煤體解吸甲烷規律及解吸后微結構特征研究

范家文，劉 健

(1.山西煤炭運銷集團 晉能煤礦工程公司，山西 太原 030031；2.山西能源學院，山西 晉中 030600)

我國非常規油氣資源儲量巨大，煤層氣作為其中之一，其高效開采對緩解目前我國能源緊缺現狀具有重要的意義[1-3]。煤層氣地面抽采技術是指在地面進行鉆孔布井，直接將井筒通至礦層，然后進行瓦斯的抽采，該技術抽采瓦斯濃度可達90%[4]，而且技術難度相對較低，所以多年來我國一直大力倡導通過地面抽采技術進行煤層氣的開發。

瓦斯在煤體中主要以游離態、吸收態和吸附態這三種形式賦存，其中，近90%的瓦斯以吸附態存在[5，6]。吸附態的瓦斯只有充分解吸，從煤體中滲出，才能從生產井中抽采出來，故煤體的滲透特性直接關系到瓦斯抽采的效率和煤層氣產量。煤體內部的孔隙和裂隙是流體滲流的通道，其發育程度決定煤體的滲透特性。原位狀態下煤體吸附解吸特性的主要影響因素是溫度和孔隙壓力，基于此，本文對溫度和壓力作用下煤體的吸附、解吸特征進行系統研究，由此得到煤層氣抽采的最優溫度，最后對煤體解吸瓦斯后的微細觀結構進行CT掃描分析，得到煤體內孔裂隙結構的發育特征，對礦井瓦斯抽采技術的應用和發展具有重要的意義。

1 實驗過程

1.1 實驗方案

瓦斯吸附解吸的試驗裝置主要包括甲烷氣瓶、手動泵、中間容器、反應釜、驅替泵以及空壓機等，如圖1所示。測試所用煤樣為標準煤樣，加熱方式為水浴加熱，可測試溫度范圍為常溫～90℃。根據煤層的賦存深度，在試驗時設置靜水壓力為10MPa，設置測試溫度分別為40℃、60℃以及80℃，孔隙壓力分別為4MPa、6MPa和8MPa，從而進行不同溫度和孔隙壓組合下的煤體吸附解吸瓦斯試驗。

圖1 煤體吸附解吸甲烷試驗裝置示意

1.2 實驗步驟

1)試驗裝置氣密性檢測。通過橡膠套密封煤樣，然后將其置入反應釜內，利用驅替泵施加10MPa的靜水壓力，模擬煤層的原位賦存狀態。將一定壓力的氣體通過到釜體內部，穩定2.5h后觀測是否有氣體排出，判定整個試驗系統的氣密性。

2)對反應釜及其管線等抽真空12h，然后將反應釜進氣端和出氣端閥門關閉，打開甲烷氣瓶，使中間容器內的壓力達到4MPa，即孔隙壓力為4MPa。

4)煤體吸附甲烷試驗完成后，關閉反應釜的進氣端閥門，打開出氣端，進行煤體解吸甲烷試驗，通過排水法收集氣體，每隔一定時間記錄排液量，當示數幾乎不變時說明甲烷解吸完成。

5)上述過程完成了一個孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗，完成后同樣進行抽真空處理，調節手動泵，使得中間容器壓力達到6MPa，進行孔隙壓為6MPa下煤體吸附解吸甲烷的試驗，如此反復就可完成不同孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗。

6)將水浴槽溫度升高到下一個溫度點，依照步驟1)—5)就可以完成不同溫度和孔隙壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗。

1.3 吸附量和解吸量計算

進行煤體吸附甲烷試驗時，反應釜和中間容器組成了一個密閉空間[7-9]。將實驗氣體假設為理想氣體，通過理想氣體方程來計算煤體對甲烷的吸附量，由此得到式(1)。

V×(P1-P2)=(V1+V2)×P0

(1)

式中，P1和P2分別為試驗前后中間容器的壓力值，MPa；V為中間容器及與反應釜相連的管線內部的氣體體積，mL；V1為煤樣吸附的體積，mL；V2為煤樣外反應釜內部的氣體體積，mL；P0為大氣壓強，MPa。

將煤樣換成同樣尺寸的不銹鋼柱體，進行同樣測試條件下甲烷的吸附試驗，由此得到的吸附量為V2。

煤體解吸瓦斯的體積可通過式(2)計算：

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Vd=V2+V3

(2)

