煤层孔隙结构对吸附作用的力学效应

冯 煜，杨 波，潘兴南，崔 波

(贵州理工学院资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

煤是一种多孔隙的结构，煤作为一种多孔隙结构齐内部孔隙结构形态多样，孔径之间相差较大且成因较为复杂，不同的孔隙在煤体内部或连通或相对孤立地分布于煤体内部，这些孔隙空间的存在与煤体中的裂隙共同构建煤层气体的储集场所和运移通道，同时煤的孔隙结构也对与煤层储气与渗透能力有着决定性因素。 当前国内外学者对于煤中孔隙分类方法较多，主要分类方法是根据孔隙成因、孔径大小和形态结构特征三种分类方案。

1 煤层孔隙结构及吸附机制

国外学者对煤层的孔隙特征的研究始于20 世纪60 年代，通过分析压汞实验数据资料、压汞曲线特征，将煤孔径分为三类，如表1所示。

表1 煤孔径分类

研究者B.B[1]依据煤的渗透性能和力学性能对煤的孔径特征提出十进制分类方案。 Close[2]通过对不同储层煤孔隙-裂隙的研究，得出煤是由孔隙-裂隙双孔隙系统组成的多孔介质。 付雪海等[3]根据煤储层中瓦斯气体的运动特征，不同分子运移自由程直径大小，并且基于对不同煤样压汞法试验结果的分析和总结归类，将煤孔隙划分为大于65nm 以渗透为主的孔隙和小于65nm以扩散为主的孔隙两大类，综合上述结果并通过进一步的分形特征研究，可将扩散孔隙孔径在此进行划分，如表2 所示。

表2 扩散孔隙孔径

而渗透孔隙也分为三类，如表3 所示。

表3 渗透孔隙

在煤孔隙成因分类研究中较为突出的为郝琦[4]，其利用扫描电子技术，依据煤的表面显微形态特征及其成因类型，对不同煤级的煤的显微孔隙结构进行系统的研究和分类，将煤体孔隙按照成因分为原生粒间孔、气结构孔、植物组织结构孔、晶间体结构孔以及溶蚀结构孔和矿物铸模结构孔等。 张慧[5]以煤的变质程度和煤岩显微组分的不同为基础，借助于大量的扫面电镜图像进行归纳，将孔隙结构依据成因不同，分为外生结构孔、变质结构孔、原生结构孔、矿物质结构孔四大类。

孔隙形态结构分类大多数的研究基于低温液氮吸附试验，并由此得出的吸附曲线和压汞曲线。 陈萍、唐修义等[6]依据多个煤样在低温液氮吸附数据的吸附回线的形态、结构特征，从煤层气开采的实际考虑，将煤层孔隙形态分为三类，即两端开口的圆柱形和四边都开放的平行式的板状类孔、一端封闭起来的圆柱形和锥形类孔、墨水瓶形状的细颈瓶类孔结构。 吴俊[7]等依据压汞试验数据的进退汞回线和曲线形态对孔隙形态进行了研究，最终将孔隙依据孔喉分布特征分为三大类型(过渡型、开放型和封闭型)，并结合形态特征的不同特点分别解释了不同孔隙类型对煤层内气体的解吸、扩散和渗流的作用及其影响。 严继民[8]依据压汞试验数据所绘制的退汞曲线，将孔隙分为A(两端都开放的管状毛细孔，孔较粗有利于油、气的运移)、B(平整壁狭缝状毛细孔隙，利于油、气的运移)、C(多出现在基质镜质体中双锥型管状和锥形毛细孔隙)、D(四面都开放的尖壁型毛细孔)、E(具有墨水瓶状孔隙或细颈管状孔隙，利于气体的储存，但不利于运移)五种类型。

关于孔隙形态结构、连通性方面，张素新等[9]利用扫描电镜，观察了煤中不同成因的孔隙，并指出微孔隙是煤层气储存的场所，微孔隙系统是已解吸的煤层气通过扩散或渗透方式初次汇集的通道，孔隙系统的发育程度直接影响煤层气的解吸率和解吸速度；国外学者利用压汞法和低温液氮吸附法，根据相应的图形推断孔隙的形态及计算孔隙度，进而分析得出孔隙形态和孔隙度不仅对煤中气体的运移行为产生影响，而且会影响煤中气体的存储和吸附机制；张占存采用低温液氮吸附的方法测试了煤的吸附等温线，分析了吸附等温线形成原因，并总结了煤的吸附特性，通过对实验煤样实际测量的累计孔径及孔容分布，总结出煤中孔是从微小孔隙至大孔隙而形成的连续、完整的孔隙系统，计算表明<5nm 的微孔在其所测试样品中占有主导地位。

