煤体解吸甲烷规律及解吸后微结构特征研究

范家文，刘 健

(1.山西煤炭运销集团 晋能煤矿工程公司，山西 太原 030031；2.山西能源学院，山西 晋中 030600)

我国非常规油气资源储量巨大，煤层气作为其中之一，其高效开采对缓解目前我国能源紧缺现状具有重要的意义[1-3]。煤层气地面抽采技术是指在地面进行钻孔布井，直接将井筒通至矿层，然后进行瓦斯的抽采，该技术抽采瓦斯浓度可达90%[4]，而且技术难度相对较低，所以多年来我国一直大力倡导通过地面抽采技术进行煤层气的开发。

瓦斯在煤体中主要以游离态、吸收态和吸附态这三种形式赋存，其中，近90%的瓦斯以吸附态存在[5，6]。吸附态的瓦斯只有充分解吸，从煤体中渗出，才能从生产井中抽采出来，故煤体的渗透特性直接关系到瓦斯抽采的效率和煤层气产量。煤体内部的孔隙和裂隙是流体渗流的通道，其发育程度决定煤体的渗透特性。原位状态下煤体吸附解吸特性的主要影响因素是温度和孔隙压力，基于此，本文对温度和压力作用下煤体的吸附、解吸特征进行系统研究，由此得到煤层气抽采的最优温度，最后对煤体解吸瓦斯后的微细观结构进行CT扫描分析，得到煤体内孔裂隙结构的发育特征，对矿井瓦斯抽采技术的应用和发展具有重要的意义。

1 实验过程

1.1 实验方案

瓦斯吸附解吸的试验装置主要包括甲烷气瓶、手动泵、中间容器、反应釜、驱替泵以及空压机等，如图1所示。测试所用煤样为标准煤样，加热方式为水浴加热，可测试温度范围为常温～90℃。根据煤层的赋存深度，在试验时设置静水压力为10MPa，设置测试温度分别为40℃、60℃以及80℃，孔隙压力分别为4MPa、6MPa和8MPa，从而进行不同温度和孔隙压组合下的煤体吸附解吸瓦斯试验。

图1 煤体吸附解吸甲烷试验装置示意

1.2 实验步骤

1)试验装置气密性检测。通过橡胶套密封煤样，然后将其置入反应釜内，利用驱替泵施加10MPa的静水压力，模拟煤层的原位赋存状态。将一定压力的气体通过到釜体内部，稳定2.5h后观测是否有气体排出，判定整个试验系统的气密性。

2)对反应釜及其管线等抽真空12h，然后将反应釜进气端和出气端阀门关闭，打开甲烷气瓶，使中间容器内的压力达到4MPa，即孔隙压力为4MPa。

4)煤体吸附甲烷试验完成后，关闭反应釜的进气端阀门，打开出气端，进行煤体解吸甲烷试验，通过排水法收集气体，每隔一定时间记录排液量，当示数几乎不变时说明甲烷解吸完成。

5)上述过程完成了一个孔隙压力下煤体吸附解吸甲烷的试验，完成后同样进行抽真空处理，调节手动泵，使得中间容器压力达到6MPa，进行孔隙压为6MPa下煤体吸附解吸甲烷的试验，如此反复就可完成不同孔隙压力下煤体吸附解吸甲烷的试验。

6)将水浴槽温度升高到下一个温度点，依照步骤1)—5)就可以完成不同温度和孔隙压力下煤体吸附解吸甲烷的试验。

1.3 吸附量和解吸量计算

进行煤体吸附甲烷试验时，反应釜和中间容器组成了一个密闭空间[7-9]。将实验气体假设为理想气体，通过理想气体方程来计算煤体对甲烷的吸附量，由此得到式(1)。

V×(P1-P2)=(V1+V2)×P0

(1)

式中，P1和P2分别为试验前后中间容器的压力值，MPa；V为中间容器及与反应釜相连的管线内部的气体体积，mL；V1为煤样吸附的体积，mL；V2为煤样外反应釜内部的气体体积，mL；P0为大气压强，MPa。

将煤样换成同样尺寸的不锈钢柱体，进行同样测试条件下甲烷的吸附试验，由此得到的吸附量为V2。

煤体解吸瓦斯的体积可通过式(2)计算：

且说这日宝玉洗澡，宝钗斜躺在沙发上看旧碟片，看到《手机》，主人公严守一妻子看他的手机短信后，迫他脱下衣服，果见鲜亮的咬痕。仿佛为响应这一情节，宝玉的手机响起来，宝钗忙接起来，是软款款的女声：“宝，昨儿晚上……”宝钗忽然想起前天收拾被褥时，见枕头上躺着一根酒红色的卷发。这呆子做官挣钱没脑子，招惹女人倒是有一套的，自己怎就大意了呢？！

