煤吸附甲烷能力的影响因素研究进展

１ ２ 煤 岩粒径 、 隙 ． 孔
煤岩显 微组 成包括 镜质 组 、 质组 、 惰 壳质组 三种 ， 其 中， 质组 是植 物 的根 茎 叶 ， 镜 在覆 水 的还 原条 件下 ， 经过 凝胶 化作用 而 成 ， 发分 产 率 很高 ； 质 组 是植 物 的根 挥 惰 茎 叶 ， 干燥 氧化 的条 件下 ， 过 丝 炭 化作 用 后 在 泥炭 在 经
趋势。 １ ４ 灰分 ．
素， 姚艳斌等通过对华北重点矿区的煤岩测试 ， 得出 Ｒ 。 ＜ １１ 时 ， ． 随着煤 级 的 升高 ， 吸附 能力 增 长 迅 速 ， 之后 增 长逐 渐变缓 的趋 势 ｒ （ 图 ｌ 示 ） ３如 ］ 所 。王 可 新 等认 为
吸附量 随煤 级 的 提 高 呈 两 段 式 变 化 ， 当 Ｒ。 ４ Ｏ 即 ＜ ． 时 ， 附量 随煤级 的增 加 而增 大 ， 与 其 他学 者 均 已达 吸 这 成 共识 ； Ｒ ＞ ４ Ｏ 时 ， 附 量 随煤 级 的增 加 而 减 当 。 ． 吸 少 （ 图 ２所示 ） ３如 ］ 。传 统理 论 认 为 ， 于干 燥 煤样 ， 对 兰 氏体 积在最 大镜 质组反 射率 １３ 和 ３ ５ 处达 到极 小 ． ． 值和 极大值 ， 至无 烟 煤 中 晚期 ， 吸附 性 消失 。考 虑 地层 条件 ， 衡 水 条件 下 ， 最 大 镜 质组 反 射 率 ４ ５ 附 近 平 在 ． 达 到最大值 ， 两段式 演化模 式 ＿ 。 成 ８ ］
但 可 以肯定 的是 ， 在低煤 级 阶段 ， 由于埋藏较 浅 ， 压 实作 用 以及成熟 度不 高 ， 成 煤 中碳 含 量较 少 ， 造 同时孑 Ｌ
史 ， ２０ 年产量 已达 ５２ ０ｒ ， 在 ０９ ４ ｘ１ 。煤层气在天然气 ｎ 产量 中所 占的 比例 已经提 高 至 接 近 １ ， 于美 国能 ０ 对
源安 全和经 济发 展起 到 了不 可忽 视 的作用 。而 我 国煤 层 气 研究起 步较 晚 ， 有不 到 ２ 的历 史 ， 且 我 国的 仅 Ｏ年 并 煤 层孔 渗性 能相对 较 差 ， 当前经 济 、 术 条 件 下 可采 储 技 量仅 占总量 的很 小一 部分 。鉴 于此 因 ， 分析 总结影 响煤 吸附 甲烷 因 素 ， 于 推 动 煤 层 气 勘 探 开 发 均 有 重 要 意 对
沼泽 中沉 积下 来所形 成 ， 者 在泥 炭 表 面 经过 氧 化 、 或 碳
煤 岩粒径 的大 小决 定 了孔 隙 的大 小 ， 径越 小 ， 粒 相 同孔隙 度 的岩 石 的空 隙数 量 越 多 ， 比表 面积 越 大 ， 吸 而
附量与 比表 面积 成 正 相关 关 系 。张 天军 等＿采 集 了几 ６ ］ 种 高瓦斯 矿井 的煤 样 ， 分别 制 成 粒 径 大小 不 同的试 样 ， 进 行 吸附 甲烷 的实 验 ， 现 当孔 隙 直 径 大于 ０ ０６ 发 ． ９ｍｍ 时， 随着 粒 径 的 变小 ， 附 能 力增 加 ； 吸 当孔 隙直 径 小 于
第一作者简介 ： 周鸿璞（ １）男（ １９ 一 ， 汉族 ） 山东东营人 ， １ ） ， 中丽地质大学（ 北京 ） 能源学 院在读本科生。
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西 部探矿 工程
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向性预测为 目的， 依据 ２ 件不同煤级 的煤样， ４ 采用测定 煤 中封 闭孔 隙（ 俗称死 ｔ） Ｌ 的方法 ， 究 了煤对气 体 的吸 研 附 与解吸特 征 ， 些结 论对客 观认识 煤储 层 中有 效储集 某 孔 隙体积具 有参 考价 值［ 。 ７ ］ 从理 论上 说 ， 对 甲烷 的吸 附 能力 与孔 隙度 、 隙 煤 空 比表 面积 ， 微孔 比表 面 积均 呈 正 相关 关 系 ， 述对 于 和 上 孔隙直径小于 ０ ０６ ｍ时 的解释原作者 已经通过理 ．