/C原子比呈正相關(guān),與O/C原子比呈負相關(guān)。這些關(guān)系的關(guān)聯(lián)式和相關(guān)系數(shù)表明,元素間的碳、氧含量是影響甲烷吸附容量的主要因素。

        (3)工業(yè)分析參數(shù)(水分、灰分、固定碳和揮發(fā)分)對甲烷吸附量的影響表明,水分、灰分和揮發(fā)分對甲烷吸附量有負影響,固定碳含量與甲烷吸附量有很好的正相關(guān)關(guān)系。對這些工業(yè)分析參數(shù)的主成分回歸分析表明,灰分含量和固定碳含量是影響甲烷吸附的重要控制因素。

        (4)分析表明,固定碳含量與水分含量是影響甲烷吸附量的重要因素。煤層氣開發(fā)有利區(qū)選取應(yīng)當(dāng)選擇甲烷吸附量大的地區(qū),即選擇含有高固定碳含量、低水分含量的地區(qū)。

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