式中，V3為煤樣解吸的體積，mL。

則煤體對瓦斯的解吸率通過式(3)計算。

2 煤體對瓦斯吸附量的變化規律

不同溫度下煤體對甲烷的吸附量與時間的定量關系如圖2所示，由圖2可知，當溫度不變時，隨著孔隙壓的增大，煤體對甲烷的吸附量也在增加；而孔隙壓力不變時，煤體對甲烷的吸附量隨著溫度的升高而減少，由此可見，溫度升高不利于煤體對瓦斯的吸附。不同溫度和壓力煤體對甲烷的最終吸附量見表1。

圖2 煤體對甲烷吸附量隨時間的變化特征

表1 煤體對甲烷的最終吸附量

從圖2中還可以發現，在不同的時間范圍內，煤體對甲烷吸附量的變化速率不同。當時間低于25min時，隨著時間的延長，吸附量在快速增加，在該階段甲烷氣體會快速運移至反應釜內的自由空間；當時間處于25～400min時，吸附量的增加速率較為緩慢，該階段為煤體對甲烷吸附的主要階段，甲烷分子逐步擴散到煤體內部的孔裂隙空間，煤基質逐步完成對甲烷分子的吸附；當時間超過400min時，煤基質對甲烷分子的吸附逐漸趨于飽和，故煤體對甲烷吸附量的變化極小。

目前主要采用Langmuir模型來分析單組份氣體的等溫吸附特征[10，11]，認為在多孔介質表層存在氣體分子的吸附位，同時吸附層位為單分子層吸附，可用式(4)表示。

式中，V為P壓力下煤對甲烷的吸附量，mL/g；PL為Langmuir壓力，Pa；VL為單層容量的最大值，即Langmuir體積，mL/g。

甲烷在煤中的等溫吸附特征如圖3所示。在圖3中，甲烷吸附量與孔隙壓力幾乎呈線性關系，符合Langmuir模型。當溫度為80℃時，甲烷吸附量處于較低水平，這是因為高溫作用會提高甲烷分子的能量和活性，使得煤體基質對氣體分子的吸附性減弱；而且在應力約束狀態下煤體內部發育的裂隙等會發生閉合，從而使比表面積和吸附空間減小。同時，在高溫三軸作用下煤體發生塑性變形，滲流空間減弱，甲烷運移難度升高。

圖3 甲烷的等溫吸附曲線

3 瓦斯解吸量的變化規律

不同溫度下煤體對甲烷的解吸量與時間的定量關系如圖4所示。煤體解吸瓦斯的過程是吸熱反應，由圖4可知，隨著孔隙壓的增大，煤體對甲烷的解吸量也在增加；而孔隙壓力為4MPa和6MPa時，煤體對甲烷的解吸量隨著溫度的升高總體呈減小趨勢。當孔隙壓力為8MPa時，隨著溫度的升高，甲烷解吸量表現為先增加后減小的趨勢。究其原因，雖然溫度升高會加大甲烷分子的活性和能量，使得煤體基質對甲烷的吸附性減弱；但當溫度較高時，外圍應力會限制煤體的變形，從而使得部分孔隙和裂隙受擠壓而產生向內的變形，減少了有效滲流通道[12-14]；在這兩方面的綜合作用下使得溫度從60℃增大到80℃的過程中甲烷解吸量呈輕微減少趨勢。不同溫度和壓力煤體對甲烷的最終解吸量見表2。

圖4 煤體對甲烷解吸量隨時間的變化特征

表2 煤體對甲烷的最終解吸量

4 溫度和孔隙壓力對煤體甲烷解吸率的影響

圖5 不同孔隙壓力下甲烷解吸率與溫度間關系

不同溫度和孔隙壓力下煤體對甲烷的解吸率如圖5所示。由圖5可知，孔隙壓力對甲烷解吸率的影響極小，主要影響因素為溫度。溫度從40℃升高至80℃，煤體對甲烷的解吸率幾乎呈線性趨勢增加。當溫度為40℃、孔隙壓力為8MPa時，解吸率最小，其值為36.49%；當溫度為80℃、孔隙壓力為4MPa時，解吸率最大，其值為56.84%。總體上，認為80℃是煤體解吸甲烷較為合理的溫度點。

在MATLAB軟件中以甲烷解吸率(z)作為因變量，溫度(x)和孔隙壓力(y)作為自變量，進行了多元回歸分析，認為溫度和孔隙壓力耦合效應對甲烷解吸率的影響可用多元線性回歸模型來表示：z=0.1874-0.00048x+0.2785y(相關系數R2=0.94)。甲烷解吸率與溫度、孔隙壓間關系如圖6所示。

圖6 甲烷解吸率與溫度、孔隙壓的關系

5 煤體解吸瓦斯后內部微觀結構特征

由于80℃時煤體對瓦斯的解吸率最高，故對該溫度下解吸后的煤體進行顯微CT測試，從而對其內部微細觀結構進行定量闡述。此次所用CT掃描設備為天津三英nanoVoxel-3000，最高空間分辨能力0.5μm，系統主要包括射線源、探測器、機械系統、計算機系統、防輻射箱體，如圖7所示。

