基于低温液氮吸附实验的寺河煤层气区块3号煤孔隙特征研究

2019-11-22申晋国

煤 2019年11期

申晋国

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048012)

煤孔隙特征对煤层气吸附、储集、扩散、渗流等行为具有重要控制作用，是煤层气开发有利区评价及优选、矿井瓦斯抽采及防治的重要研究内容之一[1-3]。煤孔隙研究历来已久，近年来随着煤层气产业的蓬勃发展，其研究亦尤为广泛。迄今，已在孔隙成因类型[4-5]、孔隙大小划分[6]、孔隙研究方法及测试手段[7]、孔隙对煤层气赋存及产出行为控制[8-9]等方面开展了相对系统且深入的研究，极大丰富了煤层气勘探开发理论和有力地指导了生产实践。受煤体结构类型、显微煤岩组分、煤中矿物含量、煤变质程度、构造应力场等影响，使得煤具有极强非均质性特征，导致不同、同一煤矿区的不同煤层及同一煤层间煤孔隙发育特征具有显著差异[10]。煤孔隙特征的差异性，在一定程度上影响了煤层气开发及矿井瓦斯防治的效果。为此，本文基于低温液氮吸附法开展了寺河煤层气区块3号煤孔隙特征研究，研究成果以期丰富该区煤层气地质理论，提高煤层气开发、矿井瓦斯防治效果。

1 样品采集与描述

1.1 样品采集

本文所有实验煤样均采集于寺河矿3313采煤工作面(图1)，煤样采集按照“GB/T 482-2008 煤层煤样采取方法”、“SY/T 6154-1995 岩石比表面和孔径分布测定静态氮吸附容量法”中相关标准执行。同时，为了确保或提高实验结果的真实可靠性，采集了原生结构和构造保存完好(或无次生破坏)、纯净(无夹矸、无外生矿物质充填等)的不同煤体结构块煤样。

1.2 样品描述

寺河煤层气区块3号煤层的物理性质及宏观煤岩特征如图1所示，区块内3号煤的煤体结构保存相对完好，煤体结构类型基本为原生构造煤。煤的宏观煤岩类型以光亮型为主，少见半光亮型。黑色条痕，基本不染手。质较均一坚硬，块状构造，阶梯状、不规则状断口，似金属光泽。煤变质程度较高(无烟煤三号)，煤中孔裂隙系统极为发育，部分孔裂隙中可见方解石脉、黄铁矿等无机矿物质所充填，煤中可见少量条带状构造。

图1 寺河煤层气区块3号煤采集样品

2 低温液氮吸附法的煤孔隙特征

2.1 实验仪器及技术性能指标

ASAP2020M型全自动比表面积和孔隙度分析仪(图2)借助气体(二氧化碳、氮气及氩气等吸附质)对多孔介质(煤、活性炭、沸石等)的吸附原理(或“静态容量法”等温吸附原理)，实现对多孔介质材料的孔比表面积、孔隙体积(孔容)、孔径等孔隙结构特征参数进行实验检测分析，因此，本文采用该仪器对寺河煤层气区块3号煤孔隙结构特征参数进行了实验测定。该仪器具有实验过程自动操作和数据自动采集存储特点，可实现0.005 m2/g至无上限孔比表面积及0.35～500 nm孔径检测和分析，微孔区段分辨率高达0.02 nm，孔隙体积(孔容)最小检测值为0.000 1 cm3/g，仪器分析时真空度可达10-5mmHg。

图2 ASAP2020M型全自动比表面积和孔隙度分析仪

2.2 实验仪器工作原理

煤是一种复杂的多孔介质，对氮气、二氧化碳、甲烷等气体具有很强的吸附性能，因此，常利用气体吸附试验获得煤的孔隙结构特征参数，进而实现煤孔隙的定量描述和精细表征[11-12]。煤的低温液氮吸附原理是：在恒定实验温度下，煤对氮气的吸附量受相对压力(P/P0)控制，不同压力条件下煤的氮气吸附量不同。在实验相对压力(P/P0)0～1.0范围内，煤吸附氮气量与实验压力间符合BET 吸附方程，基于该吸附方程，采用DFT理论和BJH法可以获得煤的微小孔隙比表面积、孔径、孔容(孔隙体积)等孔隙结构特征参数[13]。

2.3 样品制备

通过采取新鲜、纯净、显微组分比较单一的煤块样，然后对煤块样进行粉碎处理；利用40～60目孔径的筛子对粉碎煤样进行筛分，取筛分样品不低于5～10 g装入样品袋中，然后对样品进行标签(包括采样时间、样品编号、采样层位、层位及煤层编号等)；把样品置于105 ℃干燥箱中干燥8 h，对干燥后样品称重并记录后样品制作完毕，最后按照行业标准“岩石比表面和孔径分布测定静态氮吸附容量法(SY/T 6154-1995)进行实验”。

