吐哈盆地西緣艾維爾溝礦區(qū)煤儲層吸附特征及其影響因素研究?

王 澤，李增峰，孫丕臣，李亞男，曹玉召，王海超?，楊勝博，杜 亮

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院 新疆中亞造山帶大陸動力學(xué)與成礦預(yù)測自治區(qū)重點(diǎn)實驗室 煤層氣工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆焦煤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830024；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065099)

0 引言

煤層氣的勘探開發(fā)在改善我國能源構(gòu)成、保護(hù)環(huán)境和推動煤礦安全生產(chǎn)等方面具有重要意義.我國煤層氣資源十分豐富，2 000 m以淺的資源量達(dá)36.8×1012m3，與陸上天然氣資源量相當(dāng)，位居世界第三位[1?2]，主要分布在華南地區(qū)、東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū).目前我國的煤層氣產(chǎn)業(yè)在國家的大力扶持下呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢，通過學(xué)習(xí)和借鑒國外煤層氣發(fā)展的理論經(jīng)驗，已基本在沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣等建成了煤層氣產(chǎn)業(yè)基地[3].由于我國煤層氣的勘探及開采利用起步時間較晚，主要開發(fā)部位仍處于淺部煤層，在深部煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)理論研究方面仍然較為薄弱[4].

煤層氣的吸附特征是評價煤層氣資源潛力的重要參數(shù)，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對影響煤層氣吸附特征的因素進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩成果.研究表明控制煤儲層吸附能力的主要因素包括溫度、壓力、埋深等外部因素及煤階、煤的孔隙結(jié)構(gòu)、煤巖組分、煤層含水性、灰分等內(nèi)部因素.埋深通過控制儲層溫度和壓力等多種因素影響煤儲層的吸附能力，溫度升高時，氣體分子之間的無規(guī)則運(yùn)動加強(qiáng)導(dǎo)致碰撞幾率增加，使得甲烷（CH4）分子與煤基質(zhì)表面的接觸時間減少，吸附點(diǎn)位減少，從而導(dǎo)致吸附量降低[5].煤儲層壓力增大會使煤粒徑發(fā)生改變，產(chǎn)生孔隙與裂縫的同時還會使氣體分子與煤基質(zhì)之間的接觸概率增大，從而造成吸附量的上升[6?7].煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤儲層的孔隙中，故煤儲層中的孔隙結(jié)構(gòu)決定了煤層氣吸附能力的強(qiáng)弱[8].通常認(rèn)為煤對CH4的吸附能力與總孔比表面積之間呈正相關(guān)，煤基質(zhì)表面對CH4分子的吸附能力是依靠兩者之間的范德瓦耳斯力，且為單層吸附，由于微孔對總孔比表面積的貢獻(xiàn)大，因此微孔含量越多，煤的吸附能力越強(qiáng)[9?10].但Bustin等通過對一系列不同煤階的加拿大煤樣和澳大利亞煤樣研究，發(fā)現(xiàn)微孔含量較高或比表面積較大的煤樣卻具有較低的CH4吸附量[11].因為隨煤階的增大，煤的吸附能力先后經(jīng)歷了快速增加階段（RO,max<1.3%）、緩慢增加階段（1.3%4.0%）4個階段[12].煤儲層的吸附性與鏡質(zhì)組含量在中～低階煤中呈正相關(guān)、在高階煤中則與惰質(zhì)組的含量呈正相關(guān)[13].煤儲層的吸附性與水分和灰分產(chǎn)率之間呈負(fù)相關(guān)，同時煤中水分類型的不同影響煤吸附氣體的方式也不同.

艾維爾溝礦區(qū)煤炭和煤層氣資源豐富，煤質(zhì)以焦煤為主、肥煤次之，是新疆重要的煉焦煤生產(chǎn)基地[14?15].目前礦區(qū)內(nèi)各礦井仍在淺部煤層進(jìn)行開采，瓦斯涌出量不大，但隨著煤礦開采深度的增加，瓦斯涌出量會逐漸增大，煤瓦斯突出的危險性也逐漸增大.本文通過收集整理煤田地質(zhì)報告中的煤巖煤質(zhì)、等溫吸附等數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)剖析了艾維爾溝礦區(qū)煤儲層的吸附特征及其影響因素，以期指導(dǎo)該礦區(qū)煤礦的安全生產(chǎn)并為深部煤層氣的勘探開發(fā)提供理論依據(jù).

