低煤階煤納米孔特征及其對吸附解吸影響

李 磊 李惠林 李 恒

(1.內蒙古自治區煤田地質局，內蒙古自治區呼和浩特市，010100；>2.內蒙古礦業(集團)綠能非常規天然氣勘查開發有限責任公司，內蒙古自治區呼和浩特市， 010100)

隨著煤儲層孔隙結構表征和煤層氣吸附產出機理研究的深入，煤體結構差異對煤層氣儲集和產出的影響及煤體結構測井識別等越來越受到國內外學者關注。煤體結構對煤儲層孔隙結構、滲透率、吸附性能、煤巖力學參數、儲層改造效果等具有重要影響。李鳳麗等通過低溫液氮吸附試驗，發現低中煤級構造煤從碎裂煤到揉皺煤，孔隙特征表現為大孔比表面積顯著下降，介孔比表面積稍有增加，微孔比表面積大幅度增加，構造煤中的墨水瓶孔、狹縫平板形孔是導致煤礦瓦斯突出的主要內在因素；張小東等根據不同煤體結構高階煤的彈性模量和泊松比力學參數統計，認為隨煤體結構破壞程度的增強，煤巖體的彈性模量和泊松比減小，儲層滲透率的應力敏感性強；胡秋嘉等基于壓裂施工曲線形態、裂縫監測數據等資料，認為煤體結構影響人工主裂縫長度及其復雜程度，地應力控制裂縫的開啟及長度、走向，力學參數主要決定了壓裂施工的難易程度。

前人的研究成果為不同煤體結構孔隙特征及射孔壓裂優化奠定了基礎，但關于低煤階不同煤體結構煤儲層納米級孔隙特征及其對煤層氣解吸產出控制機理研究還相對薄弱，因此，選取二連盆地霍林河凹陷不同煤體結構煤樣，運用N2和CO2氣體吸附，結合煤樣現場解析試驗總含氣量和解吸速率等參數分析，系統研究不同煤體結構煤的吸附解吸性能，揭示控制不同煤體結構煤吸附解吸性能的納米級孔隙結構特征，從微觀層面上探討不同煤體結構煤對煤層氣的吸附解吸控制機理，為我國低煤階煤層氣勘探開發提供理論依據。

1 煤巖煤質特征

2 納米級孔隙特征

(1)N2吸附測試結果。低溫液氮測試結果如表1所示，原生結構煤YS-1和YS-2比表面積分別為6.54 m2/g、9.47 m2/g, 總孔容分別為0.0091 cm3/g、0.0096 cm3/g；碎粒結構煤SL-1和SL-2比表面積分別為1.67 m2/g、1.29 m2/g，總孔容分別為0.0037 cm3/g、0.0050 cm3/g；比表面積測試結果比晉城和焦作高煤階煤樣比表面積構造煤樣平均值52.60 m2/g偏小，比其原生結構煤樣平均值3.07 m2/g偏大；比沁水盆地東南部趙莊井田山西組高煤階煤樣比表面積(原生結構煤為0.016 m2/g，碎粒煤為0.072 m2/g)均偏大。從比表面積和總孔容可以看出，此次所采低中煤階煤樣從原生結構煤到碎粒煤，隨煤體破壞程度加強，總孔容和比表面積減小。與前人研究得到的隨煤體破壞程度加強總孔容和比表面積增大的結論存在異同，推測總孔容和比表面積不僅僅受煤體結構影響，也與煤層變質程度、煤巖類型等其他因素密切相關。

表1 孔容、比表面積低溫液氮測試結果

由吸附和凝聚理論可知，具有毛細孔材料的氣體物理吸附—脫附曲線，吸附分支和脫附分支會出現重疊和分離兩種現象。吸附和脫附分支分離便形成吸附回線，根據吸附回線的形態可以推測孔型結構，因此可由低溫液氮吸附—脫附曲線了解煤的孔隙形態類型。此次煤巖樣品低溫N2吸附脫附等溫線如圖1所示，由圖1(a)可以看出， 碎裂結構煤在相對壓力0.1～0.4處，吸附分支與解吸分支基本重合，說明在較小孔徑范圍內孔的形態大都是一端封閉的圓筒形孔、平行板狀孔、楔形孔以及錐形孔。相對壓力0.5～1.0處，出現了吸附回線，說明對應較大孔徑的孔，肯定存在著兩端開口圓筒形孔及四邊開放的平行板孔。原生結構煤在相對壓力0.1～1.0整個吸附脫附階段，吸附與解吸分支分離如圖1(b)所示，說明在整個N2吸附可表征的1.7～200 nm范圍內均存在著兩端開口圓筒形孔及四邊開放的平行板孔。此外，原生結構煤在一定相對壓力下，吸附量和脫附量的差值幅度遠大于碎裂結構煤，存在陳萍等學者所發現的L3型吸附回線，即存在部分細頸瓶形(墨水瓶狀)孔。

圖1 煤巖樣品低溫N2吸附脫附等溫線

煤樣孔徑與比表面積、孔容的關系如圖2所示。由圖2可以看出，碎粒結構煤過渡孔和中孔的孔容比高于原生結構煤，微孔的孔容比低于原生結構煤。碎粒結構煤SL-2在過渡孔和中孔范圍內與原生結構煤YS-1、YS-2基本保持一致，但微孔范圍內碎粒結構煤均明顯低于原生結構煤，因此微孔發育差異是不同煤體結構孔隙特征的最主要表現。從表1可知，碎粒結構煤微孔、過渡孔、中孔的平均孔容比分別為24.64%、43.31%和32.06%，對應原生結構煤分別為50.10%、29.84%和20.06%。無論煤體結構類型如何，煤的比表面積都具有微孔>過渡孔>中孔的共同特點，微孔基本是比表面積的重要貢獻者。碎粒結構煤微孔、過渡孔、中孔的平均比表面積比分別為79.82%、17.81%和2.38%，原生結構煤分別為93.64%、5.71%和0.64%。結合圖2可發現，無論煤體結構如何，中孔孔容呈現出主導地位，但實際中孔對比表面積的貢獻微乎其微，微孔給煤儲層提供了主要的吸附空間。