2 地质作用对煤体孔隙结构的控制

张群等[10]通过平衡水实验，对不同煤阶和吸附能力之间的关系进行测试，得出镜质组反射率Ro 在0.45%到4.25%之间时，煤的吸附能力随煤阶上升呈正比增加的趋势；而LNYC 等[11]认为煤的吸附能力随煤阶不同是近似“U”型的关系，当烟煤阶段为中阶变质程度时，煤的吸附能力处于最低；数据表明随着煤阶的增加，煤的吸附能力先后经历4 个阶段：快速增加阶(Ro<1.3%)、缓慢增加阶段(Ro 介于1.3%--2.5%)、达到极大值阶段(Ro 介于2.5%--4.0%)和降低阶段(Ro>4.0%)；降文萍[12]采用量子化学研究方法，研究了甲烷分子间与不同煤阶产生的作用能，发现当煤基质孔径的增大时，煤基质间和甲烷分子的相互作用能也能增大，结合了不同煤阶的物理性质，解释不同煤吸附；随着煤阶的增加，煤的孔隙度呈现“U”的变化规律；许江[13]研究发现煤的变质程度与孔隙特征呈递增趋势；王维生[14]等人认为，煤层的煤岩成分和煤质是控制煤孔裂隙不同和分布的主要特性；煤层气地质条件的优良对于控制煤层孔隙和渗透特性有重要的作用，是煤层气勘探开发的基本因素；姚艳斌[15]对华北矿区煤储层特征及其影响因素进行了研究，指出影响华东地区煤孔隙层的吸附能力的主要因素是煤岩煤孔隙率大小、组分不同、煤阶大小不同，特别是煤中所含元素尤为重要，其中煤阶对煤的吸附性能起控制作用。 以上的研究都表明：变质作用、煤岩组分和构造作用对煤体的微观结构及煤层气吸附、解吸、运移、扩散、渗流规律具有重要影响，并极具研究价值。

3 煤体渗透性与力学效应

赵庆波、张公明等[16]结合沁水盆地煤层气开发利用的实际情况，将控制煤层气抽采的多种因素指标进行分析和归类，分析出了煤层含气量、煤层厚度和资源总量是煤储层气开发并利用的基础，想要提高煤层气的开采产量，煤层渗透率是提高产量主要条件。 傅雪海等[3]研究指出渗透性是煤储层的一个重要条件，煤中孔隙、裂隙是煤层气体渗流的主要通道。 Somerton W H[17]在有效应力和孔隙、裂隙和渗透率之间的关系中表明有效应力增加，渗透率呈指数相反趋势。 傅雪海[18]表明煤割理有效应力与压缩性形变的关系符合Langmuir 方程，随着有效应力的不断上升，割理宽度呈指数形式下降，煤储层渗透率大小与初始割理形成宽度和产状以及受力状态都有必要关系。

将构造煤与原生结构煤同时在围压下进行测定，得出构造煤的孔隙结构和渗透率变化较大，原生结构煤的孔隙结构和渗透率的变化相对较小。 对构造煤的研究发现脆性变形煤的主要变现为煤体的结构破裂，孔隙结构主要是以大孔和中孔为主。 Gray[19]指出由于煤层气解吸和吸附的逆过程反复进行，使得煤基收缩变形，导致孔隙分布发生变化、裂隙宽度增加，从而煤层渗透率也随之增大。 美国的煤层气开采理论始于20 世纪80 年代，形成了中煤阶煤层气开采的成熟理论，认为中阶段煤层已进入产气高峰期，气源丰富，煤层孔-裂隙发育较好，连通性较好，渗透性高，且机械强度适中，便于实施压裂改造技术；由于低阶煤煤层产气量低，煤层气开采资源量少，不具备开采的有利条件；高煤阶煤产气量虽高但储层孔-裂隙不发育，割理闭合，煤层渗透性、产气能力较低。 在实际生产过程中根据不相似情况的地质条件采用不同的评价标准，当然在不同的标准都对煤的孔隙结构和渗透性也具有不同的要求。

4 结语

煤岩体孔隙结构从微小孔隙至大孔隙而形成的连续、完整的孔隙系统，计算表明<5nm 的微孔在媒岩内孔隙系统中占有主导地位。 从地质作用对煤体孔隙结构的研究表明，变质作用是煤岩的组分和构造作用，对煤体的微观结构及煤层气吸附、解吸、运移、扩散、渗流规律具有重要影响。 在实际生产过程中根据不同的地质条件，采用不同的评价标准，当然不同的标准对煤的孔隙结构和渗透性也具有不同的要求。

煤层多孔隙特征对于煤层气的开采具有理论指导意义，在进行煤层气开采前期，要对煤层孔隙渗透性进行归类研究，对于煤层气的前期地质评价和排采制度的有深远的意义。