2.4 实验结果分析

1) 孔隙形态。煤是一种孔裂隙发育的吸附剂，对低温液氮、二氧化碳、氩气等吸附质具有良好的吸附特性[14-16]。相关人员基于大量的吸附剂对吸附质的吸附、脱附特征曲线(即吸附、脱附曲线)，总结出吸附剂的孔隙形态不同，其吸附、脱附曲线特征亦不同(图3)[14]。寺河煤层气区块3号煤的样品间的吸附、脱附曲线总体类似，吸附曲线在下，脱附曲线在上且二者不重合，吸附曲线和脱附曲线间存在明显“滞后环”和具有“三线段”特征(图4)。在相对压力(P/P0)0～0.1实验压力范围内，煤吸附和脱附液氮量分别快速增加和快速降低，吸附、脱附曲线分别呈近似陡立的曲线段；在相对压力(P/P0)0.1～0.9 实验压力范围内，煤吸附和脱附液氮量分别表现出缓慢增加和缓慢降低，吸附、脱附曲线呈近似水平的曲线段；在相对压力(P/P0)0.9～1.0 实验压力范围内，煤吸附和脱附液氮量又分别表现出快速增加和快速降低，吸附、脱附曲线呈近似陡立的曲线段。寺河煤层气区块3号煤的上述吸附、脱附曲线特征，表明煤中主要发育有四边开口的平行板状孔和两端开口的圆筒孔[14]。同时，所有煤样的脱附曲线均存在一个“拐点”，表明煤中孔隙系统较为复杂。煤样的低温液氮吸附“滞后环”比较宽大且彼此间差别不大，亦表明煤样间开放性孔隙发育程度差别不大且孔隙的连通性和渗透性较好[17]。

图3 吸附剂对吸附质的吸附、脱附特征曲线

2) 比表面积。单位质量煤样的总面积被定义为煤的孔比表面积，煤是一种孔裂隙极为发育的多孔介质，其比表面积非常之大，常用单位为m2/g。煤的变质程度、孔隙发育程度、孔隙大小等对煤的孔比表面积影响尤为关键，孔比表面积作为煤孔隙结构特征主要参数之一，其大小影响着煤层气的吸附能力、储集空间(场所)，因此，瓦斯地质与煤层气地质领域对孔比表面积研究较为广泛[18-19]。煤对吸附质的吸附符合BET多分子层吸附理论[20]，因此本文通过低温液氮吸附法对寺河煤层气区块3号煤孔比表面积进行了测定，获得了一批BET多分子层吸附孔比表面积数据(表1)，其值一般为4.022 6～11.557 7 m2/g，平均为6.822 4 m2/g，两极值相差7.535 1 m2/g。由此可知，寺河煤层气区块3号煤的过渡孔和微孔较为发育且不同煤样间发育不均衡，使得煤孔比表面积整体较高且具有明显的分异现象[21]。

图4 寺河煤层气区块3号煤低温液氮吸附、脱附曲线

表1 寺河煤层气区块3号煤低温液氮吸附法孔比表面积测定结果

3) 孔容。孔容有时又称“孔隙体积”，本文孔容数据均为低温液氮吸附法测定所得，因此，孔容系指为煤中有效孔隙体积(或液氮所能占据的孔隙空间)，常用单位为“cm3/g”。实验分析表明，孔隙发育程度、孔隙的连通性、孔隙充填情况、煤孔隙大小等对孔容具有重要影响，一般而言，大孔越发育、孔隙连通性越好、孔隙无充填，煤的孔容越高，反之亦然[22-23]。寺河煤层气区块3号煤的孔容整体偏小，一般为0.004 465～0.010 253 cm3/g，平均0.006 759 cm3/g(表2)。同时，不同煤样间的孔容值差异较小，体现了煤中有效孔隙的发育程度基本一致。

表2 寺河煤层气区块3号煤低温液氮吸附法孔容测定结果

4) 孔径。煤中发育有不同大小、形态各异的孔隙，为了便于定量研究不同大小孔隙对煤层气吸附储集和运移(扩散、渗流)控制作用，有关学者把煤中孔隙视为规则的圆柱状，并提出了“孔径”概念。孔径亦称“孔宽”，系指圆柱形孔的直径，有的学者则用圆柱形孔的半径来表征，常用单位“nm”。国内外学者对煤的孔隙孔径进行了大量研究，由于研究目的、实验方法、测试仪器等不同，对不同孔径的孔隙类型划分亦不统一[6,24-25]，在瓦斯地质与煤层气勘探开发领域，前苏联学者霍多特(ΧΟΠΟΤ B B)基于工业吸附剂理论的十进制孔径划分方法(大孔>1 000 nm；100 nm<中孔<1 000 nm；10 nm<过渡孔<100 nm；微孔<10 nm)较受业界认同和大量引用[6]。不同孔径的孔隙对煤层气吸附-解吸、扩散、渗流等行为的控制作用不同，煤层气在大、中孔为游离态储集，运移方式以渗流(紊流和层流)为主。煤层气小孔至微孔以吸附气、充填气为主，运移方式以扩散为主。

本文采用低温液氮吸附法对寺河煤层气区块3号煤孔隙特征参数进行了实验测定，获得了基于毛细管凝聚理论(BJH吸附)和吸附理论(BET吸附)测定的孔径值(表3)。其中，毛细管凝聚理论测定的BJH吸附平均孔径为7.271 9～18.635 8 nm，平均12.972 9 nm；吸附理论测定的BET吸附平均孔径为3.548 27～4.513 71 nm，平均4.112 83 nm。由此可知，寺河煤层气区块3号煤因变质程度较高，促使了煤中大量孔裂隙系统发育，煤中孔隙以过渡孔和微孔为主，对煤层气吸附储集提供了良好空间或场所[9]。