1 地質(zhì)背景

艾維爾溝礦區(qū)位于西天山東段、東西天山的交匯部位，構(gòu)造位置處于塔里木板塊與哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊的交接處，東部與東天山構(gòu)造帶相接，西部沿西貫穿插入中國的西天山[16].

研究區(qū)構(gòu)造形態(tài)主要受深大斷裂控制，對研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)影響較大的是博羅科努-阿其克庫都克深大斷裂，研究區(qū)的構(gòu)造形態(tài)主要由該深大斷裂控制.礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，有斷層發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜.

研究區(qū)內(nèi)的含煤地層為侏羅系地層，從下至上地層分別為下統(tǒng)八道灣組和中統(tǒng)西山窯組，研究區(qū)內(nèi)主要的含煤地層是八道灣組，共含煤18層，依次編為1-1#、1-2#、1下#、2-1#、2-2#、2下1#、2下2#、3#、4#、5上#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#，主采煤層為1-2#、2-2#、4#、5#、6#煤層，主采煤層可采厚度、平均厚度、結(jié)構(gòu)及可采部位見表1.

表1 主采煤層信息

2 煤巖煤質(zhì)

艾維爾溝礦區(qū)煤層為條帶狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造，斷層附近的煤層因擠壓多呈鱗片狀、貝殼狀或階梯狀斷口.煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，局部受構(gòu)造的影響可見外生裂隙并被黃鐵礦薄膜充填.宏觀煤巖類型以光亮煤、半亮煤為主，半暗煤、暗淡煤較少；宏觀煤巖主要成分為鏡煤和亮煤，含有少量的暗煤和絲炭，且兩者之間呈條帶狀交互產(chǎn)出.

通過收集艾維爾溝礦區(qū)煤田地質(zhì)報告中煤巖、煤質(zhì)數(shù)據(jù)可知[17]，研究區(qū)煤鏡質(zhì)組最大反射率（RO,max）介于0.82%～1.32%之間，變質(zhì)程度較低，屬于氣煤～焦煤.顯微煤巖組分以有機(jī)組分為主，介于66.0%～99.1%之間，一般以凝膠化物質(zhì)為主，其中鏡質(zhì)組含量最大，介于57.2%～98.6%之間；其次為惰質(zhì)組，介于0.5%～10.6%之間；殼質(zhì)組含量最低，介于1.0%～2.9%之間；無機(jī)質(zhì)含量介于0.9%～34.0%之間，以粘土類為主、碳酸鹽次之，硫化物和氧化物含量較少（見表2）.研究區(qū)內(nèi)各煤層水分（Mad）產(chǎn)率平均值在0.53%～1.12%之間；灰分（Ad）產(chǎn)率平均值在8.02%～23.58%之間，屬中～高灰煤；揮發(fā)分（Vdaf）產(chǎn)率平均值在28.77%～43.73%之間，屬中揮發(fā)分煤（見表3）.

表2 煤巖組分

表3 煤質(zhì)組分

3 煤儲層吸附特征

煤層氣中約有80%～90%的氣體以吸附狀態(tài)賦集于煤的微孔隙中，其中又以煤體表面吸附占大多數(shù)[18].煤層氣吸附理論有許多種，目前幾種主流的觀點(diǎn)為Langmuir單分子層吸附理論、吸附勢理論、BET多分子層吸附理論、多相吸附模型等.其中Langmuir在1916年提出的單分子層吸附理論是目前應(yīng)用最為廣泛的一種.

Langmuir模型是基于單分子層吸附理論推導(dǎo)出的，其基本假設(shè)如下：（1）固體表面的吸附能力來源于吸附劑的表面立場，但是立場的作用范圍是分子級，因此只有氣體分子和空白的固體表面進(jìn)行碰撞時才可能發(fā)生吸附，所以固體表面對氣體分子只能發(fā)生單分子吸附；（2）固體的表面是均勻的，且表面上所有位置的吸附能力都相同；（3）固體表面上吸附的氣體分子之間無相互作用力；（4）吸附平衡是動態(tài)平衡.

