基于低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)的寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤孔隙特征研究

申晉國(guó)

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012)

煤孔隙特征對(duì)煤層氣吸附、儲(chǔ)集、擴(kuò)散、滲流等行為具有重要控制作用，是煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、礦井瓦斯抽采及防治的重要研究?jī)?nèi)容之一[1-3]。煤孔隙研究歷來(lái)已久，近年來(lái)隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，其研究亦尤為廣泛。迄今，已在孔隙成因類(lèi)型[4-5]、孔隙大小劃分[6]、孔隙研究方法及測(cè)試手段[7]、孔隙對(duì)煤層氣賦存及產(chǎn)出行為控制[8-9]等方面開(kāi)展了相對(duì)系統(tǒng)且深入的研究，極大豐富了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)理論和有力地指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐。受煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、顯微煤巖組分、煤中礦物含量、煤變質(zhì)程度、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等影響，使得煤具有極強(qiáng)非均質(zhì)性特征，導(dǎo)致不同、同一煤礦區(qū)的不同煤層及同一煤層間煤孔隙發(fā)育特征具有顯著差異[10]。煤孔隙特征的差異性，在一定程度上影響了煤層氣開(kāi)發(fā)及礦井瓦斯防治的效果。為此，本文基于低溫液氮吸附法開(kāi)展了寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤孔隙特征研究，研究成果以期豐富該區(qū)煤層氣地質(zhì)理論，提高煤層氣開(kāi)發(fā)、礦井瓦斯防治效果。

1 樣品采集與描述

1.1 樣品采集

本文所有實(shí)驗(yàn)煤樣均采集于寺河礦3313采煤工作面(圖1)，煤樣采集按照“GB/T 482-2008 煤層煤樣采取方法”、“SY/T 6154-1995 巖石比表面和孔徑分布測(cè)定靜態(tài)氮吸附容量法”中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。同時(shí)，為了確?；蛱岣邔?shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)可靠性，采集了原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造保存完好(或無(wú)次生破壞)、純凈(無(wú)夾矸、無(wú)外生礦物質(zhì)充填等)的不同煤體結(jié)構(gòu)塊煤樣。

1.2 樣品描述

寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層的物理性質(zhì)及宏觀煤巖特征如圖1所示，區(qū)塊內(nèi)3號(hào)煤的煤體結(jié)構(gòu)保存相對(duì)完好，煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本為原生構(gòu)造煤。煤的宏觀煤巖類(lèi)型以光亮型為主，少見(jiàn)半光亮型。黑色條痕，基本不染手。質(zhì)較均一堅(jiān)硬，塊狀構(gòu)造，階梯狀、不規(guī)則狀斷口，似金屬光澤。煤變質(zhì)程度較高(無(wú)煙煤三號(hào))，煤中孔裂隙系統(tǒng)極為發(fā)育，部分孔裂隙中可見(jiàn)方解石脈、黃鐵礦等無(wú)機(jī)礦物質(zhì)所充填，煤中可見(jiàn)少量條帶狀構(gòu)造。

圖1 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤采集樣品

2 低溫液氮吸附法的煤孔隙特征

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及技術(shù)性能指標(biāo)

ASAP2020M型全自動(dòng)比表面積和孔隙度分析儀(圖2)借助氣體(二氧化碳、氮?dú)饧皻鍤獾任劫|(zhì))對(duì)多孔介質(zhì)(煤、活性炭、沸石等)的吸附原理(或“靜態(tài)容量法”等溫吸附原理)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔介質(zhì)材料的孔比表面積、孔隙體積(孔容)、孔徑等孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，因此，本文采用該儀器對(duì)寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。該儀器具有實(shí)驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)操作和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集存儲(chǔ)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)0.005 m2/g至無(wú)上限孔比表面積及0.35～500 nm孔徑檢測(cè)和分析，微孔區(qū)段分辨率高達(dá)0.02 nm，孔隙體積(孔容)最小檢測(cè)值為0.000 1 cm3/g，儀器分析時(shí)真空度可達(dá)10-5mmHg。

