固气作用煤孔隙类型及其对煤比表面积的影响

固气作用煤孔隙类型及其对煤比表面积的影响

吸附气是原气的主要储存状态。煤储层的吸附特性是控制煤藏和开发技术的重要因素。一、煤炭通道的分类系统1.当前煤孔分类煤的孔隙类型目前存在的3类主要划分系统如下。(1)显微境下的储集和运移特征张慧的划分在国内具有代表性,提出原生孔、变质孔、外生孔和矿物质孔4种基本类型,分类的基础是煤的成岩作用、变质作用和光学、扫描显微境下的特征观察;观察到的原生孔、外生孔、矿物质孔及变质孔中的气孔一般孔径在1000nm以上,这些孔的发育特征对煤中游离气的储集和运移很重要;但对变质孔中孔径多小于100nm的键间孔(相当于Gan的分子间孔)难于直接观察,而键间孔特征是认识煤中吸附气储集和运移的关键所在。(2)孔道密度体积与固气分子作用效应具体划分方案很多,张新民等、秦勇对代表性方案做过归纳,目前B.B.霍多特的十进制划分方案在国内应用最为广泛,划分出大孔(大于1000nm)、中孔(介于100~1000nm)、过渡孔(介于10~100nm)和微孔(小于10nm),分类的基础主要是固体孔径(孔的平均宽度)范围与固气分子作用效应,及压汞法和液氮吸附法的测试结果。一般认为,大孔发生气体强烈层流和紊流渗透,中孔发生气体缓慢层流渗透,过渡孔可发生气体毛细管凝聚、物理吸附及扩散,微孔是发生气体吸附的主要场所。煤的孔径结构分类为研究煤中气体吸附和运移特征提供了重要信息。限于实验方法、认识水平等因素,不同方案间的孔径分级、同一级别孔的孔径大小多不一致,孔类型术语比较混乱,给研究工作带来了不便。(3)煤孔隙的分布郝琦、吴俊在国内率先开展了对煤孔隙形态类型的研究,分类的依据是压汞实验的退汞曲线或液氮吸附回线的形态特征。据陈萍等的研究结果,煤孔隙划分为Ⅰ类孔(两端开口圆筒形孔及四边开放的平行板状孔)、Ⅱ类孔(一端封闭的圆筒形孔、平行板状孔、楔形孔和锥形孔)、Ⅲ类孔(细颈瓶形孔)。煤孔隙形态特征对低压吸附影响较为明显,对高压吸附影响可能较小。2.煤中气体的赋存方式随着对煤孔隙成因、孔径结构、形态间关系的认识不断深化,以煤孔隙的孔径结构分类为基础,进一步强调孔隙在煤层气储集、运移中的作用,煤孔隙的固气作用分类已初露端倪。张红日等将煤孔隙分为渗透孔(大于50nm)和吸附孔(小于等于50nm);傅雪海等通过孔隙的分形特征研究,认为渗流孔和吸附孔的孔径界线为75nm。对吸附孔中气体的赋存方式前人也也取得了一些有意义的成果:据И.B.维索茨基研究,在孔径小于15Å,即在与气体分子具有同一大小级别的孔隙中,气体不形成吸附层,仅充满孔隙;吸附最有效的孔径为15~1000Å。艾鲁尼认为,甲烷分子赋存于煤的4种部位,即以游离状态(5%~12%)和吸附状态(8%~12%)赋存于孔、裂隙空间;以固溶吸收方式充满分子间空间(75%~80%);以置换固溶方式存在于“晶体”的芳香层缺陷内(1%~5%);以渗入固溶方式存在于芳香碳晶体内(5%~12%)。曾凡桂的研究表明,煤吸附气体的过程由吸附次过程和吸收次过程组成。广义的吸附(sorption)应该包括狭义的吸附(adsorption)、凝聚和吸收,这里的吸收是指气体分子充填于气体分子大小级别的煤分子间或内部的缺陷内。综合前人的成果,笔者归纳并提出如表1所示的煤孔隙固气作用分类系统。二、煤孔隙特征测定—沁水盆地南部煤孔隙固气作用类型沁水盆地南部是目前我国煤层气勘探开发最有前景和工作程度最高的地区,也是本次973项目的重点研究区。沁水盆地主要煤储层煤孔隙作用类型的孔容和比表面积特征如图1所示。前人分别采用压汞法或液氮吸附法对煤孔隙特征做了大量研究,但由于压汞法的测试孔径下限一般为6.0~7.5nm,液氮吸附法的测试孔径上限50~100nm、下限0.2~0.6nm,单一方法得到的关于煤孔隙特征的认识有很大的局限性。