薛園園， 邵長奎， 劉辰琛， 張 偉， 任志揚(yáng)， 鄭嬌嬌

1.中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院， 河北 保定 071000； 2.中國地質(zhì)工程集團(tuán)有限公司， 河北 保定 071000

0 引 言

煤層氣不同于常規(guī)的天然氣， 它主要以吸附態(tài)、水溶態(tài)和游離態(tài)三種狀態(tài)儲(chǔ)存在煤儲(chǔ)層中。 在儲(chǔ)層原位狀態(tài)下， 絕大部分氣體被吸附在煤基質(zhì)顆粒的表面之上［1］。 而煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征、 分布規(guī)律等儲(chǔ)層特征影響吸附解吸特征， 進(jìn)而關(guān)系到煤層氣的含量。 在總結(jié)并歸納以往的研究成果的基礎(chǔ)上， 結(jié)合掃描電鏡實(shí)驗(yàn)、 壓汞實(shí)驗(yàn)及等溫吸附實(shí)驗(yàn)， 探討了沁水盆地北部陽泉含氣區(qū)塊上石炭統(tǒng)太原組15＃煤儲(chǔ)層的顯微組分、孔隙分布規(guī)律及其對(duì)煤儲(chǔ)層吸附能力的影響［2］。 這是地質(zhì)評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容之一， 也是煤層氣勘探開發(fā)工作之重要組成部分， 對(duì)于指導(dǎo)、 優(yōu)化煤儲(chǔ)層開發(fā)等具有十分重要的意義［3］。

1 樣品采集與測試

實(shí)驗(yàn)研究所用樣品采自沁水盆地北部陽泉含氣區(qū)塊上石炭統(tǒng)太原組15＃煤儲(chǔ)層， 采集樣品充分考慮了采樣點(diǎn)分布的多樣性及均勻性。 為確保各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性， 樣品采集后進(jìn)行了密封保存。

1.1 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

作為煤層氣主要的儲(chǔ)集空間及運(yùn)移流通通道， 煤儲(chǔ)層中的孔隙、 裂隙的發(fā)育程度、 分布規(guī)律等物性特征不僅直接關(guān)系到煤層氣的含量， 也對(duì)后期煤層氣排采效果產(chǎn)生影響。 通過掃描電鏡可以更加直觀地觀察到煤體中的微觀孔隙和裂隙， 進(jìn)一步了解煤體的形態(tài)、 大小和發(fā)育程度的特征， 從而為更加深入地研究煤層氣的賦存規(guī)律提供依據(jù)［4］。 見圖1。

1.2 壓汞實(shí)驗(yàn)

壓汞實(shí)驗(yàn)法是分析煤孔隙的常用方法之一。 孔隙在毛細(xì)管中的非濕潤性特征， 是壓汞實(shí)驗(yàn)測定介質(zhì)孔尺寸的基本原理。 受汞的表面張力的影響， 接觸角＞90°的小孔， 液體不能自發(fā)地進(jìn)入。 這種阻力可通過施加壓力予以克服， 施加壓力大小與孔徑的大小密切相關(guān)， 兩者之間的關(guān)系符合Washurn 方程：

式中， p 為施加的壓力； r 為半徑； σ 為汞的表面張力； θ 為接觸角。

式（1） 表明， 孔隙的孔徑與壓力成反比例關(guān)系，即：

若取汞的表面張力為480 達(dá)因／f， 接觸角取141.3°， 可得

在常壓下， 即p ＝l bar （kgf／c） 時(shí)， 汞可進(jìn)入半徑為75 000 以上的孔隙［5］。

通過上述公式， 可以得到不同汞壓下煤的孔半徑r， 亦能得出煤孔隙中各孔半徑所占比例。 由壓汞實(shí)驗(yàn)中汞的變化侵入量以及煤樣品的孔徑可得出煤樣的比表面積， 進(jìn)而對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行孔隙分析。

本次壓汞實(shí)驗(yàn)采用美國Micpomeritics 公司生產(chǎn)的AutoPore IV 9500 V1.09 型壓汞儀。 儀器壓力范圍0.69～4.37 Mpa， 孔徑測量范圍3～360 μm， 進(jìn)汞體積測試精度可達(dá)0.1 μL［6］。 汞表面張力為485×10-5N／m， 汞與測試樣品表面的接觸角為130°。