Langmuir模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：V 為吸附體積，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；PL為蘭氏壓力，MPa；P為平衡氣體壓力，MPa.

通常采用等溫吸附的蘭氏參數(shù)（包括蘭氏壓力和蘭氏體積）來評價煤儲層的吸附能力.蘭氏體積（VL）指的是煤儲層的極限吸附量，反映煤儲層吸附煤層氣能力的強(qiáng)弱，蘭氏體積越大代表煤儲層吸附煤層氣的能力越強(qiáng)；蘭氏壓力（PL）指的是極限吸附量50%所對應(yīng)的壓力，反映煤儲層吸附氣體的難易程度，蘭氏壓力越大煤層氣開發(fā)難度越大.

本文收集整理了艾維爾溝礦區(qū)5個主采煤層的18個煤樣的等溫吸附實驗數(shù)據(jù)[17]（見表4），其中1-1#煤層1個；2-2#煤層4個；5#煤層7個；6#煤層5個；7#煤層1個.實驗采用美國Terratek公司的IS-100型高壓等溫吸附儀進(jìn)行，實驗方法采用平衡水法，煤樣破碎至60～80目，實驗溫度為30℃，測試依據(jù)GB/T 19560―2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》[19]進(jìn)行.實驗流程如下：首先，將達(dá)到平衡水分的煤樣樣品置于密封容器中，測定其在相同溫度、不同壓力條件下達(dá)到吸附平衡時所吸附的CH4體積；然后，根據(jù)Langmuir單分子層吸附理論，通過理論計算求出表征煤對CH4吸附特性的吸附常數(shù)（蘭氏體積VL、蘭氏壓力PL）并繪制等溫吸附曲線（圖1）.

表4 等溫吸附數(shù)據(jù)

圖1 等溫吸附曲線特征

研究區(qū)煤儲層吸附體積隨壓力的增大可分為三個階段，分別是低壓區(qū)、中壓區(qū)和高壓區(qū)：0～2.5 MPa為低壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)隨著壓力增大吸附量快速增加；2.5～5 MPa為中壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)隨著壓力增大吸附量逐漸增加，但增長速率減緩；5～7 MPa為高壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)隨著壓力的增大吸附量基本不變，增長幅度較小.

整體上，研究區(qū)煤儲層具有較強(qiáng)的吸附能力，各煤層VL介于14.37～27.84 m3/t之間，且主要集中在22.00 m3/t左右，平均VL為25.07 m3/t.其中：1-1#煤層VL為26.54 m3/t；2-2#煤層VL介于23.45～27.84 m3/t之間，平均為25.99 m3/t；5#煤層VL介于14.37～27.09 m3/t之間，平均為24.53 m3/t；6#煤層VL介于23.27～27.53 m3/t之間，平均為25.52 m3/t；7#煤層VL為21.45 m3/t.研究區(qū)煤儲層PL介于1.14～3.45 MPa之間，平均為1.77 MPa.其中：1-1#煤層PL為1.14 MPa；2-2#煤層PL介于1.47～2.18 MPa之間，平均為1.78 MPa；5#煤層PL介于1.24～3.45 MPa之間，平均為1.98 MPa；6#煤層PL介于1.14～2.06 MPa之間，平均為1.70 MPa；7#煤層PL為1.32 MPa.

4 影響因素分析

4.1 埋深

埋深是影響煤儲層吸附能力的重要因素之一，研究區(qū)內(nèi)煤儲層孔隙度與VL均隨埋深的增大而增大（圖2），表明隨埋深增大，煤儲層孔隙度增大、吸附空間增大、煤儲層的吸附能力也增強(qiáng)[20].

圖2 VL與孔隙度、埋深與孔隙度的關(guān)系

另一方面，埋深還可以通過影響儲層壓力從而進(jìn)一步影響煤儲層的吸附能力.儲層壓力隨埋深的增大而增大，壓力的增大會增加單位空間內(nèi)CH4分子與煤體碰撞的概率，進(jìn)而增大煤儲層對CH4的飽和吸附量.

