張振兵，邱小龍，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 軍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局 一一三地質(zhì)大隊，貴州 六盤水 553001)

沁水盆地寺河煤礦煤巖吸附甲烷規(guī)律實驗研究

張振兵，邱小龍，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 軍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局 一一三地質(zhì)大隊，貴州 六盤水 553001)

煤儲層具有大量的裂隙和孔隙，使煤巖具有很大的比表面積，為煤中甲烷的吸附提供了必要條件。采用自主研發(fā)的煤層氣吸附裝置，通過對沁水盆地寺河煤礦不同粒徑煤粉的吸附性模擬實驗，總結(jié)了不同粒徑煤粉在吸附甲烷12 h內(nèi)的吸附規(guī)律，計算出其中吸附氣量，研究了吸附速率、吸附量的變化規(guī)律。研究認(rèn)為：吸附的前10 min，吸附量占總吸附量的40%～60%，煤粉粒徑越小，所占的比例越大，吸附越快；不同粒徑煤粉的吸附量為15.1～29.1 mL/g，煤粉粒徑越小，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大。通過對煤巖吸附規(guī)律的深入研究，為沁水盆地煤層氣的勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

吸附速率；吸附量；比表面積；煤巖；甲烷；沁水盆地

煤層氣是一種賦存在煤中的非常規(guī)天然氣，開發(fā)和利用煤層氣資源不僅能緩解我國能源緊張的局勢，還能有效地減少瓦斯事故的發(fā)生率，是綠色、安全、清潔的后備能源。煤層氣以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存，其中主要以吸附的狀態(tài)分布在煤巖基質(zhì)中[1-10]。前人在Langmuir理論基礎(chǔ)之上進(jìn)行了大量的甲烷吸附規(guī)律研究[11-16]，但對煤巖中甲烷吸附規(guī)律的深入研究還較少。本文以沁水盆地寺河煤礦煤巖為研究對象，選取不同尺寸的煤巖顆粒為實驗樣品，測試分析了不同尺寸煤巖顆粒的吸附規(guī)律，旨在為煤層氣的勘探、開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 實驗

1.1 樣品及實驗條件

本實驗以沁水盆地寺河煤礦煤巖為研究對象，根據(jù)實驗的要求將煤塊粉碎，對不同尺寸的煤巖顆粒進(jìn)行實驗，實驗樣品編號及基本性質(zhì)見表1。

為了模擬現(xiàn)場實際條件下的甲烷吸附狀態(tài)，實驗采用高純度的甲烷氣體，甲烷吸附壓力為5 MPa，實驗溫度25 ℃，吸附時間12 h。

1.2 實驗設(shè)備及方法

實驗使用的煤巖吸附儀(型號為CBMXF-1)為成都理工大學(xué)自主研發(fā)的實驗裝置，該裝置具有恒溫功能, 能將整個實驗過程中溫度恒定在25 ℃；主要由壓力容器、測試容器、計量容器、回壓閥、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

表1 實驗樣品

實驗方法采用高壓容量法。主要實驗過程包括以下幾個步驟：(1) 首先進(jìn)行氣密性檢測，并進(jìn)行壓力容器罐死體積(自由體積)的確定；(2)開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，啟動恒溫設(shè)備；(3)接通甲烷氣瓶，在5 MPa下吸附甲烷12 h；(4)吸附甲烷后，導(dǎo)出吸附數(shù)據(jù)，打開放空閥將甲烷緩慢排出并點燃，清洗壓力容器。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 吸附速率隨吸附時間的變化規(guī)律

實驗測試了4種不同粒徑的煤粉在相同吸附條件下的吸附速率(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，在吸附的前10 min，煤粉粒徑越小，吸附速率越大，后期煤粉粒徑對煤巖吸附速率影響較小。主要是由于煤粉破碎后，煤巖孔隙空間破壞，煤粉中甲烷的吸附空間減小，因此不同粒徑煤粉后期的吸附速率相差不大。

2.2 不同粒徑煤粉吸附量

通過煤粉吸附量計算，得到不同粒徑煤粉吸附量(表2)。從表2中可以看出，煤粉粒徑越小，煤巖比表面積越大，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大，總體來說不同粒徑煤粉的吸附量在15.1～29.1 mL/g。

