不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰

【摘要】煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数.采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理.结果表明:煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低.随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高.

【期刊名称】《煤炭学报》

【年(卷),期】2015(040)008

【总页数】6页(P1865-1870)

【关键词】煤体结构;吸附性能;孔隙结构;温度;煤层气

【作者】孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰

【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城

048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006

【正文语种】中文

【中图分类】P611.8

责任编辑:韩晋平

孟召平,刘珊珊,王保玉,等.不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征[J].煤炭学报,2015,40(8):1865-1870.doi:10.13225/ ki.jccs.2015.0620

煤层气以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤层之中,对于中、高煤阶煤主要以吸附状态赋存在煤基质孔隙表面,由于煤体结构不同其吸附性能存在较大差异性[1-2]。我国晚古生代含煤盆地大多经历了多次不同规模的构造运动作用,煤层遭受不同程度的构造变形破坏,形成了不同结构类型构造煤[3-4],其吸附性能及其控制机理一直受到国内外学者广泛关注。张玉贵[5]、张妙逢[6]、苏现波[7]、张晓东[8]、Norbert Skoczylas[9]通过平衡水条件下的等温吸附/解吸及煤岩煤质分析实验,认为煤体吸附甲烷能力与煤体自身的物理化学结构、孔隙结构、粒度等有很大的关系,随着煤破坏程度的增加,Langmuir体积逐渐增大,构造煤较原生结构煤吸附甲烷能力强,并且存在瓦斯突出的危险;王佑安和杨思敬[10]对北票和红卫各矿井的不同破坏类型煤样进行压汞实验,发现在甲烷吸附性质方面,原生结构煤和构造煤并没有明显的区别,煤的甲烷吸附量不随煤体破坏程度的增加而升高;Pan J等[11]通过对淮北矿区许疃煤矿3个不同变形程度煤样进行3个不同温度下的等温吸附试验,认为低温(30℃)下煤体吸附甲烷的能力随煤体变形强度的增加而增加;而高温(50,70℃)下不同结构煤体的吸附能力没有明显差异。煤层气主要以吸附形式赋存于煤基质表面,其决定了煤孔隙吸附作用在煤层气储集机理中的重要地位,从吸附的微观机理入手,研究煤的孔隙结构特征受到广泛关注[12-17]。Maria Mastalerz[12]、Sharon

M Swanson[13]等通过实验分析认为:煤中孔隙主要由微孔和中孔组成,微孔构成了煤层气的吸附空间,微孔体积和比表面积与煤层气含量相关。司书芳和王向军[14]基于气煤和肥煤的液氮吸附实验,分析了粒径大小对孔体积、孔比表面积与孔径分布的影响,发现煤的粒径大小对煤的孔隙结构有显著影响。琚宜文[15]、屈争辉[16]等开展了煤纳米级孔隙结构分析,揭示了不同类型构造煤孔隙结构的变化规律。姜波和琚宜文[17]通过实验分析认为,不同类型构造煤中纳米级过渡孔孔容和比表面积所占比例明显降低,微孔以下的孔容和比表面积逐渐增加。所有这些认识为煤的吸附性能及影响因素研究奠定了基础。由于不同煤体结构煤基础实验数据的缺乏和不系统,关于不同煤体结构煤的吸附性能及其控制机理研究还相对薄弱,因此,笔者采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤层不同煤体结构煤样开展等温吸附试验和低温液氮实验研究,系统分析不同煤体结构煤在不同压力下的吸附性能,揭示控制不同煤体结构煤吸附性能的孔隙结构特征,主要是过渡孔和微孔的分布特征,从微观层面上探讨不同煤体结构煤对煤层气的吸附控制机理,为我国煤层气勘探开发,尤其是高变质构造煤区煤层气勘探开发提供理论依据。

1.1 实验样品

实验样品来自山西沁水盆地东南部的晋城矿区赵庄矿山西组3号煤层,参照GB/ T 30050—2013中煤体结构划分方案,采集原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤样品。实验煤样特征见表1。

利用SDLA618工业分析仪,参照GB/ T 212—2008《煤的工业分析方法》,筛选小于0.2 mm(80目)的空气干燥基煤样10 g进行工业分析。实验结果见表2。

1.2 实验方法

(1)等温吸附试验。

利用TerraTek公司ISO-300吸附等温仪,遵循GB/ T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》,设置系统温度(一般为储层温度),按照规程进行试验,吸附平衡时

间不少于12 h。在等温吸附试验之前,先对煤样进行平衡水分处理。

由于样品缸容积有限,煤样在试验前需要破碎,根据等温吸附试验需要(GB/ T 19560),将4个不同煤体结构煤样品破碎至60~80目。根据研究区煤储层赋存条件,选择25,35,45℃三个温度下进行等温吸附试验,实验压力区间为0~14 MPa。(2)低温液氮实验。

实验使用美国麦克公司生产的ASAP2020全自动比表面积与孔隙度分析仪。实验

煤样破碎成和等温吸附试验样品粒径相同的0.20~0.25 mm(即60~80目),每件试样取质量2~3 g,利用“静态容量法”对试样进行吸附实验,吸附介质为纯度

99.999%的氮,温度为液氮温度,测试孔径0.35~500 nm。将样品加温真空脱气后

放在盛有液氮的杜瓦瓶中,实验开始后系统则按照预先设定的压力进行吸附实验,从

而获取不同压力下的氮气吸附量,根据液氮吸附实验数据,仪器所带软件自动按照BET(Brunauer,Emmett Teller)多分子层吸附公式计算试样的比表面积,再利用

BJH(Barret,Joyner and Halenda)模型计算煤样的孔径和孔容分布。

2.1 不同煤体结构煤的吸附性能

不同温度下不同煤体结构煤的吸附性能实验结果如图1所示。

在同一温度条件下对不同煤体结构煤吸附甲烷能力进行比较可以看出,在0~2 MPa 压力条件下,4类煤样等温吸附曲线几乎重合,甲烷吸附量没有明显差别;随着压力增大,不同煤体结构煤样对甲烷吸附量产生变化,煤样对甲烷吸附量由大到小顺序为:糜棱结构煤、碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤,构造煤与原生结构煤之间的吸

附量差别较大,反映了饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高的规律。

煤对甲烷的吸附符合Langmuir单分子层吸附理论,煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。在温度和吸附质一定的情况下,煤对气体的吸附量可用Langmuir方程来描述,即

式中,VL为Langmuir体积,cm3/ g;PL为Langmuir压力,MPa。