趙莊井田3號煤孔隙特征研究

2021-03-01 00:37:14董鵬宇

煤 2021年2期

董鵬宇

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西晉城 048006)

煤孔隙特征是影響煤層氣吸附-解吸、擴散、滲流、煤層氣井產能大小及產能評價、煤層氣有利區評價及優選等的一項關鍵參數，其研究歷來備受關注[1-3]。B.B霍多特[4]、劉常洪[5]、趙志根等[6]基于不同實驗開展煤孔隙大小及劃分研究，為不同孔徑孔隙的吸附、解吸、擴散、滲流行為預測及評價提供理論依據；張慧[7]基于大量掃描電鏡觀測結果為依據，對煤孔隙成因類型進行探究，并將煤孔隙成因類型劃分為“四大類”、“十小類”；楊昌永等[8]借鑒張慧的研究方法，采用掃描電鏡對趙莊礦3號煤層不同煤體結構微孔隙特征進行了研究；孟巧榮等[9]利用微焦點顯微CT及壓汞法對煤孔形態特征進行研究，得出不同孔隙結構孔隙的孔滲性、連通性、孔徑、孔比表面積等特征；降文萍等[10]采用低溫液氮吸附技術對淮南煤田及焦作礦區的多個不同煤體結構煤的孔隙特征進行研究，并探討不同孔隙特征對煤與瓦斯突出的影響；徐曉萌等[11]利用核磁共振技術對煤中亞微觀及微觀孔隙結構特征進行研究，揭示了不同變質程度煤孔隙結構及其較高非均質性特征；孫寅森等[12]利用圖像分析技術對煤孔隙結構特征進行定性、定量研究，對煤孔隙精細化研究提供了理論與技術支撐；王亞等[13]采用疊后反演技術對楊稅務潛山奧陶系碳酸鹽巖的孔裂隙進行預測研究，并實踐證明了該方法的有效實用。當前，煤孔隙在成因類型及其劃分、不同尺度、孔隙形態及結構、定性及定量、孔徑大小及劃分等方面進行了相對深入和系統的研究，研究技術手段多樣化[14]，極大豐富和夯實了煤層氣地質理論，為我國煤層氣勘探開發和礦井瓦斯抽采起到了積極指導作用。影響煤孔隙特征的因素眾多[15]，因而不同、相同礦區的煤孔隙具有分形特征[16]。

趙莊井田為晉煤集團所屬的一座現代化大型高瓦斯生產礦井，3號煤層為當前煤炭主采和煤層氣主要抽采煤層。煤中發育有不同尺度孔隙，特別是影響煤層氣吸附儲集的納米級別的微孔裂隙發育更甚[17]，當前，已有學者采用掃描電鏡(觀測范圍幾百納米至數千微米)、壓汞法(幾十納米至幾微米)分別從亞微觀、微觀角度對孔隙特征進行研究，但測定的孔隙范圍相對狹小，不能真實反映煤中孔隙發育特征。低溫液氮吸附法能測定更小尺度和廣泛的孔徑范圍(0.35～500 nm)，已被廣泛應用于煤層氣領域。為此，采用低溫液氮吸附法對3號煤層的孔隙特征進行研究，以期為井上下瓦斯抽采及礦井瓦斯預測預報提供技術支撐。

1 樣品采集與描述

1.1 樣品采集

本文研究的煤樣采集于趙莊礦1101大巷迎頭距離13112聯絡巷122 m處煤巷(圖1(a)～(c))。為了滿足實驗樣品質量要求和確保實驗數據的真實可靠，在井下采集煤樣時遵循以下原則：煤樣純凈(無夾矸、無方解石脈、黃鐵礦等礦物質充填)、新鮮、采樣范圍廣(不同剖面位置)，采集的煤樣煤體結構盡量齊全，原生結構和構造保存完好，采樣時不得人為用力使煤體遭受破壞，形成外生孔裂隙系統。

圖1 趙莊井田3號煤層樣品采集

1.2 煤樣描述

趙莊井田3號煤的煤化程度相對較高，煤類為低變質無煙煤(鏡質組最大反射率R0,max為2.65%～2.86%，平均2.75%)，煤的新鮮面呈黑色、灰黑色，條痕為深黑色，玻璃-強玻璃光澤；摩氏硬度一般為3～4，有一定韌性；階梯狀、貝殼狀及不規則狀斷口；基本為塊狀構造，少量層狀、粒狀構造，條帶狀結構；宏觀煤巖類型主要為光亮型-半光亮型、局部半暗型。宏觀煤巖組分主要由亮煤、鏡煤和少量暗煤組成；煤體硬度為較堅硬-疏松；煤體破壞相對嚴重，煤體相對碎軟，可見碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤等多種煤體結構類型煤，見圖1，未見原生結構煤。

