鄂爾多斯盆地深部煤層氣吸附能力的影響因素及規(guī)律

陳剛 李五忠

1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

鄂爾多斯盆地深部煤層氣吸附能力的影響因素及規(guī)律

陳剛1，2李五忠2

1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

煤層氣等溫吸附實驗結(jié)果表明，煤層對甲烷的吸附能力主要受儲層壓力、溫度的雙重影響，過去的研究主要關(guān)注煤層氣吸附量隨埋深（壓力）的增大而增大的變化趨勢，而對深埋帶來的溫度升高導(dǎo)致煤層氣吸附量減少則關(guān)注不夠。為此，以鄂爾多斯盆地某深部煤層為例，進(jìn)行煤層氣高溫、高壓吸附實驗，以研究其吸附量隨埋深的變化趨勢，從而指導(dǎo)煤層氣資源評價與目標(biāo)優(yōu)選。結(jié)果表明：①等壓條件下，煤層的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫、高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著；②受溫度和壓力的綜合作用，在較低溫度、壓力條件下壓力對煤層吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度、壓力條件下溫度對煤吸附能力的影響大于壓力的影響；③深部煤層氣的吸附量隨埋深增加呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢，最大吸附量深度為900～1 600 m。該認(rèn)識有別于過去認(rèn)為隨深度增大煤層吸附量持續(xù)升高的傳統(tǒng)觀點。

鄂爾多斯盆地 深部 煤層氣 吸附特征 解吸 等溫吸附實驗 深度

已有研究與實驗表明，煤層氣主要通過范德華力以吸附狀態(tài)存在于煤的內(nèi)表面，等溫條件下，吸附量隨儲層壓力的增大而增大［1－3］；然而，煤層氣的吸附量同樣受到儲層溫度的控制，并隨溫度的升高而減少。實際上，煤層在地層條件下對甲烷的吸附能力主要體現(xiàn)為儲層壓力、溫度的雙重作用，即隨埋深增大、儲層壓力增大帶來的煤層氣吸附量增大與儲層溫度升高帶來的煤層氣吸附量減小的綜合作用結(jié)果。

以往研究主要關(guān)注煤層氣吸附量隨埋深的增大而增大的變化趨勢，對埋深帶來的溫度升高導(dǎo)致的煤層氣吸附量減少關(guān)注不夠。筆者旨在通過對鄂爾多斯盆地深部煤層進(jìn)行高溫高壓吸附實驗，研究深部煤層氣的吸附量隨埋深的變化趨勢，進(jìn)而指導(dǎo)煤層氣資源評價與目標(biāo)優(yōu)選。

1 深部煤層氣吸附實驗

1.1 煤層氣的吸附原理

煤層具有龐大的微孔隙內(nèi)表面積，一般可達(dá)數(shù)百平方米／克，具有很強的吸附性能［4－6］。其吸附原理是由于煤體內(nèi)部的碳原子為飽和狀態(tài)而其表面的碳原子為不飽和狀態(tài)，二者之間產(chǎn)生能量差，即吸附能（又稱范德華力）。

當(dāng)氣體分子運動碰到煤體孔隙表面時，其中一部分就被吸附住，暫時停留在煤的內(nèi)表面上。這種吸附屬于物理吸附，吸附時是放熱反應(yīng)，但釋放出的熱量不足以克服吸附引力，所以氣體分子就牢牢地吸附在煤體內(nèi)表面上而不能自由運動，即呈吸附狀態(tài)的氣體。但是，當(dāng)煤層溫度升高或壓力降低時，所產(chǎn)生的熱量足以克服吸附引力時，被吸附的氣體分子就會脫離煤體內(nèi)表面而回到可以自由運動的游離狀態(tài)的氣體，這種現(xiàn)象稱為解吸。煤層氣的吸附與解吸在理論上具有可逆性，煤層內(nèi)表面積越大，吸附能量越大，能被吸附的氣體分子越多，即吸附量越大。

1.2 吸附實驗

在煤層氣測試實驗中，常利用恒溫下的吸附實驗，做出等溫吸附曲線，來直觀地反應(yīng)煤層氣的吸附性能，即通過等溫吸附線了解煤層氣吸附能力與相應(yīng)壓力的對應(yīng)關(guān)系。目前國內(nèi)外煤層氣開采深度大多淺于1 200 m，煤儲層溫度、壓力條件一般在50℃、20 MPa之內(nèi)，吸附實驗溫度一般選定為恒溫30℃。實驗采用100 g煤樣，經(jīng)破碎處理為大小介于0.2～0.25 mm的樣品后裝入煤樣壓力罐，另一副壓力罐充滿甲烷氣體，與煤樣罐連通，均放入恒溫水浴中，然后打開閥門使氣罐中的甲烷氣體充入煤樣罐，測定不同壓力點的相應(yīng)甲烷吸附量，獲得不同溫度的等溫吸附曲線。筆者針對1 200～3 000 m埋深的深部煤層氣儲層條件，改進(jìn)實驗裝置，將最大實驗溫度增加到100℃，壓力增加到30 MPa，以研究深部煤層氣吸附規(guī)律。

2 深部煤層氣吸附特征及最大吸附量變化規(guī)律

2.1 深部煤層氣吸附特征

針對鄂爾多斯盆地深部煤層氣等溫吸附特征研究，選取了氣、肥、焦、瘦煤不同煤階（Ro介于0.68%～1.93%），按40℃、55℃、70℃、85℃、100℃不同溫度條件進(jìn)行等溫吸附實驗，煤層氣吸附特征如下：