圖7 nanoVoxel-3000型CT掃描儀

測試設置的掃描電壓為80kV，電流為60μA，可識別3.11μm的孔隙和裂隙。對煤樣進行全直徑CT掃描測試，得到了樣品內部三維結構數據體的三維展示，如圖8所示。

圖8 樣品內部三維結構數據體的三維展示

對樣品內部XY方向、YZ方向以及XZ方向切面的圖像進行提取，得到了不同切面的二維效果圖，據此可以更加系統了解孔隙、裂縫和礦物的分布情況，如圖9、圖10所示。

圖9 樣品內部不同切面的二維效果圖

圖10 原樣的YZ方向二維效果圖

煤體內部的貫通裂隙為原生裂隙(圖10)，而圖9中小裂隙為煤體吸附解吸過程中形成的次生裂隙，雖然在溫度作用下煤體變形會受到外圍應力的約束，但該類型的裂隙依然為甲烷分子在煤體內部的運移和擴散提供了良好通路，降低了甲烷解吸的難度，而且甲烷分子在運移過程中會進一步拓寬裂隙。對CT掃描后的3D圖進行閾值分割，可以得到孔隙和裂隙分布的三維渲染圖，如圖11所示。沿著縱向將第251—1250層導入到AVIZO9.0軟件中，并通過恰當的閾值對這些灰度圖像進行閾值分割，得到的樣品內部不同層位裂隙結構的孔隙率變化趨勢如圖12所示。總體上，樣品在不同層位切片的孔隙率變化較小，均在孔隙率均值線附近波動，這是因為煤是橫觀各向同性巖體，其破裂形式以弱面的破裂為主，故在縱軸方向孔隙率變化不大，保持在6.32%～9.38%之間，由此得到解吸瓦斯后煤樣的平均孔隙度為7.4%。煤體在原始狀態下內部僅存在原生裂隙，總體上是致密結構，孔隙度極低。而煤體解吸瓦斯后內部形成了大量的孔隙，這就為甲烷氣體的排采提供了較多的空間。

圖11 樣品內部孔隙和裂隙分布的三維效果圖

圖12 樣品內部不同層位的孔隙度

將孔隙和裂隙等效為圓形，則孔徑即為圓的直徑，對不同孔徑的孔裂隙進行篩分，可以得到相應孔徑孔隙空間的分布特征，同時可以對其數量進行統計。不同孔徑范圍內孔隙分布如圖13所示。從圖13中可以看出，在解吸后煤體的孔徑分布中，孔徑低于30μm的孔隙在三維空間內的分布范圍較廣，其次為孔徑處于50～80μm間的孔隙，孔徑高于80μm的孔隙數量相對較少，在三維空間中的分布較為零散。由此可見，當溫度為80℃時，孔徑低于30μm的孔裂隙是甲烷解吸、擴散以及運移的主要通道。

圖13 部分孔隙分布的三維空間圖

不同孔徑范圍的孔隙所占比如圖14所示，從中可以發現，孔徑超過80μm的孔隙占比最小，僅為5.67%；孔徑處于5～15μm的孔隙所占比最大，可達43.12%；總體上，孔徑處于30μm以下的孔隙所占比例達到了76.36%。

圖14 不同孔徑孔隙所占比例

6 結論

本文進行不同溫度和壓力下煤體吸附解吸甲烷的試驗，得到了解吸瓦斯的合理參數，同時對煤樣解吸瓦斯后內部的微觀結構特征進行了CT掃描測試，所得主要結論為：

1)孔隙壓力不變時，煤體對甲烷的吸附量隨著溫度的升高而減少；當溫度較高時，外圍應力會限制煤體的變形，使得煤體發生向內的變形，減少了有效滲流通道，抑制甲烷解吸。

2)當溫度為80℃、孔隙壓力為4MPa時，甲烷解吸率最大，認為80℃是煤體解吸甲烷較為合理的溫度點。溫度和孔隙壓力耦合效應對甲烷解吸率的影響可用多元線性回歸模型來表示。

3)解吸瓦斯后煤樣的孔隙度為7.4%，在不同類別的孔隙結構中，孔徑超過80μm的孔隙所占比例最小，僅為5.67%；孔徑處于5～15μm間的孔隙所占比例最大，可達43.12%。

4)總體上，煤體解吸瓦斯后形成的孔隙孔徑相對較小。當溫度為80℃時，孔徑低于30μm的孔隙比例高達76.36%，由此作為甲烷解吸、擴散以及運移的主要通道。