圖2 煤樣孔徑與比表面積、孔容的關系

(2) CO2吸附測試結果。喻廷旭等通過CO2氣體吸附數據運用DFT模型得到1.5 nm以下的超微孔孔分布等信息，因此本文采用CO2吸附以探討更小尺度煤儲層孔隙結構特征。CO2吸附法測出煤中最小微孔隙直徑只有0.5 nm，比低溫液氮吸附法測試煤樣孔直徑下限1.7 nm小得多，有利于更深入地了解煤的微孔隙特征。根據CO2吸附測得的D-R比表面積可以看出，碎粒結構煤SL-1、SL-2的比表面積分別為133.17 m2/g和112.31 m2/g，原生結構煤YS-1比表面積為43.84 m2/g，YS-2比表面積為54.92 m2/g，說明在1.5 nm以下碎粒結構煤的微孔比表面積較原生結構煤發育。

由原生結構煤和碎粒結構煤CO2吸附曲線和DFT模型超微孔孔徑分布如圖3所示。由圖3可以看出，孔徑分布均存在兩個峰值，分別為0.55 nm和0.85 nm，碎粒結構煤超微孔發育程度大于原生結構煤，甲烷分子直徑為 0.41 nm，甲烷分子充滿在這些超微孔里，以單分子層或雙分子層吸附狀態。前蘇聯學者艾魯尼用X射線衍射儀和掃描電鏡觀察到煤物質分子結構內部的甲烷分子，認為甲烷賦存于煤的分子之間的空間內，這樣的甲烷量占總量的75%～80%。

圖3 煤巖樣品CO2吸附等溫線及DFT模型超微孔孔徑分布圖

3 納米孔隙對吸附解吸的影響

不同煤體結構煤儲層基質孔隙的納米級孔徑分布決定了煤儲層的孔隙特征，進而影響煤儲層的吸附解吸特性。從原生結構煤和碎粒結構煤現場解吸發現碎粒結構煤的自然解吸時間顯著短于原生結構煤，見圖4(a)。不同階段兩類煤的解吸速率也呈現出不同：自然解吸初期，碎粒結構煤解吸速率大于原生結構煤，氣體衰減速度快，自然解吸100 min左右，后期原生結構煤的解吸速率大于碎粒結構煤，見圖4(b)。碎裂結構煤在較小孔徑段主要是一端封閉的圓筒形孔、平行板狀孔、楔形孔以及錐形孔。較大孔徑段為兩端開口圓筒形孔及四邊開放的平行板孔。由于煤體的破壞改造，煤體原生條帶結構的碎粒化，使儲層內割理系統遭受切割破壞，形成了大量外生裂隙和煤儲層顆粒間的迂曲通道，有利于初期甲烷的解吸擴散釋放，呈現出自然解吸時間短和初期解吸速率快的特征。原生結構煤在1.7～200 nm范圍存在著兩端開口圓筒形孔及四邊開放的平行板孔和部分細頸瓶形孔，且微孔比碎粒結構煤發育，宏觀裂隙主要賦存于鏡煤和亮煤條帶中的割理及少量溝通基質與割理的顯微裂隙，不利于初期甲烷的解吸擴散釋放，呈現出自然解吸時間長和初期解吸速率慢的特征。碎粒結構煤由于解吸初期解吸速率快，因此現場解析損失氣明顯大于原生結構煤；殘余氣也呈現出碎粒結構煤大于原生結構煤，這是由于碎粒結構煤超微孔較原生結構煤發育，在常壓下，甲烷氣體吸附在墨水瓶形孔等復雜超微孔內難以解吸，當通過高溫和粉碎煤樣后微孔內的吸附氣才得以解吸，因此殘余氣碎粒結構煤相對較多，煤心現場解析測試結果見表2。

圖4 煤樣累計解吸量和解吸速率圖

表2 煤芯現場解析測試結果

4 結論

(1)碎粒結構煤納米孔包括一端封閉的圓筒形孔、平行板狀孔、楔形孔以及錐形孔和兩端開口圓筒形孔及四邊開放的平行板孔。原生結構煤在1.7～200 nm范圍內均存在著兩端開口圓筒形孔和四邊開放的平行板孔及部分細頸瓶形(墨水瓶狀)孔。原生結構煤微孔較碎粒結構煤發育，微孔是比表面積的重要貢獻者。

(2)碎粒結構煤的D-R比表面積平均比表面積122.74 m2/g大于原生結構煤的平均比表面積49.38 m2/g，說明在1.5 nm以下碎粒結構煤的超微孔比表面積較原生結構煤發育。DFT模型超微孔分布圖可以看出，孔徑分布均存在兩個峰值，分別為0.55 nm和0.85 nm，碎粒結構煤超微孔發育程度大于原生結構煤。

(3)碎粒結構煤的自然解吸時間顯著短于原生結構煤。碎粒結構煤由于解吸初期解吸速率快，因此現場解吸損失氣明顯大于原生結構煤；由于碎粒結構煤超微孔較原生結構煤發育，在常壓下，甲烷氣體吸附在墨水瓶形孔等復雜超微孔內難以解吸，當通過高溫和粉碎煤樣后微孔和超微孔內的吸附氣才得以解吸，因此殘余氣也呈現出碎粒結構煤大于原生結構煤。