此外，埋深還可以通過影響煤儲層溫度，從而進(jìn)一步影響煤儲層的吸附能力.隨著埋深的增加，研究區(qū)煤儲層溫度逐漸增大（圖3），地溫梯度約為3 ℃/100 m.隨溫度的升高煤儲層吸附能力逐漸降低，CH4分子活性增強(qiáng)，不易被煤體吸附，已被煤體吸附的氣體分子在溫度升高時易獲得動能，增加分子間作用力斷裂的機(jī)會，發(fā)生脫附現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附量降低，因此溫度越高煤儲層的吸附能力越低[21].

圖3 溫度隨埋深的變化規(guī)律

埋深可通過影響孔隙度、儲層壓力和溫度等多種因素影響煤儲層的吸附能力，其中孔隙度和儲層壓力與儲層吸附能力之間為正效應(yīng)，即在孔隙度增大、煤儲層壓力升高時，煤儲層的吸附能力會增強(qiáng)；溫度與儲層吸附能力之間為負(fù)效應(yīng)，在溫度升高時，煤儲層的吸附能力會降低.隨埋深增大，研究區(qū)孔隙度增大、儲層壓力增大、儲層溫度升高，最大吸附量增大（圖4），表明孔隙度和儲層壓力增大對吸附能力的正效應(yīng)大于溫度升高的負(fù)效應(yīng).

圖4 VL與埋深之間的關(guān)系

4.2 煤階

前人研究發(fā)現(xiàn)VL隨煤階的增大呈先減小后增大的趨勢：0.5%1.2%時，吸附量隨煤變質(zhì)程度升高而增大.研究區(qū)內(nèi)煤儲層鏡質(zhì)組反射率介于0.82%～1.32%之間，VL隨鏡質(zhì)組反射率的增大整體呈先減小后增大的趨勢（圖5），拐點(diǎn)出現(xiàn)在RO,max=1.2%左右，符合前人研究規(guī)律；儲層孔隙度隨鏡質(zhì)組反射率的增大整體也表現(xiàn)為先減小后增大的規(guī)律，同VL與鏡質(zhì)組反射率之間的規(guī)律一致，也表明VL與孔隙度之間為正相關(guān)，與前文研究結(jié)果一致.

圖5 VL及孔隙度與鏡質(zhì)組反射率的關(guān)系

4.3 顯微煤巖組分

VL隨著鏡質(zhì)組含量的增大而增大，隨著惰質(zhì)組含量的增大而減?。▓D6）.鏡質(zhì)組的主要成分是凝膠狀物質(zhì)，是由植物中的木質(zhì)纖維素在還原條件下經(jīng)過凝膠化作用形成的；殼質(zhì)組成分是由植物皮質(zhì)部、花粉、孢子還有其他化學(xué)活性較穩(wěn)定的分泌物，在沒有發(fā)生質(zhì)的改變下形成的；惰質(zhì)組是植物遺體經(jīng)過絲炭化作用的產(chǎn)物，植物遺體在氧化條件下經(jīng)氧化作用導(dǎo)致脫水、脫氫，從而含炭量相對升高，還經(jīng)歷了較大程度的芳烴化和縮合作用.由于各組分形成時所經(jīng)歷的化學(xué)作用不同，所以各組分中的化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)之間都存在較大差異，經(jīng)歷的化學(xué)作用不同，各組分之間植物遺體的保存程度也不相同.煤在變質(zhì)過程中各組分含量不同，從而產(chǎn)生的烴類物質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)含量也不同.導(dǎo)致各組分之間孔隙度不同，因此各顯微組分之間吸附氣體的能力也有較大差異，鏡質(zhì)組在變質(zhì)過程中有更多的揮發(fā)物質(zhì)產(chǎn)出，從而導(dǎo)致微孔增多，吸附能力增強(qiáng)，故鏡質(zhì)組吸附能力大于惰質(zhì)組，表現(xiàn)為煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量越高、煤儲層的吸附能力越強(qiáng).

