郑庄井田3 号煤孔隙结构特征

闫 东

（山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 048012）

煤层孔隙结构特征对煤层气吸附、扩散、运移有重要影响[1-2]，长期以来，在孔隙研究技术、实验方法、孔隙结构特征等方面开展了较为系统研究[3-4]。受多地质要素及差异性影响，煤层孔隙结构具有分形特征和分异现象[5-6]。

低温液氮吸附法常用于煤层孔隙结构测定分析，其原理为：液氮低温下，当吸附、脱附达到平衡时，氮气吸附量与相对压力互为函数关系。相对压力发生变化，氮气分子在孔隙表面发生毛细凝聚、多分子层吸附，相应符合BJH 毛细凝聚模型和BET吸附理论，利用这些理论模型求取比表面积、孔容、孔径及孔隙结构形态测定分析[7-8]。为此，以郑庄井田为工程背景，采用低温液氮吸附静态容量法对井田3 号煤层孔隙结构特征进行研究。

1 井田概况

郑庄井田地处沁水煤田东南部沁水县郑庄镇一带，受区域构造控制井田构造形态总体呈倾向北～北北东的单斜构造，地层倾角较小。宽缓、波幅不大的次级褶皱构造较发育，断层发育较少且主要为小断层，陷落柱稀疏发育，无岩浆侵入现象。

井田煤系相对发育，石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为主要煤系，含煤9～16 层，其中，山西组3 号煤层和太原组15 号煤层为稳定可采煤层，其余为不稳定、不可采煤层。3 号煤层为厚煤层，煤类为无烟煤，煤层含气量较高，为煤炭和煤层气开发主要层位。

2 样品采集与描述

2.1 煤样采集

本着采全、采准实验样品原则，按照实验要求对煤层样品进行了采集（图1）。采样时，尽量采全煤体结构类型，多个位置采样，煤样纯净，不含矸石及有无机岩类充填，并参照国标《煤体结构分类》（GB/T 30050-2013）对煤体结构类型进行了判识及分类。

图1 样品采集实物图

2.2 煤样描述

3 号煤层硬度较大（普氏硬度系数4.4），煤层原生结构与构造保存较完好，煤体结构类型以原生结构煤为主，碎裂煤次之。煤体呈黑色，具金属光泽，褐黑色条痕。内生裂隙系统相对发育，贝壳状、参差状断口，条带状结构，层状构造，宏观煤岩组分以亮煤为主、暗煤次之，夹镜煤条带。

3 煤层孔隙结构特征

3.1 实验方法及实验仪器

基于低温液氮吸附静态容量法，采用ASAP 2020 物理吸附仪对井田3 号煤层孔隙结构特征进行实验研究，仪器由真空泵、气源、玻璃歧管、冷却剂杜瓦、样品管、压力测定管、压力测量装置构成（图2），具有精度和自动化程度高、数据可靠、孔径测定范围广等特点，可实现多尺度孔隙（0.35～30 000 nm）、微小比表面积（不小于0.000 5 m2/g）及孔隙体积（不小于0.000 1 cm3/g）的测定分析。

图2 ASAP 2020 物理吸附仪系统构成及原理图

3.2 实验流程

煤层为孔裂隙双重发育的有机岩石，目前，煤层气行业还没有专门基于低温液氮吸附法的煤层孔隙结构特征实验标准或规范，实验过程主要参照石油行业标准《岩石比表面积和孔径分布测定 静态吸附容量法》（SY/T 6154-2019）执行。

