武杰

[摘要]為研究不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性能，采用不同粒徑的煤樣模擬了不同煤體結(jié)構(gòu)煤，并對其進行了等溫吸附實驗，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒徑最小的60-80目煤樣的吸附量最大，粒徑最大的13-25mm煤樣的吸附量最小，并且吸附量隨著粒徑的增大逐漸減小的規(guī)律非常明顯。構(gòu)造煤不同溫度的吸附實驗表明，構(gòu)造煤的吸附量與溫度呈負相關(guān)，溫度越高，其吸附性能越弱；隨著溫度的升高，構(gòu)造煤的吸附量受溫度影響逐漸減小。采用低溫液氮吸附實驗分析了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征，從微觀孔隙角度揭示了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的甲烷吸附性差異的控制機理。

[關(guān)鍵詞]煤體結(jié)構(gòu)；煤層氣；吸附；孔隙

煤體結(jié)構(gòu)是指煤體中各組成的顆粒大小、形態(tài)特征以及組分之間的相互關(guān)系與賦存狀態(tài)。根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的變形和變質(zhì)作用，將煤體分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤；根據(jù)其宏觀特征，將煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。我國煤層氣賦存地質(zhì)條件非常復(fù)雜，不同構(gòu)造部位煤體結(jié)構(gòu)相差很大，煤層氣富集規(guī)律和開發(fā)地質(zhì)條件大不相同。即使是目前煤層氣開發(fā)商業(yè)化程度最高的沁水盆地，也是由于煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得各地區(qū)產(chǎn)氣量差異很大，而且不同煤體結(jié)構(gòu)地區(qū)取芯解吸量相差也很大，所以有必要開展不同煤體結(jié)構(gòu)的吸附性能研究。

目前，針對不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性能的研究主要集中在中階煤，對于沁水盆地高階構(gòu)造煤的吸附性能的差異性研究較少，溫度對煤的吸附性能的影響主要在非構(gòu)造煤中研究較多，專門針對構(gòu)造煤吸附性的溫度影響尚無相關(guān)研究；而且煤體結(jié)構(gòu)對吸附性能的控制機理尚缺乏深入研究。本文將針對沁水盆地不同煤體結(jié)構(gòu)的高階煤進行吸附性能研究，并從微觀孔隙角度進一步揭示不同煤體結(jié)構(gòu)煤甲烷吸附性差異的控制機理。

1不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性能

煤的吸附性能主要是通過等溫吸附儀測試所得，由于等溫吸附實驗所用樣品缸容積所限，煤樣進行實驗前需要破碎才能進行實驗。不同煤體結(jié)構(gòu)煤的形成過程是受地質(zhì)構(gòu)造影響煤體發(fā)生破碎而呈現(xiàn)不同煤體結(jié)構(gòu)特征，所以可以采用不同粒徑模擬不同煤體結(jié)構(gòu)，而且如果在吸附實驗過程中將煤樣破碎成統(tǒng)一粒徑，則削弱了煤體結(jié)構(gòu)對煤樣吸附性能的影響。

通過對大量不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣的粒徑統(tǒng)計，同時考慮了等溫吸附實驗儀器的樣品缸直徑，對實際統(tǒng)計結(jié)果進行了適當縮放，進而確定了所要模擬的不同煤體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的不同粒徑。具體樣品選用寺河和趙莊兩區(qū)的煤樣，分別用粒徑為13-25mm、1-6mm、0.4-0.8mm（20-40目）、0.18-0.25mm（60-80目）的煤樣模擬原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。

2不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性能的控制機理

煤體的構(gòu)造變形破壞對煤儲層物性最直接的影響是造成煤樣孔隙性發(fā)生顯著變化，而不同的孔隙結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致煤樣吸附性能的差異。為探討不同構(gòu)造煤的吸附性能差異的控制機理，采用液氮吸附實驗，對不同構(gòu)造煤煤樣的比表面積、孔容和平均孔徑進行了研究。

所以，煤在受到構(gòu)造作用時孔隙結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大變化，主要體現(xiàn)在，隨著構(gòu)造破壞程度的增加，煤中孔徑逐漸減小，而比表面積和孔容逐漸增大。孔隙是煤層氣的賦存空間，比表面積和孔容越大，則可容納被吸附氣體的空間越大，吸附能力越強，所以呈現(xiàn)出隨著構(gòu)造煤破碎程度越大，煤的吸附性能越強的規(guī)律，即糜棱煤的吸附性能強于碎粒煤的吸附性能強于碎裂煤吸附性能。

3結(jié)論

1、從不同煤體結(jié)構(gòu)煤的等溫吸附曲線形態(tài)看，均符合Langmuir等溫吸附方程，且不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附量隨著煤體破碎程度的變化規(guī)律明顯，糜棱煤的吸附量>碎粒煤的吸附量>碎裂煤的吸附量>原生結(jié)構(gòu)煤的吸附量。

2、構(gòu)造煤的吸附量與溫度呈負相關(guān)，溫度越高，其吸附性能越弱；而且，隨著溫度的升高，構(gòu)造煤的吸附量受溫度影響逐漸減小。吸附量與壓力呈明顯正相關(guān)，隨著壓力的增高，吸附量增大，但在不同壓力區(qū)間吸附量的增幅差別較大，在低壓區(qū)吸附量隨壓力增加的增幅比高壓區(qū)要大得多。

3、不同煤體結(jié)構(gòu)煤吸附性能的差異性，主要是由于煤樣在受到地質(zhì)構(gòu)造作用時孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，煤中孔徑減小、比表面積和孔容增大，使得煤的吸附能力增強，可容納被吸附氣體的空間增大，從而呈現(xiàn)出隨著構(gòu)造煤破碎程度增大，煤的吸附性能增強的規(guī)律。