圖6 VL與鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組的關(guān)系

4.4 煤質(zhì)

PL和VL均隨水分產(chǎn)率的增大而減?。▓D7a、圖7c）.在低階煤中水分產(chǎn)率較多時會占據(jù)煤中孔隙，使得吸附空間減小，煤孔隙表面提供給CH4分子可供附著的有效面積是有限的，煤中水分含量越高，水分子占據(jù)的可供CH4分子吸附的有效吸附點(diǎn)位越多，從而留給CH4分子吸附的有效點(diǎn)位減少，導(dǎo)致煤的飽和吸附量降低.并且煤基質(zhì)與被吸附氣體分子之間的作用力是范德瓦耳斯力與氫鍵，其中煤基質(zhì)與水分子和CH4分子之間的作用力中都含有范德瓦耳斯力，雖然煤基質(zhì)與CH4分子間的范德瓦耳斯力比其與水分子間的范德瓦耳斯力更大，但煤的大分子結(jié)構(gòu)與水分子之間還存在氫鍵的作用力，且煤與水分子之間氫鍵的作用力要大于煤基質(zhì)與CH4分子間的范德瓦耳斯力，所以水分子要比CH4分子更容易吸附到煤孔隙表面，從而降低煤吸附CH4的能力.同時因為水分產(chǎn)率增大導(dǎo)致吸附空間減小，從而VL減小，由于吸附量的降低會導(dǎo)致煤的吸附速率增加，從而PL減小.

圖7 VL和PL與水分、灰分產(chǎn)率的關(guān)系

PL和VL均隨灰分產(chǎn)率的增大而減小（圖7b、圖7d）.煤中灰分是指煤完全燃燒后剩下的殘渣，來自煤巖中的礦物質(zhì).前人研究了煤中礦物與煤儲層吸附能力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤中礦物增加會導(dǎo)致煤儲層的吸附能力降低，每當(dāng)煤中灰分產(chǎn)率增加1%，VL就降低0.16 m3/t.灰分的主要成分是無機(jī)物，相比有機(jī)組分，無機(jī)物對CH4的吸附能力相對更弱，并且煤中灰分的存在會占據(jù)一部分孔隙表面積，使得煤孔隙吸附CH4的有效點(diǎn)位減少，進(jìn)一步使得煤儲層的吸附能力下降[22].并且灰分的存在會影響煤表面氣體的解吸和吸附作用，從而使PL發(fā)生變化，所以當(dāng)?shù)V物含量增高時PL減少.

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)煤層RO,max介于0.82%～1.32%之間，變質(zhì)程度較低，屬于氣煤～焦煤；顯微煤巖組分以有機(jī)組分為主，占66.0%～99.1%，有機(jī)組分以凝膠物質(zhì)為主，鏡質(zhì)組含量占57.2%～98.6%，惰質(zhì)組含量占0.5%～10.6%，殼質(zhì)組含量占1.0%～2.9%；無機(jī)質(zhì)占0.9%～34.0%，以粘土類為主、碳酸鹽次之，硫化物和氧化物含量較少；研究區(qū)內(nèi)各煤層Mad產(chǎn)率平均值在0.53%～1.12%之間；Ad產(chǎn)率平均值在8.02%～23.58%之間，屬中～高灰煤；Vdaf產(chǎn)率平均值在28.77%～43.73%之間，屬中揮發(fā)分煤.

（2）研究區(qū)煤儲層VL介于14.37～27.84 m3/t之間，且主要集中在22.00 m3/t左右，平均VL為25.07 m3/t，具有較強(qiáng)的吸附能力；PL介于1.14～3.45 MPa之間，平均為1.77 MPa.

（3）研究區(qū)煤儲層吸附能力隨煤階的增大先減小后增大，與鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)，與惰質(zhì)組含量、水分產(chǎn)率、灰分產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān).

（4）埋深可通過影響孔隙度、儲層壓力和溫度等因素影響煤儲層的吸附能力，其中：孔隙度和儲層壓力對儲層吸附能力具有正效應(yīng)；溫度對儲層吸附能力具有負(fù)效應(yīng)；研究區(qū)孔隙度和儲層壓力增大對吸附能力的正效應(yīng)大于溫度升高的負(fù)效應(yīng).