Vd=V2+V3

(2)

式中，V3为煤样解吸的体积，mL。

则煤体对瓦斯的解吸率通过式(3)计算。

2 煤体对瓦斯吸附量的变化规律

不同温度下煤体对甲烷的吸附量与时间的定量关系如图2所示，由图2可知，当温度不变时，随着孔隙压的增大，煤体对甲烷的吸附量也在增加；而孔隙压力不变时，煤体对甲烷的吸附量随着温度的升高而减少，由此可见，温度升高不利于煤体对瓦斯的吸附。不同温度和压力煤体对甲烷的最终吸附量见表1。

图2 煤体对甲烷吸附量随时间的变化特征

表1 煤体对甲烷的最终吸附量

从图2中还可以发现，在不同的时间范围内，煤体对甲烷吸附量的变化速率不同。当时间低于25min时，随着时间的延长，吸附量在快速增加，在该阶段甲烷气体会快速运移至反应釜内的自由空间；当时间处于25～400min时，吸附量的增加速率较为缓慢，该阶段为煤体对甲烷吸附的主要阶段，甲烷分子逐步扩散到煤体内部的孔裂隙空间，煤基质逐步完成对甲烷分子的吸附；当时间超过400min时，煤基质对甲烷分子的吸附逐渐趋于饱和，故煤体对甲烷吸附量的变化极小。

目前主要采用Langmuir模型来分析单组份气体的等温吸附特征[10，11]，认为在多孔介质表层存在气体分子的吸附位，同时吸附层位为单分子层吸附，可用式(4)表示。

式中，V为P压力下煤对甲烷的吸附量，mL/g；PL为Langmuir压力，Pa；VL为单层容量的最大值，即Langmuir体积，mL/g。

甲烷在煤中的等温吸附特征如图3所示。在图3中，甲烷吸附量与孔隙压力几乎呈线性关系，符合Langmuir模型。当温度为80℃时，甲烷吸附量处于较低水平，这是因为高温作用会提高甲烷分子的能量和活性，使得煤体基质对气体分子的吸附性减弱；而且在应力约束状态下煤体内部发育的裂隙等会发生闭合，从而使比表面积和吸附空间减小。同时，在高温三轴作用下煤体发生塑性变形，渗流空间减弱，甲烷运移难度升高。

图3 甲烷的等温吸附曲线

3 瓦斯解吸量的变化规律

不同温度下煤体对甲烷的解吸量与时间的定量关系如图4所示。煤体解吸瓦斯的过程是吸热反应，由图4可知，随着孔隙压的增大，煤体对甲烷的解吸量也在增加；而孔隙压力为4MPa和6MPa时，煤体对甲烷的解吸量随着温度的升高总体呈减小趋势。当孔隙压力为8MPa时，随着温度的升高，甲烷解吸量表现为先增加后减小的趋势。究其原因，虽然温度升高会加大甲烷分子的活性和能量，使得煤体基质对甲烷的吸附性减弱；但当温度较高时，外围应力会限制煤体的变形，从而使得部分孔隙和裂隙受挤压而产生向内的变形，减少了有效渗流通道[12-14]；在这两方面的综合作用下使得温度从60℃增大到80℃的过程中甲烷解吸量呈轻微减少趋势。不同温度和压力煤体对甲烷的最终解吸量见表2。

图4 煤体对甲烷解吸量随时间的变化特征

表2 煤体对甲烷的最终解吸量

4 温度和孔隙压力对煤体甲烷解吸率的影响

图5 不同孔隙压力下甲烷解吸率与温度间关系

不同温度和孔隙压力下煤体对甲烷的解吸率如图5所示。由图5可知，孔隙压力对甲烷解吸率的影响极小，主要影响因素为温度。温度从40℃升高至80℃，煤体对甲烷的解吸率几乎呈线性趋势增加。当温度为40℃、孔隙压力为8MPa时，解吸率最小，其值为36.49%；当温度为80℃、孔隙压力为4MPa时，解吸率最大，其值为56.84%。总体上，认为80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点。

在MATLAB软件中以甲烷解吸率(z)作为因变量，温度(x)和孔隙压力(y)作为自变量，进行了多元回归分析，认为温度和孔隙压力耦合效应对甲烷解吸率的影响可用多元线性回归模型来表示：z=0.1874-0.00048x+0.2785y(相关系数R2=0.94)。甲烷解吸率与温度、孔隙压间关系如图6所示。