2 煤孔隙特征研究

2.1 實驗方法及原理

本文煤孔隙特征研究采用低溫液氮吸附法。該方法基于像煤這樣的多孔介質對氮氣、甲烷、二氧化碳等氣體分子的吸附作用，在液氮溫度(77 K)下，吸附-脫附達到平衡時，氮氣在多孔介質內孔隙表面的吸附量是相對壓力(P/P0)的函數。相對壓力(P/P0)在0.05～0.35范圍時，吸附量與相對壓力(P/P0)符合BET等溫多層吸附方程，利用該方程實現比表面積和孔容(孔隙體積)計算分析；相對壓力(P/P0)大于0.4時，吸附氣在孔隙內產生毛細凝聚現象，根據毛細凝聚模型BJH法，實現孔徑的計算和分析[18]。

2.2 實驗儀器及關鍵技術參數

2.3 樣品制作流程

樣品制作程序：①將大塊狀煤樣充分破碎；②粉碎煤樣過樣品篩進行篩分，取粒徑0.28～0.45 mm的樣品，稱重5～10 g裝入樣品袋并貼上標簽(包括采樣日期、地點、樣品編號、煤層號等信息)；③把備制完成的樣品放入105 ℃的樣品烘干箱中進行干燥處理；④把干燥處理完畢的樣品放入干燥器中備用。

2.4 實驗結果分析

2.4.1 孔隙形態

基于吸附和凝聚理論的等溫吸附實驗表明，凡具有毛細孔的多孔介質(或固體)，其吸附曲線和脫附曲線二者間會出現“重疊”和“分離”兩種現象，后者被稱之為“吸附滯后”現象，具有明顯的“滯后環”[10]。孔隙形態不同，等溫變壓條件下氣體吸附曲線、脫附曲線(或“滯后環”)形態亦不盡相同，因此，常利用“滯后環”形態來分析煤孔隙形態[19]。趙莊井田3號煤低溫液氮吸附實驗的吸附曲線、脫附曲線具有以下特征：吸附曲線在下，脫附曲線在上，吸附“滯后環”相對較小，見圖2(a)～(d)。相對壓力低壓區0～0.1范圍，吸附量相對較快增長，吸附曲線呈緩傾斜的線段；相對壓力0.1～0.8范圍，吸附量增長極為緩慢，吸附曲線呈近似水平或小角度“臥躺”直線段；相對壓力0.8～1.0范圍，吸附量又快速增長，吸附曲線呈陡立線段。相對壓力0.9～1.0范圍，脫附量快速減少，脫附曲線呈陡立的線段；相對壓力0.5～0.8范圍，脫附量緩慢減少，脫附曲線呈小角度緩傾斜的線段，并在相對壓力0.5處出現1個較為顯著的“拐點”(即“G點”)、脫附量快速下降，脫附曲線呈急傾斜線段；相對壓力0.05～0.5范圍，脫附量緩慢增加，脫附曲線呈小角度緩傾斜的線段；相對壓力小于0.05范圍，脫附量快速減少，脫附曲線呈急傾斜線段。相對壓力0.05～0.5范圍，脫附量緩慢降低，脫附曲線呈近似水平或與水平方向呈小角度的線段；相對壓力小于0.05范圍，脫附量又表現出相對快速降低，脫附曲線呈急傾斜線段。

圖2 趙莊井田3號煤低溫液氮吸附、脫附曲線特征

依據多孔介質的吸附理論，并參考前人研究成果，趙莊井田3號煤“吸附滯后環”類型的煤樣中孔隙系統復雜，且孔隙的連通性和滲透性相對較差。煤中孔隙形態主要為兩端開口的圓筒孔、狹縫平板形孔、一端開口圓筒形孔及墨水瓶孔，其中，墨水瓶孔和狹縫平板孔導致了脫附曲線“G”出現[10]。

2.4.2 孔徑

孔徑又稱孔寬，是定量表征煤孔隙大小的參數。煤孔隙大小對煤層氣賦存和運移等行為具有重要作用，微孔、介孔中煤層氣以吸附和充填狀態賦存，以擴散方式運移；大孔中煤層氣以游離態、凝聚態、吸附態賦存，以層流和紊流方式運移[20]。煤是一種復雜的多孔介質，煤孔隙形態復雜多樣、大小不一。為了便于定量表征和精細研究，研究者假設煤孔隙均為“圓柱狀”，并基于Kelvin方程提出多孔介質的BJH孔徑分析方法(即“BJH法”)，見式(1)。該方法深受歡迎，被廣泛應用于煤孔徑分析計算[21]。

(1)

式中：r為發生毛細凝聚時的半徑，nm；VL為吸附質的分子體積，cm3/g；σ為吸附質的表面張力，N/m；P/P0為發生毛細凝聚時的比壓，無量綱；t為吸附層厚度，nm。

因研究目的、測試儀器、測試方法或手段等的差異，以孔徑劃分煤孔隙大小的技術方案較多[33]，其中，參照“GB/T 21650.3-2011 壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度”劃分煤孔隙大小的方案在業界應用較為廣泛，本文孔隙大小劃分亦采用該方法。通過實驗可知，趙莊井田3號煤孔隙分形現象嚴重，且孔徑大小不一，一般為1.918 3～53.125 4 nm，平均28.622 0 nm，煤中孔隙以介孔為主，微孔和大孔發育次之，3號煤孔隙孔徑測定結果見表1。