1.3 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

在等溫吸附實(shí)驗(yàn)儀上測定了煤層氣的吸附常數(shù)，用壓力法測定了等溫吸附實(shí)驗(yàn)（表1）。 實(shí)驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的由荷蘭Ankersmid 生產(chǎn)的ISOSORP-GASSC 高壓磁懸浮重量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)儀， 對(duì)煤樣進(jìn)行破碎加工后，選用60～80 目礦篩， 篩選出粒度為0.2 ～0.25 mm 的煤樣。 經(jīng)真空干燥后， 將樣品置于30°恒溫的吸附缸中進(jìn)行真空脫氣。 為了使吸附氣缸內(nèi)的壓力達(dá)到平衡， 將一定體積的甲烷氣體注入氣缸內(nèi)， 部分氣體被吸附， 一部分氣體仍以游離狀態(tài)處于死體積之內(nèi)， 已知所注入的甲烷氣體體積， 減去死空間內(nèi)游離氣的體積， 即可得到吸附氣的體積。

表1 研究區(qū)樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of sample experimental data in research area

在本次等溫吸附實(shí)驗(yàn)中， 分別在0.5 MPa、 1.5 MPa、 3 MPa、 4 MPa、 5 MPa、 6 MPa、 7 MPa、 8 MPa八個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行測定［7］。 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)測定， 即得到各壓力段所對(duì)應(yīng)的吸附氣量xi與平衡壓力pi， 從而得出朗格繆爾等溫吸附曲線， 將 （pi， xi）按式（4） 進(jìn)行最小二乘法回歸， 可計(jì)算出煤層氣的吸附常數(shù)a 和b。

式中， p-吸附平衡狀態(tài)下煤層氣的壓力， MPa；V-壓力p 下的吸附氣量， ml／g； a-朗格繆爾體積， 反應(yīng)煤儲(chǔ)層的最大吸附潛力， ml／g； b ＝1／PL（PL為朗格繆爾壓力， 為解吸速度常數(shù)與吸附速度常數(shù)之比），反應(yīng)煤的內(nèi)表面的吸附能力， MPa-1［8］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 掃描電鏡分析

掃描電鏡結(jié)果顯示（圖1）， 15＃煤主要由各種類型的鏡質(zhì)組組成， 見有粒狀及片狀之惰質(zhì)組、 殼質(zhì)組， 偶見有少量礦物質(zhì)微粒。 孔隙較為發(fā)育， 鏡質(zhì)組組分中最常見的孔隙為氣孔， 多以橢圓形、 圓形呈現(xiàn)， 氣孔內(nèi)未見填充物。 孔隙大多以條帶狀分布且孔徑相差較大， 孔隙連通性良好， 十分有利于煤層氣的輸導(dǎo)［9］。

研究區(qū)15＃煤中不僅存在有眾多的孔隙， 裂隙也十分發(fā)育。 而煤層氣最重要的滲流通道就是發(fā)育于煤儲(chǔ)層中的裂隙系統(tǒng)， 它是煤化作用以及后期改造過程中，受到構(gòu)造應(yīng)力的作用后， 煤體發(fā)生破裂而形成的。

15＃煤儲(chǔ)層中裂隙發(fā)育大小多樣， 多數(shù)貫穿于煤儲(chǔ)層內(nèi)或整個(gè)煤層， 少部分僅于鏡質(zhì)體的條帶中分布。 研究區(qū)總體位于一單斜構(gòu)造上， 其走向?yàn)楸蔽飨颍?傾向?yàn)槟衔飨颉?研究區(qū)內(nèi)褶皺群及局部陡傾撓曲較發(fā)育， 其構(gòu)造線主體以北東向、 北北東向?yàn)橹鳎?并于局部發(fā)生復(fù)合變異。 相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)造， 形成了本區(qū)15＃煤儲(chǔ)層復(fù)雜且不規(guī)則的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