图6 甲烷解吸率与温度、孔隙压的关系

5 煤体解吸瓦斯后内部微观结构特征

由于80℃时煤体对瓦斯的解吸率最高，故对该温度下解吸后的煤体进行显微CT测试，从而对其内部微细观结构进行定量阐述。此次所用CT扫描设备为天津三英nanoVoxel-3000，最高空间分辨能力0.5μm，系统主要包括射线源、探测器、机械系统、计算机系统、防辐射箱体，如图7所示。

图7 nanoVoxel-3000型CT扫描仪

测试设置的扫描电压为80kV，电流为60μA，可识别3.11μm的孔隙和裂隙。对煤样进行全直径CT扫描测试，得到了样品内部三维结构数据体的三维展示，如图8所示。

图8 样品内部三维结构数据体的三维展示

对样品内部XY方向、YZ方向以及XZ方向切面的图像进行提取，得到了不同切面的二维效果图，据此可以更加系统了解孔隙、裂缝和矿物的分布情况，如图9、图10所示。

图9 样品内部不同切面的二维效果图

图10 原样的YZ方向二维效果图

煤体内部的贯通裂隙为原生裂隙(图10)，而图9中小裂隙为煤体吸附解吸过程中形成的次生裂隙，虽然在温度作用下煤体变形会受到外围应力的约束，但该类型的裂隙依然为甲烷分子在煤体内部的运移和扩散提供了良好通路，降低了甲烷解吸的难度，而且甲烷分子在运移过程中会进一步拓宽裂隙。对CT扫描后的3D图进行阈值分割，可以得到孔隙和裂隙分布的三维渲染图，如图11所示。沿着纵向将第251—1250层导入到AVIZO9.0软件中，并通过恰当的阈值对这些灰度图像进行阈值分割，得到的样品内部不同层位裂隙结构的孔隙率变化趋势如图12所示。总体上，样品在不同层位切片的孔隙率变化较小，均在孔隙率均值线附近波动，这是因为煤是横观各向同性岩体，其破裂形式以弱面的破裂为主，故在纵轴方向孔隙率变化不大，保持在6.32%～9.38%之间，由此得到解吸瓦斯后煤样的平均孔隙度为7.4%。煤体在原始状态下内部仅存在原生裂隙，总体上是致密结构，孔隙度极低。而煤体解吸瓦斯后内部形成了大量的孔隙，这就为甲烷气体的排采提供了较多的空间。

图11 样品内部孔隙和裂隙分布的三维效果图

图12 样品内部不同层位的孔隙度

将孔隙和裂隙等效为圆形，则孔径即为圆的直径，对不同孔径的孔裂隙进行筛分，可以得到相应孔径孔隙空间的分布特征，同时可以对其数量进行统计。不同孔径范围内孔隙分布如图13所示。从图13中可以看出，在解吸后煤体的孔径分布中，孔径低于30μm的孔隙在三维空间内的分布范围较广，其次为孔径处于50～80μm间的孔隙，孔径高于80μm的孔隙数量相对较少，在三维空间中的分布较为零散。由此可见，当温度为80℃时，孔径低于30μm的孔裂隙是甲烷解吸、扩散以及运移的主要通道。

图13 部分孔隙分布的三维空间图

不同孔径范围的孔隙所占比如图14所示，从中可以发现，孔径超过80μm的孔隙占比最小，仅为5.67%；孔径处于5～15μm的孔隙所占比最大，可达43.12%；总体上，孔径处于30μm以下的孔隙所占比例达到了76.36%。

图14 不同孔径孔隙所占比例

6 结论

本文进行不同温度和压力下煤体吸附解吸甲烷的试验，得到了解吸瓦斯的合理参数，同时对煤样解吸瓦斯后内部的微观结构特征进行了CT扫描测试，所得主要结论为：

1)孔隙压力不变时，煤体对甲烷的吸附量随着温度的升高而减少；当温度较高时，外围应力会限制煤体的变形，使得煤体发生向内的变形，减少了有效渗流通道，抑制甲烷解吸。

2)当温度为80℃、孔隙压力为4MPa时，甲烷解吸率最大，认为80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点。温度和孔隙压力耦合效应对甲烷解吸率的影响可用多元线性回归模型来表示。

3)解吸瓦斯后煤样的孔隙度为7.4%，在不同类别的孔隙结构中，孔径超过80μm的孔隙所占比例最小，仅为5.67%；孔径处于5～15μm间的孔隙所占比例最大，可达43.12%。

4)总体上，煤体解吸瓦斯后形成的孔隙孔径相对较小。当温度为80℃时，孔径低于30μm的孔隙比例高达76.36%，由此作为甲烷解吸、扩散以及运移的主要通道。