Joyner对压汞法与液氮吸附法测定结果的比较分析表明,两种方法是相互支持的。尽管液氮吸附质测得表面积要比实际情况要低得多。图1的数据源于压汞方法和液氮吸附法的联合测试,较为完整地反映了煤孔隙特征。沁水盆地南部C—P主力煤储层渗流孔隙孔容高于50%,凝聚—吸附孔隙孔容40%左右,吸附孔隙孔容一般不足5%,吸收孔隙孔容小于2%;渗流孔隙孔比表面积不足3%,凝聚-吸附孔隙孔比表面积可高达80%左右,吸附孔隙孔比表面积一般15%~20%,吸收孔隙孔比表面积5%~29%。三、由省长气体产生1.煤质渗流孔隙原生孔隙的发育煤(基质)的渗流孔隙主要源于与煤的凝胶化作用、成岩作用有关的胞腔孔、粒间孔、矿物间孔等原生孔隙,及与煤的沥青化作用、变质作用有关的气孔等次生孔。同时,煤的沥青化作用和变质作用对煤的原生孔隙也有显著的影响和改变。褐煤、长焰煤等低煤级煤的渗流孔隙发育,表现为渗流孔隙的孔容高,一般随成岩作用(压实作用)强度的增加,渗流孔隙(原生孔隙)变少变小;同时叠加早期煤化作用的凝胶化作用的影响,随凝胶化程度的增高,渗流孔隙(原生孔隙)发育变差,对胞腔孔的影响最为显著。气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等中煤级煤的渗流孔隙发育差,其中焦煤渗流孔隙发育最差,原因可能有三:其一,沥青化作用和生烃作用造成沥青质和液态烃充填和堵塞煤原生孔隙,从可溶物抽提后孔隙明显改善得到证实;其二,高静岩压力使煤原生孔隙发育变差,已证实,深成热变质煤比区域热变质煤(同煤级)的孔容发育要差;其三,煤变质作用形成的气孔尚未大量发育,而瘦煤渗流孔隙的恢复与变质气孔的生成有关。贫煤、无烟煤等高煤级煤的渗流孔隙发育显著恢复,应该与变质气孔大量生成有关,有资料显示,镜质组反射率超过4.5%以后,渗流孔隙的发育又急剧变差。关于沁水盆地南部煤储层(基质)渗流孔隙,可以得到两点重要认识:①渗流孔隙的发育对煤的吸附能力影响微弱;②煤储层渗流孔隙和凝聚—吸附孔隙较其他地区同煤级煤要发育,可以与燕山晚期高异常地热场引起的煤变质有关。2.煤的比表面积和其吸煤的有机大分子是由许多结构相似但又不同的结构单元组成。结构单元的核心是缩合程度不同的芳环,还存在一些脂环及杂环,结构单元之间由氧桥及亚甲基桥联结,他们还带有侧链和官能团,主要是烷基、羟基、羧基基及某些煤中的甲氧基。大分子在三维空间交联成为网状结构。煤的大分子结构特征决定吸附孔隙的发育程度,吸附孔隙的发育程度可以通过比表面积来表征。低煤级煤结构单元的芳构化程度较低,侧链和官能团发育,分子半径大,大分子的堆积较为疏松,结构单元间的结合也不够紧密,吸附孔隙和吸收孔隙均很发育,表现为煤的比表面积大、吸收孔隙比表面积比小;高煤级煤的结构单元的芳构化程度高,侧链和官能团大量脱落,分子半径变小,大分子的堆积变得致密,同时结构单元排列的有序化加强,随煤化作用程度增高,吸附孔隙变小,部分吸附孔隙变为吸收孔隙,表现为煤的比表面积较低煤级煤要低,但吸收孔隙比表面积比较低煤级煤要高,镜质组反射率超过4.5%时,煤大分子结构单元因拼叠作用发生“晶化”,吸附孔隙和吸收孔隙锐减导致比表面积陡降。煤中有机质并非全部为大分子,在大分子网络结构中一些小分子以氢键及范德华力与其相连,小分子因占吸附位或充填而对吸附和吸收孔隙发育不利。中煤级煤有机质中小分子最多,吸附孔隙和吸收孔隙的发育较高煤级还要差,吸收孔隙的比表面积比也最小。沁水盆地南部煤储层以吸附孔隙、吸收孔隙较发育,且吸收孔隙比表面积比高为特征。凝聚—吸附孔隙的成因较为复杂,认识有待深化。四、b凝聚—主要结论(1)煤孔隙的储集运移类型可分为渗流孔隙、凝聚—