2.4.3 孔比表面積

煤層氣主要以吸附態吸附于煤基質微孔隙的表面[22]，因此，孔比表面積大小對煤層氣吸附空間、吸附儲集能力(或吸附量)具有重要控制作用[23]。煤是一種良好的吸附劑，受范德華力作用，煤層氣、氮氣、二氧化碳等氣體介質在煤中具有多分子層吸附現象。基于該現象，Brunauer、Emmett和Teller等3位學者提出了符合吸附劑多分層吸附的數學計算公式，即BET比表面積等溫吸附方程[24]，并被廣泛應用于多孔介質表面吸附性能研究及相關檢測儀器的數據處理中，其方程表達式如下：

表1 趙莊井田3號煤孔隙孔徑測定結果

(2)

式中：Vm為單分子層飽和吸附量，mL/g；V為氣體吸附量，mmol/g；P為吸附質壓力，mmHg；P0為吸附質的飽和蒸汽壓，mmHg；P/P0為相對壓力，無量綱；C為BET方程常數(其值為exp[(Ea-Eb)/RT]，Ea為第一吸附層的吸附熱，Eb為吸附質的液化熱)。

由以上公式可知，對1/[V(P/P0)-1]與P/P0作圖應得到1條直線，并由圖解法或最小二乘法可求出BET直線的斜率A=(C-1)/(VmC)，縱軸上的截距為B=1/(VmC)，所以C=A/B+1，Vm=1/(A+B)，求出單分子層吸附量Vm，在單分子層吸附量Vm求得的基礎上，根據公式(3)進而計算得到煤的孔比表面積：

SBET=AmNAVm/22 414

(3)

式中：SBET為樣品的比表面積，m2/g；Vm為單分子層吸附量，mL/g；Am為單個吸附分子的平均截面積，nm2；NA為阿伏伽德羅常數，6.02×1023。

通過測試數據分析可知，受煤的變質程度、煤中礦物質含量、顯微煤巖組分、煤體結構類型、構造應力等因素影響[25]，不同測試煤樣的孔比表面積及不同孔徑孔隙比表面積所占比例不同，趙莊井田3號煤孔比表面積一般為0.303 4～2.319 6 m2/g，平均0.987 4 m2/g，見表2。

其中，介孔比表面積所占比例較高(一般為73.81%～82.54%，平均79.24%)，微孔比表面積所占比例次之(一般為3.05%～17.78%，平均12.13%)，大孔比表面積所占比例最少(一般為5.26%～14.63%，平均8.63%)。可以看出，研究煤層孔比表面積較高，特別是微孔和介孔的孔比表面積較大，有利于煤層氣吸附儲集[35]。

表2 趙莊井田3號煤孔比表面積測定結果統計

2.4.4 孔隙體積

孔隙體積(又名“孔容”)，指單位質量多孔介質(或吸附劑)內所有的孔隙體積之和(包括“死孔”和“開放孔或有效孔”)。煤孔容主要采用吸附法獲得，其原理是在一定蒸汽壓力驅動下向煤孔隙充入吸附氣體(吸附質)，并使其充滿整個孔隙空間，這時充入的氣體體積就為孔隙體積[26]。

由吸附法孔容求取原理及過程可知，吸附法獲得的孔容僅指吸附氣可以進入并被充填的那部分孔隙(即開放孔或有效孔)，并未包括煤中的不連通孔(即“死孔”)的孔容。理論研究和實踐亦表明，只有煤中的開放孔(或有效孔)對煤層的孔滲性、煤層氣的儲集能力(儲集空間和儲集量)及煤層氣井產量影響較大，而“死孔”對煤層氣開發影響不大[27-28]。因此，煤層氣領域涉及的孔容亦主要指煤中的開放孔(或有效孔)孔容。本文采用低溫液氮吸附實驗對趙莊井田3號煤的孔容進行測定和分析，見表3，礦區內3號煤孔容一般為0.000 623～0.010 778 cm3/g，平均0.003 242 cm3/g，有效孔隙的孔容整體較高，有利于煤層氣儲集[29]，但不同樣品的孔容又存在明顯的分異現象，兩極值差異顯著(兩極值差0.010 155 cm3/g)。不同孔隙類型的孔容所占比例不同，其中，介孔的孔容所占比例最大(42.85%～73.80%，平均57.15%)，大孔的孔容所占比例次之(8.41%～56.53%，平均6.71%)，微孔的孔容所占比例最小(0.19%～17.78%，平均4.28%)。孔容大小與煤體結構和最大鏡質組反射率(R0,max)密切相關，煤體破壞越嚴重、最大鏡質組反射率越高，煤孔隙總孔容越高，反之亦然。