2.2 壓汞實(shí)驗(yàn)分析

由壓汞試驗(yàn)結(jié)果可知（表1、 圖2）， 15＃煤煤樣的排驅(qū)壓力平均高達(dá)98 MPa， 最高驅(qū)替壓力達(dá)413 MPa， 最小孔隙半徑為3 mm。 孔隙度介于4.07 ～7.83%， 平均為5.43%， 孔隙度相對(duì)較高， 表明研究區(qū)15＃煤儲(chǔ)層的孔隙十分發(fā)育， 且孔容較大， 為煤層氣提供了充足的富集儲(chǔ)存空間［10］。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1、 圖2）， 15＃煤孔隙較發(fā)育且分布十分廣泛， 自大孔至微孔均有分布， 其中， 過渡孔所占比例最大， 孔容比均值為50.66%， 微孔孔容比亦達(dá)19.84%。 由此可知， 15＃煤中孔隙類型多為以渡孔， 過渡孔和微孔總孔容比近70%， 它們使得煤的表面積增大， 這為煤層氣賦存儲(chǔ)集提供了空間， 增強(qiáng)了煤儲(chǔ)層的吸附能力， 有利于煤層氣的賦存［11］。 此外，大孔和中孔的孔容比分別達(dá)17.38%、 12.11%， 發(fā)育程度也較理想， 此類型孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育及分布特征既有利于煤層氣的儲(chǔ)集且利于其在儲(chǔ)層內(nèi)的滲流［6］。

圖2 壓汞實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig.2 Curve of mercury injection test

2.3 吸附特征分析

分析等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知， 在朗格繆爾體積a值中， Y14 最小為29.41 cm3／g； Y1 最大為38.76 cm3／g， 主要集中于33 ～35 cm3／g 之間， 平均值為33.85 cm3／g， 標(biāo)準(zhǔn)差為2.33， a 值越大反應(yīng)煤層氣含量越高， 表明同一煤儲(chǔ)層不同位置煤層氣吸附能力存在著一定差異； 朗格繆爾壓力PL中， Y11 最小， 為0.55 MPa， 而Y18 最大， 達(dá)0.79 MPa， 平均值為0.66 MPa， 標(biāo)準(zhǔn)差為0.061， 分散度較低， b 值越大，表明朗格繆爾壓力PL越?。ㄈ鐖D3）。 本次等溫吸附實(shí)驗(yàn)中， 朗格繆爾壓力PL＜1， 說明15＃煤儲(chǔ)層中， 煤層氣解吸速度小于其吸附速度。 綜上可知， 15＃煤儲(chǔ)層對(duì)煤層氣具有較強(qiáng)的吸附能力［12］。

圖3 樣品Y1-Y10 等溫吸附曲線Fig.3 Isothermal adsorption curve of sample Y1-Y10

3 結(jié) 論

通過對(duì)采集的沁水盆地東北部陽泉區(qū)塊15＃煤儲(chǔ)層樣品進(jìn)行儲(chǔ)層物性特征研究， 取得了以下認(rèn)識(shí)：

（1） 通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 15＃儲(chǔ)層孔隙較為發(fā)育， 鏡質(zhì)組組分中最常見的孔隙為氣孔， 多以橢圓形、圓形呈現(xiàn)， 氣孔內(nèi)未見填充物。 孔隙大多以條帶狀分布且孔徑相差較大， 孔隙連通性良好； 15＃煤儲(chǔ)層中裂發(fā)育有復(fù)雜且不規(guī)則的裂隙網(wǎng)絡(luò)， 多數(shù)貫穿于煤儲(chǔ)層內(nèi)或整個(gè)煤層。 這些均有利于煤層氣的賦存、 運(yùn)移。

（2） 壓汞實(shí)驗(yàn)顯示， 15＃煤儲(chǔ)層孔隙較為發(fā)育，且以過渡孔、 微孔為主， 它們使得煤的表面積增大，這為煤層氣賦存儲(chǔ)集提供了空間， 增強(qiáng)了煤儲(chǔ)層的吸附能力， 有利于煤層氣的賦存。 此外， 煤儲(chǔ)層大孔、中孔發(fā)育也較理想， 既有利于煤層氣的賦存又利于其在煤儲(chǔ)層中的滲流。

（3） 等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 15＃煤煤層氣的吸附量介于33 ～35 cm3／g 之間， 朗格繆爾壓力PL＜1，說明15＃煤儲(chǔ)層中， 煤層氣解吸速度小于其吸附速度。綜上可知， 15＃煤儲(chǔ)層對(duì)煤層氣具有較強(qiáng)的吸附能力。