分析吸附前10 min的壓力降，計算吸附的前10min的吸附量，統(tǒng)計分析得到吸附前10min的吸附量占總吸附量的40%～60%(圖2)。

圖1 不同粒徑煤粉吸附速率對比

樣品編號吸附初始壓力/MPa吸附12h后壓力/MPa煤粉吸附量/(mL·g-1)J3-15.4464.8415.1J3-25.2184.7625.4J3-35.1174.8526.2J3-45.3264.8929.1

分析最后吸附30 min的壓力變化，計算出了最后30 min內(nèi)吸附量(表3)?？梢钥闯?，粒徑越大，吸附達(dá)到飽和的時間也越長，但是總體上煤巖的吸附主要集中在前10 min，后期吸附較少，可以認(rèn)為煤巖是準(zhǔn)飽和吸附。

2.3 不同比表面積下甲烷吸附速率

煤粉粒徑越小，煤巖中的孔隙和裂隙破壞越多，使煤巖表面裸露的面積增大，比表面積也隨之增大。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了甲烷與不同粒徑煤粉接觸時的吸附速率，隨著比表面積增大，在單位時間內(nèi)，甲烷的吸附速率也增大，且呈指數(shù)關(guān)系變化(圖3)。

3 結(jié)論

(1)通過測試4種不同粒徑的煤粉在相同吸附條件下的吸附速率，實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在吸附的前10 min，煤粉粒徑越小，吸附速率越大，后期煤粉粒徑對煤巖吸附速率影響較小。

圖2 不同粒徑煤粉前10 min的吸附量占總吸附量百分比

樣品編號最后30min吸附容器中的壓力降/MPa最后30min煤粉吸附量/(mL·g-1)最后30min單位質(zhì)量煤粉吸附速率/(mL·g-1·min-1)J3-10.45.680.006J3-20.34.410.005J3-30.23.800.004J3-40.22.910.003

圖3 吸附速率隨比表面積變化規(guī)律

(2)通過吸附壓力降低計算，得到不同粒徑煤粉吸附12 h的單位質(zhì)量甲烷的吸附量為15.1～29.1 mL/g；煤粉粒徑越小，煤巖比表面積越大，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大。

(3)隨著比表面積增大，在單位時間內(nèi)，甲烷的吸附速率也增大，且呈指數(shù)關(guān)系變化。

[1] Stevenson M D,Pinezewski W V,Somers M L,et al.Adsorption/desorption of multicomponent gas mixture at in-seam conditions[R].SPE 23026,199l.

[2] Weishauptova J,Medek J.Bound forms of methane in the porous system of coal[J].Fuel,1998,77(1):71-76.

[3] Seto C,Jessen K.Compositional streamline simulation of field-scale condensate vaporization by gas injection [R].SPE 79690,2003.

[4] 張群,馮三利,楊錫祿,等.試論我國煤層氣的基本儲層特點及開發(fā)策略[J].煤炭學(xué)報,2001,26(3):230-234.

Zhang Qun,Feng Sanli,Yang Xilu,et al.Basic reservoir characteristics and development strategy of coalbed methane resource in China [J].Journal of China Coal Society,2001,26(3):230-234.

[5] 賈建稱.沁水盆地晚古生代含煤沉積體系及其控氣作用[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報,2007,29(4)：374-382.

Jia Jiancheng.Coal Depositional System and Its Controlling Role of Coalbed Methanein Late Paleozonic of Qinshui Basin [J].Journal of Earth Sciences and Environment, 2007,29(4)：374-382.

[6] 王小洪,劉大錳,姚艷斌,等.鄂爾多斯韓城地區(qū)石炭—二疊系含煤沉積體系及其控氣作用[J].石油實驗地質(zhì),2013,35(6):646-650.

Wang Xiaohong,Liu Dameng,Yao Yanbin,et al.Carboniferous-Permian coal-bearing depositional system and its controlling role of coalbed methane in Hancheng area in Ordos Basin.Petroleum Geology & Experiment,2013,35(6):646-650.

[7] 李景明,巢海燕,李小軍,等.中國煤層氣資源特點及開發(fā)對策[J].天然氣工業(yè),2009,29(4):9-13.

Li Jingming,Chao Haiyan,Li Xiaojun,et al.Characteristics of coalbed methane resource and the development strategies[J].Natural Gas Industry,2009,29(4):9-13.

[8] 黃孝波,李賢慶,王萌,等.煤層氣儲層研究進(jìn)展[J].斷塊油氣田,2012,19(3):307-311.