９ｍ 论 计算 做 出了证 明 ， 径 减小 是 煤 的 比表 面 积增 大 ， 粒 提 供 的吸附位 增多从 而 使 吸 附量 增 大 ， 当粒 度 过 小 时 ， 虽 然使 颗粒外 表 面积得 到增大 ， 但颗 粒 内空 隙遭到 严重 破 坏 ， 得总 体 比表 面积 并没有 明显 改变 。上述结 果从 一 使 个方 面佐证 煤 岩吸 附性 能 随着 煤级 的提 高 而增 强 的理 论 。另外 ， 煤岩 颗粒 的分选性 也是 影 响煤岩 吸附能 力 的 个 主要 因素 ， 如果 煤 岩颗 粒 之 间 被某 些 泥质 胶 结 ， 会 造成 煤 岩孔 隙度急剧 降低 ， 附能力下 降 。 吸
和吸着 阶段 。
１ 煤 岩 自身 因素 对吸 附 甲烷 的影 响
１ １ 煤岩 显微 组成 ．
体积） 不能排除其他因素 ， 时， 诸如含水量、 煤岩粒径的 影 响 ， 成影 响 吸附量 的 因素 太多 ， 造 无法 得 出定 量关 系 ； 另外 ， 些组 分在 煤样 品 中 的含 量 过 低 ， 可 能是 造 成 某 也 数 据离 散性 较大 的原 因 。 综 合 已有 的研究成 果 之后 ， 为镜 质组对 于煤 岩吸 认 附 甲烷 起 到增强 的作 用 ， 质体 含 量 存 在 临界 值 ， 于 镜 高 这 一 临 界 值 ， 氏 体 积 会 急 剧 上 升 ， 大 可 提 升 约 兰 最 １ｍ ／， ０ 。ｔ但是 绝大多数 煤样 兰氏体 积均在 ３ｍ ／ 左 ０ ３ｔ 右 ， 含气 饱 和度不 太 高 的情 况 下 ， 一 临界 值 以上 的 在 这 提升没有太大意义 ； 惰质组和壳质组对吸附性能的贡献 不 如镜质 组 。
镜 质 组 、 质 组 、 质 组 ， 是 关 于 此 问 题 还 存 在 争 惰 壳 但 论 ， 别是 各位学 者所 做 的等 温吸 附实验 结果 ， 特 均存
＊ 收 稿 日期 ：０ ２０—３ 修 回 日期 ：０ ０—９ ２ １— ３１ ２ １ －３１ ２
成 比表 面积 不再显 著增 加 ， 吸附能力 变化不 大 。 乌克 兰 自然 科 学 院 Ａｌｘｅ 以 矿井 瓦斯 突 出倾 ｅｅｖ等
图 Ｉ 兰 氏体 积 与 煤 级 间 的 关 系 （ 自姚艳 斌 ，０ ７ 引 ２０）
附位减少 ， 吸附能力下降。况且根据相似相容原理 ， 甲 烷 与有机物 的性 质类似 ， 极性 较弱 ， 吸附性 较好 ， 是灰 但 分 大多 为无 机物 ， 国煤 岩 中的灰 分 大 多 为硅 铝 质 ， 我 这 类硅 酸盐 矿物原 子 间均为极 性键 相连 ， 如果再 遇到 极性 更 为明显 的层状 或链状 硅 酸盐矿 物 ， 从物 理 吸附 的角度 确实 不利 于 甲烷 的 吸附 ， 会对 煤岩 吸 附甲烷产 生不 利 的
影响， 但是 ， 根据 作者 对 于华 北 重要 矿 场 采 得 的煤 样 进 行 检测 、 分析之 后发 现 ， 氏体 积 和 兰 氏压 力 与灰 分 含 兰
量之 间没有 明显关联 ， 据 点 分 布规 律 性 不强 ， 需 要 数 还
目前关 于 中低 煤级 影 响煤 吸 附能 力 的研 究 可信 度
义。
桑树 勋 ， 炎铭 ＿等人 以沁水 盆地 等煤样 品煤 孔 隙 朱 １ 分析 和 等温 吸附试验 研究 为基础 ， 通过 煤 吸附气 体动力 学过 程 和吸 附理论模 型分 析 ， 物理化 学层 面对 煤 吸附 从
气体 的固气作用机理进行 了深入探讨 ， 认为煤吸附气体 动力 学过 程包 括渗 流 阶段 、 面 扩 散 阶段 、 扩 散 阶段 表 体
００ ６ 时 ， ． ９ ｍｍ 减小 的粒径 会破坏 部分 空 隙 内表 面积 ， 造
化 、 败 作用 ， 腐 氢含量 很低 ， 挥发 分低 ， 没有任何 粘 结性 ；
壳质 组 是 比较 富 氢 的植 物 物 质 ， 孢 粉 质 、 质 、 栓 如 角 木 质、 树脂 、 等 。大 多数 学者认 为 ， 蜡 吸附能 力 由强 到弱 为
煤 岩 中 的 灰 分 主 要 有 ＳＯ 、 。 Ｆ 。）、 ａ ｉ。 ＡｌＯ 、 ｅ（３ Ｃ Ｏ、