圖2 ASAP2020M型全自動(dòng)比表面積和孔隙度分析儀

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器工作原理

煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，對(duì)氮?dú)狻⒍趸?、甲烷等氣體具有很強(qiáng)的吸附性能，因此，常利用氣體吸附試驗(yàn)獲得煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤孔隙的定量描述和精細(xì)表征[11-12]。煤的低溫液氮吸附原理是：在恒定實(shí)驗(yàn)溫度下，煤對(duì)氮?dú)獾奈搅渴芟鄬?duì)壓力(P/P0)控制，不同壓力條件下煤的氮?dú)馕搅坎煌Ｔ趯?shí)驗(yàn)相對(duì)壓力(P/P0)0～1.0范圍內(nèi)，煤吸附氮?dú)饬颗c實(shí)驗(yàn)壓力間符合BET 吸附方程，基于該吸附方程，采用DFT理論和BJH法可以獲得煤的微小孔隙比表面積、孔徑、孔容(孔隙體積)等孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)[13]。

2.3 樣品制備

通過(guò)采取新鮮、純凈、顯微組分比較單一的煤塊樣，然后對(duì)煤塊樣進(jìn)行粉碎處理；利用40～60目孔徑的篩子對(duì)粉碎煤樣進(jìn)行篩分，取篩分樣品不低于5～10 g裝入樣品袋中，然后對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)簽(包括采樣時(shí)間、樣品編號(hào)、采樣層位、層位及煤層編號(hào)等)；把樣品置于105 ℃干燥箱中干燥8 h，對(duì)干燥后樣品稱(chēng)重并記錄后樣品制作完畢，最后按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“巖石比表面和孔徑分布測(cè)定靜態(tài)氮吸附容量法(SY/T 6154-1995)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 孔隙形態(tài)。煤是一種孔裂隙發(fā)育的吸附劑，對(duì)低溫液氮、二氧化碳、氬氣等吸附質(zhì)具有良好的吸附特性[14-16]。相關(guān)人員基于大量的吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附、脫附特征曲線(即吸附、脫附曲線)，總結(jié)出吸附劑的孔隙形態(tài)不同，其吸附、脫附曲線特征亦不同(圖3)[14]。寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤的樣品間的吸附、脫附曲線總體類(lèi)似，吸附曲線在下，脫附曲線在上且二者不重合，吸附曲線和脫附曲線間存在明顯“滯后環(huán)”和具有“三線段”特征(圖4)。在相對(duì)壓力(P/P0)0～0.1實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，煤吸附和脫附液氮量分別快速增加和快速降低，吸附、脫附曲線分別呈近似陡立的曲線段；在相對(duì)壓力(P/P0)0.1～0.9 實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，煤吸附和脫附液氮量分別表現(xiàn)出緩慢增加和緩慢降低，吸附、脫附曲線呈近似水平的曲線段；在相對(duì)壓力(P/P0)0.9～1.0 實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，煤吸附和脫附液氮量又分別表現(xiàn)出快速增加和快速降低，吸附、脫附曲線呈近似陡立的曲線段。寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤的上述吸附、脫附曲線特征，表明煤中主要發(fā)育有四邊開(kāi)口的平行板狀孔和兩端開(kāi)口的圓筒孔[14]。同時(shí)，所有煤樣的脫附曲線均存在一個(gè)“拐點(diǎn)”，表明煤中孔隙系統(tǒng)較為復(fù)雜。煤樣的低溫液氮吸附“滯后環(huán)”比較寬大且彼此間差別不大，亦表明煤樣間開(kāi)放性孔隙發(fā)育程度差別不大且孔隙的連通性和滲透性較好[17]。

圖3 吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附、脫附特征曲線

2) 比表面積。單位質(zhì)量煤樣的總面積被定義為煤的孔比表面積，煤是一種孔裂隙極為發(fā)育的多孔介質(zhì)，其比表面積非常之大，常用單位為m2/g。煤的變質(zhì)程度、孔隙發(fā)育程度、孔隙大小等對(duì)煤的孔比表面積影響尤為關(guān)鍵，孔比表面積作為煤孔隙結(jié)構(gòu)特征主要參數(shù)之一，其大小影響著煤層氣的吸附能力、儲(chǔ)集空間(場(chǎng)所)，因此，瓦斯地質(zhì)與煤層氣地質(zhì)領(lǐng)域?qū)妆缺砻娣e研究較為廣泛[18-19]。煤對(duì)吸附質(zhì)的吸附符合BET多分子層吸附理論[20]，因此本文通過(guò)低溫液氮吸附法對(duì)寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤孔比表面積進(jìn)行了測(cè)定，獲得了一批BET多分子層吸附孔比表面積數(shù)據(jù)(表1)，其值一般為4.022 6～11.557 7 m2/g，平均為6.822 4 m2/g，兩極值相差7.535 1 m2/g。由此可知，寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤的過(guò)渡孔和微孔較為發(fā)育且不同煤樣間發(fā)育不均衡，使得煤孔比表面積整體較高且具有明顯的分異現(xiàn)象[21]。