Huang Xiaobo,Li Xianqing,Wang Meng,et al.Research progress in coalbed methane reservoir[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2012,19(3):307-311.

[9] 楊宇,孫晗森,彭小東,等.煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征定量研究[J].特種油氣藏,2013,20(1)：31-33.

Yang Yu,Sun Hansen,Peng Xiaodong,et al.Quantitative study on fractal characteristics of the structure of CBM reservoir[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2012,20(1)：31-33.

[10] 韓穎,張飛燕,余偉凡.煤屑瓦斯全程擴(kuò)散規(guī)律的實驗研究[J].煤炭學(xué)報,2011,36(10):1699-1703.

Han Ying,Zhang Feiyan,Yu Weifan.Experimental study on gas diffusion law from drill cuttings during the whole desorption process [J].Journal of China Coal Society,2011,36(10):1699-1703.

[11] 王懷勐,朱炎銘,李伍,等.煤層氣賦存的兩大地質(zhì)控制因素[J].煤炭學(xué)報,2011,36(7):1129-1134.

Wang Huaimeng,Zhu Yanming,Li Wu,et al.Two major geological control factors of occurrence characteristics of CBM[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7):1129-1134.

[12] 孫仁遠(yuǎn),林李,王寧,等.煤巖吸附性能影響因素評價研究[J].中國煤層氣,2012,9(2):10-12.

Sun Renyuan,Lin Li,Wang Ning,et al.Evaluation of factors influencing adsorption property of coal and rocks [J].China Coalbed Methane,2012,9(2):10-12.

[13] 胡素明,胥珍珍,任維娜,等.對煤儲層基質(zhì)解吸氣擴(kuò)散理論的再探討[J].斷塊油氣田,2012,19(6):771-774.

Hu Suming,Xu Zhenzhen,Ren Weina,et al.Recognition to diffusion theory of desorbed gas in coal matrix[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2012,19(6):771-774.

[14] 張杰,林珊珊,曲永林,等.煤層氣氣驅(qū)吸附及解吸規(guī)律實驗研究[J].特種油氣藏,2012,19(6)：122-125.

Zhang Jie,Lin Shanshan,Qu Yonglin,et al.Experimental study on the regularity of absorption and desorption of coal seam gas[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2012,19(6)：122-125.

[15] 伊向藝,吳紅軍,盧淵,等.不同礦化度水對煤層氣解吸—擴(kuò)散影響的實驗[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013,41(5):33-35.

Yi Xiangyi,Wu Hongjun,Lu Yuan,et al.Experimental study on the effect of salinity on coalbed methane desorption-diffusion[J].Coal Geology & Exploration,2013,41(5):33-35.

[16] 伊向藝,邱小龍,盧淵,等.煤中游離甲烷氣含量的模擬試驗[J].煤田地質(zhì)與勘探,2014,42(1):28-30.

Yi Xiangyi,Qiu Xiaolong,Lu Yuan,et al.Experiment of free methane content in coal[J].Coal Geology & Exploration,2014,42(1):28-30.

(編輯 徐文明)

Experimental study on methane adsorption of coal bed from Sihe Mine in Qinshui Basin

Zhang Zhenbing, Qiu Xiaolong, Yuan Yueqin, Li Xiangfeng, Hao Qi, Wang Jun

(Brigade 113, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration & Development, Liupanshui, Guizhou 553001, China)

Due to abundant racks and pores, coal bed has a huge specific surface area which provides the necessary conditions for the adsorption of methane in coal. A case study was made in the Sihe Mine in the Qinshui Basin. Using the self-developed CBM adsorption experiment instrument, the absorption rules (including rate and amount) within 12 h of methane in coal of different sizes were studied. The absorption amount during the prior 10 minutes accounts for 40%-60% of total absorption amount. Moreover, the smaller the coal particle is, the bigger proportion the small particle accounts for, the faster the methane is absorbed. The adsorption capacities for different coal sizes range from 15.1 to 33.6 mL/g. The smaller the coal particle is, the more methane is absorbed in coal per unit. The study of the adsorption law of coal bed provides technological supports for the exploration and development of the Qinshui Basin.

adsorption rate; adsorption amount; specific surface area; coal; methane; Qinshui Basin

1001-6112(2014)05-0656-03

10.11781/sysydz201405656

2014-01-05；

2014-08-05。

張振兵(1966—)，男，工程師，從事煤田地質(zhì)勘探工作。E-mail: 1240180798@qq.com。

TE132.2

A