3.3 实验结果分析

3.3.1 煤层孔隙形态结构

根据郑庄井田3 号煤层吸附实验的吸附、脱附曲线特征，将煤层孔隙形态结构划分为2 种类型。

1）a 类

该类孔隙的吸附、脱附曲线不重叠，不重叠区域呈“大刀”状，在0.42～0.50 相对压力段，脱附曲线有显著拐点。0～0.1 的相对压力段，吸附量增加快速，吸附曲线表现为急倾斜。0.1～0.9 相对压力段，吸附量增加放缓，吸附曲线呈缓倾斜、近水平。0.9～1.0 较高相对压力段，吸附量增加快速，吸附曲线表现为急倾斜、近似急倾斜；脱附曲线在0.9～1.0高相对压力段，液氮快速脱附，脱附曲线表现为急倾斜。0.5～0.9 相对压力段，吸附气解吸缓慢，脱附曲线表现为平缓状；0.05～0.42 相对压力较低段，解吸气量表现为缓慢增加，脱附曲线呈近水平状；0～0.05 低相对压力值段，快速脱附，脱附曲线表现为急倾斜状。同时，0.42～0.50 中值相对压力段，具有明显的滞缓环。煤层孔隙形态结构与李小彦等[9]划分的B 型类似，如图3（a）～（c）所示，说明煤层孔隙形态结构比较复杂。煤中孔隙以一端开口的筒状孔为主，并发育有四面开口平行板状孔、两端开口的筒状孔及微量“墨水瓶状”孔隙（图4）。

图3 3 号煤吸附、脱附曲线特征

图4 不同孔隙结构形态

2）b 类

b 类孔隙形态结构的吸附、脱附曲线的不重叠间距较a 类小，脱附拐点更显著，与李小彦等[9]研究的C 型类似，如图3（d），表明煤层孔隙形态复杂程度较a 类简单，煤层渗透性整体优于a 类样品。煤层中主要为“墨水瓶状”孔，同时有一端、两端开口的筒状孔及四面开口的平行板状孔发育（图4）。

3.3.2 孔隙大小

孔隙大小主要用孔径来划分和定量表征，研究煤层中过渡孔、微孔最为发育，煤层气在煤层孔隙中以物理吸附、毛细管凝聚及扩散方式储集和运移[4]，3 号煤层孔径（BJH 孔径）一般为6.947 3～32.188 7 nm，平均为13.200 8 nm（表1），按照B.B.霍多特煤孔隙大小十进制分类法[4]，3 号煤层孔隙主要为过渡孔和微孔。样品间的BJH 孔径存在一定差异，总体表现为煤变质程度高，煤体破坏小，BJH 孔径越小。反之，变质程度低、煤体破坏严重，孔径变大趋势。

表1 孔隙大小测定结果

3.3.3 比表面积

比表面积总体较高，一般为5.924 7～9.846 2 m2/g，平均7.930 2 m2/g（表2）。煤变质程度对比表面积影响最为显著，随着煤变质程度升高，煤中微孔及过渡孔越发育，比表面积越大，反之亦然。不同大小孔隙的比表面积贡献程度不同，微孔比表面积占比最高，一般52.73%～66.58%，平均58.77%；过渡孔占比次之，一般为29.61%～37.79%，平均34.17%；中孔贡献程度位居第三，所占比例2.16%～6.84%，平均4.50%；大孔发育少，其比表面积所占比例仅为0.11%～2.21%，平均1.09%。

表2 比表面测定结果

3.3.4 孔隙体积

孔隙体积总体较高，一般为0.003 1～0.004 2 cm3/g，平均0.003 6 cm3/g（表3），显示该煤层具有较好的煤层气储集空间。不同大小孔隙的孔容不同，过渡孔为孔隙体积的最大贡献者，占比最高（52.16%～61.75%，平均57%）；微孔和中孔的体积占比次之且二者相当，其中，微孔体积占比16.72%～29.11%，平均19.97%，中孔体积占比12.83%～22.37%，平均19.46%；大孔发育少且孔隙体积占比低，仅为0.57%～5.90%，平均3.58%。

表3 孔隙体积测定结果

4 结论

1）煤层非均质性强，致使3 号煤层样品间孔隙结构形态、孔隙大小、比表面积及孔隙体积具有显著差异和分形现象。

2）孔隙形态结构复杂，以一端开口的筒状孔和“墨水瓶”状孔为主，并发育少量四面开口平行板状、两端开口状孔隙。

3）过渡孔和微孔最为发育，微孔比表面积最大、占比最高，过渡孔比表面积占比次之，中孔比表面积占比位居第三位，大孔比表面积占比最小；孔隙体积总体较高，过渡孔的孔隙体积占比最高，微孔和中孔的孔隙体积占比次之且二者相当，大孔孔隙体积占比最低。