2.1.1 等溫條件

等溫吸附時，不同煤階煤的甲烷吸附量隨壓力的增加而增加，低壓階段吸附量增加顯著，高壓階段吸附量增加緩慢；同一壓力下，高煤階吸附量大于低煤階（圖1、2、3）。

圖1 鄂爾多斯盆地東部煤層氣等溫吸附曲線圖（40℃）

圖2 鄂爾多斯盆地東部煤層氣等溫吸附曲線圖（70℃）

圖3 鄂爾多斯盆地東部煤層氣等溫吸附曲線圖（100℃）

2.1.2 等壓條件

已有研究表明，等壓條件下不同煤階煤的吸附量隨溫度增加均減?。?－10］。鄂爾多斯盆地東部煤層氣吸附實驗顯示，在等壓條件下，煤的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著（圖4）。

圖4 鄂爾多斯盆地東部煤層氣等壓吸附曲線圖（魏家灘斜溝，R o＝0.7%）

因此，在深部條件下，煤層氣的吸附性能受到地層溫度、壓力的雙重控制，在較低溫度和壓力條件下壓力對煤吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度和壓力時溫度對煤吸附能力的影響大于壓力的影響。

2.2 深部煤層氣最大吸附量變化規(guī)律

根據(jù)鄂爾多斯盆地東部地層溫度、壓力情況，按照地溫梯度2.8℃／100 m、壓力系數(shù)0.93 MPa／100 m，將上述不同溫度、壓力下的煤層氣等溫吸附曲線折算到相應(yīng)的埋藏深度，得到煤層氣吸附量隨深度變化曲線（圖5）。呈現(xiàn)如下變化規(guī)律：不同煤階煤的吸附量隨深度的增加呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢，最大吸附量深度介于900～1 600 m。其中，瘦焦煤（Ro介于1.21%～1.93%）煤層吸附量在900～1 300 m附近達(dá)到最大吸附量（16.5～17.2 m3／t），之后遞減，在3 000 m附近吸附量降至14～16 m3／t；氣煤（Ro介于0.68%～0.78%）煤層吸附量在900～1 600 m附近達(dá)到最大吸附量（7.2～10.5 m3／t），之后遞減，在3 000 m附近吸附量降至4～9 m3／t。

圖5 鄂爾多斯盆地東部煤層氣吸附量隨深度變化曲線圖

3 結(jié)論

1）煤層在地層條件下對甲烷的吸附能力主要體現(xiàn)為儲層壓力、溫度的雙重作用，即隨埋深增大，儲層壓力增大帶來的煤層氣吸附量增大與儲層溫度升高帶來的煤層氣吸附量減小的綜合作用結(jié)果。

2）等壓條件下，煤的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著；受溫度和壓力的綜合作用，在較低溫度和壓力條件下壓力對煤吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度和壓力時溫度對煤吸附能力的影響大于壓力的影響。

3）深部煤層氣的吸附量隨埋深增大呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢，最大吸附量深度為900～1 600 m。

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Influencing factors and patterns of CBM adsorption capacity in the deep Ordos Basin

Chen Gang1，2，Li Wuzhong2
（1.China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Langfang Branch of Petroleum Ex ploration ＆Development Research Institute，PetroChina，Langfang，Hebei 065007，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 10，pp.47－49，10／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The isothermal adsorption experiments of CBM show that the methanol adsorption capacity of coal seams is mainly controlled by reservoir pressure and temperature.Previous studies focused on the change of CBM adsorption capacity along with burial depth（pressure），while little attention has been paid to the great impact of rising temperature resulting from burial depth.Taking the deep coal seams in the Ordos Basin as an example，we performed isothermal adsorption experiments of CBM under high temperature and high pressure，aiming at identifying the change of methanol adsorption capacity with burial depth and thereby to guide CBM resource evaluation and target selection.The following results are obtained.（1）When the pressure is constant，the methanol adsorption capacity in coal seams lowers down linearly along with increasing temperature and its rapid decline is more significant especially at the high－temperature and high－pressure stage.（2）The impact of pressure on the methanol adsorption capacity of coal seams is larger than that of temperature when both temperature and pressure are low.In contrast，the impact of temperature is larger than that of pressure when both temperature and pressure are relatively high.（3）The methanol adsorption capacity in deep coal seams first rapidly increases，then slowly increases and finally lowers down progressively along with the increasing of burial depth.The maximum methanol adsorption capacity occurs at the depths of 900－1600 m.This understanding is different from the traditional one that the methanol adsorption capacity increases continuously along with the increasing of burial depth.

Ordos Basin，deep，CBM，methanol adsorption capacity，desorption，isothermal adsorption experiment，depth

陳剛等.鄂爾多斯盆地深部煤層氣吸附能力的影響因素及規(guī)律.天然氣工業(yè)，2011，31（10）：47－49.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.10.010

國家科技重大專項“深部煤層氣富集規(guī)律及有利區(qū)塊預(yù)測”（編號：2011ZX05033－003）。

陳剛，1980年生，工程師，博士研究生；主要從事煤層氣科研生產(chǎn)工作。地址：（065007）河北省廊坊市44信箱石油分院煤層氣研究所。電話：（010）69213106，13811681312。E－mail：chengang69＠petrochina.com.cn

（修改回稿日期 2011－08－19 編輯 羅冬梅）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.10.010

Chen Gang，engineer，born in 1980，is mainly engaged in research of CBM.

Add：Mail Box 44，Langfang，Hebei 065007，P.R.China

Tel：＋86－10－6921 3106 E－mail：chengang69＠petrochina.com.cn