Ｍｇ Ｏ等物质组成， 灰分对煤岩吸附甲烷能力 的影 响研 究 的很 早 ， 得 出 了灰分 对于 吸附 能力起 到不 利影 响 的 并 结论 蛐 ］ 。 。 －
理 论分 析认 为 ， 分 中硅质 、 质 、 灰 铁 钙镁 等组 分 ， 特 别是 金属元 素 的存 在 ， 得 岩石 趋 向于基 底 胶 结 ， 胶 使 而 结物 的增 多使得 部分 空 隙被 充 填 ， 低 孔 隙度 ， 岩 吸 降 煤
均较 高 ， 是 所有 试 验 测 试 中 ， ＞ ４ ０ 的煤 数量 较 但 Ｒ。 ． 少 ， 各位 学者 的观 点有 所 不 同 ， 高 煤 级 的煤 岩 吸 附 且 更 能力 有待 于进一 步研究 。
更精源自文库确 的统计数 据加 以分 析 。
１ ５ 水 分含量 及水 的赋存 状态 ．
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西部探 矿 工程
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煤 吸 附 甲烷 能 力 的影 响 因素 研 究进 展
周 鸿璞 ， 振 涛 ， 李 白小 虎
（ 中国地 质 大 学＜ 北 京＞ 能源 学院 ， 京 １０８ ） 北 ００３
摘 要： 煤的吸 附性能是煤层气资源可采性评价的重要技术参数 。在 实测数据和收集前人大量数据 的基础 上 ， 分析 并 综述 了影响煤 吸 附 甲烷 能 力的主要 影 响 因素 。影 响煤 对 甲烷 吸 附量 的 因素 包括 煤 岩 自身 因素 ， 即煤级 、 煤岩 显微组 成 、 岩 粒 径 、 分含 量 、 分含 量 及 水 的赋 存 状 态、 理化 学结 构 煤 灰 水 物 等 ； 外界环境 因素 ， 和 即温度 、 力及 温压 综合条件 等 。 压
当水 分含 量一定 时 ， 级成 为煤 吸附能 力 的主控 因 煤
随着成熟度的提高 ， 生成 的气体不断增多 ， 地层压力系 数 升高 ， 如果流 体压力 大 于煤岩 的最小 水平 压力 与最 大 抗 张强度值 的和 ， 会产 生大量 的垂 直 于最 小 水平压 力方 向的张性 微裂 隙 ， 大孔 隙减 少 ， 孔 隙增 多 导 致 比表 而 微 面积增大， 煤的吸附性能提高 。随着煤成熟度 的提高 （ 。 ． ％之后）生气作用 、 Ｒ ＞４Ｏ ， 变质作 用停止 ， 中大分 煤 子结构调整使其定 向性增强 ， 达到近乎最终 的稳定 阶 段， 总空 隙和 总 比表 面 积趋 于 极 限 ， 去 了继 续 增 大 的 失 潜力 ， 这时煤岩的吸附性 能不再提高， 反而因为微孔隙 的增 多造成 吸附速 度减慢 ， 使测 得 的兰 氏体积有 减小 的
关键 词 ： 煤层 气 ； 附 ； 吸 显微 组成 ； 煤级 ； 分 ； 分 灰 水
中图分 类号 ： ６ ８ １ 文献标 识码 ： 文章 编号 ：Ｏ ４ ５ １ （ ０ ２ Ｏ — ０ ６ 一 Ｏ Ｐ １． １ Ｂ １０— ７６ ２ １）７ １９ ４
煤 层 气 在美 国进 行 工 业 化 开 采 已有 近 ３ Ｏ年 的历
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图 ２ 兰氏体积与煤级间 的关 系（ 自王可新等 ，０ ８ 引 ２０）
隙度 比较大 ， 随着 埋藏 的加深 ， 上覆 压力增 大 ， 大孔 隙被 压实 变小 ； 由于煤 岩 比较致密 ， 隙 中的气体 不易 排 出 ， 空
１ ３ 煤 级 ．
在数据点离散性较大的不足 。
究 其原 因 ， 能是 目前大 家仅 仅考虑 不 同显 微组 分 可 组 的等 温 吸附特 征 ， 显微 组分 与煤 岩 吸附 甲烷 能力 的关 系还没 有 明确 结论 ， 而不 同样 品 的显微组 分亚 组甚 至显 微 组分 含量 差异性 较大 ， 造成 数据 的离散 性偏 大 。另一 个原 因是 ， 在对 比不 同煤 岩显 微 组成 的 吸附 量 （ 兰 氏 如