圖4 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤低溫液氮吸附、脫附曲線

表1 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤低溫液氮吸附法孔比表面積測(cè)定結(jié)果

3) 孔容?？兹萦袝r(shí)又稱(chēng)“孔隙體積”，本文孔容數(shù)據(jù)均為低溫液氮吸附法測(cè)定所得，因此，孔容系指為煤中有效孔隙體積(或液氮所能占據(jù)的孔隙空間)，常用單位為“cm3/g”。實(shí)驗(yàn)分析表明，孔隙發(fā)育程度、孔隙的連通性、孔隙充填情況、煤孔隙大小等對(duì)孔容具有重要影響，一般而言，大孔越發(fā)育、孔隙連通性越好、孔隙無(wú)充填，煤的孔容越高，反之亦然[22-23]。寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤的孔容整體偏小，一般為0.004 465～0.010 253 cm3/g，平均0.006 759 cm3/g(表2)。同時(shí)，不同煤樣間的孔容值差異較小，體現(xiàn)了煤中有效孔隙的發(fā)育程度基本一致。

表2 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤低溫液氮吸附法孔容測(cè)定結(jié)果

4) 孔徑。煤中發(fā)育有不同大小、形態(tài)各異的孔隙，為了便于定量研究不同大小孔隙對(duì)煤層氣吸附儲(chǔ)集和運(yùn)移(擴(kuò)散、滲流)控制作用，有關(guān)學(xué)者把煤中孔隙視為規(guī)則的圓柱狀，并提出了“孔徑”概念?？讖揭喾Q(chēng)“孔寬”，系指圓柱形孔的直徑，有的學(xué)者則用圓柱形孔的半徑來(lái)表征，常用單位“nm”。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤的孔隙孔徑進(jìn)行了大量研究，由于研究目的、實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試儀器等不同，對(duì)不同孔徑的孔隙類(lèi)型劃分亦不統(tǒng)一[6,24-25]，在瓦斯地質(zhì)與煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，前蘇聯(lián)學(xué)者霍多特(ΧΟΠΟΤ B B)基于工業(yè)吸附劑理論的十進(jìn)制孔徑劃分方法(大孔>1 000 nm；100 nm<中孔<1 000 nm；10 nm<過(guò)渡孔<100 nm；微孔<10 nm)較受業(yè)界認(rèn)同和大量引用[6]。不同孔徑的孔隙對(duì)煤層氣吸附-解吸、擴(kuò)散、滲流等行為的控制作用不同，煤層氣在大、中孔為游離態(tài)儲(chǔ)集，運(yùn)移方式以滲流(紊流和層流)為主。煤層氣小孔至微孔以吸附氣、充填氣為主，運(yùn)移方式以擴(kuò)散為主。

本文采用低溫液氮吸附法對(duì)寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤孔隙特征參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，獲得了基于毛細(xì)管凝聚理論(BJH吸附)和吸附理論(BET吸附)測(cè)定的孔徑值(表3)。其中，毛細(xì)管凝聚理論測(cè)定的BJH吸附平均孔徑為7.271 9～18.635 8 nm，平均12.972 9 nm；吸附理論測(cè)定的BET吸附平均孔徑為3.548 27～4.513 71 nm，平均4.112 83 nm。由此可知，寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤因變質(zhì)程度較高，促使了煤中大量孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育，煤中孔隙以過(guò)渡孔和微孔為主，對(duì)煤層氣吸附儲(chǔ)集提供了良好空間或場(chǎng)所[9]。

表3 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤低溫液氮吸附法孔徑測(cè)定結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤原生結(jié)構(gòu)及構(gòu)造保存較好，煤中孔裂隙系統(tǒng)極為發(fā)育且復(fù)雜。煤孔隙形態(tài)主要為四邊開(kāi)口的平行板狀孔和兩端開(kāi)口的圓筒孔，孔隙的連通性和滲透性能較好。

2) 寺河煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤中微孔隙較為發(fā)育，孔比表面積總體較高；煤中有效大孔不甚發(fā)育，孔容總體偏低；煤中孔隙以過(guò)渡孔和微孔為主，不同孔徑計(jì)算理論模型，得到的孔徑計(jì)算結(jié)果和孔隙大小劃分不同。