不同煤體結構煤的吸附性能及其控制機理

武杰

[摘要]為研究不同煤體結構煤的吸附性能，采用不同粒徑的煤樣模擬了不同煤體結構煤，并對其進行了等溫吸附實驗，實驗結果發現，粒徑最小的60-80目煤樣的吸附量最大，粒徑最大的13-25mm煤樣的吸附量最小，并且吸附量隨著粒徑的增大逐漸減小的規律非常明顯。構造煤不同溫度的吸附實驗表明，構造煤的吸附量與溫度呈負相關，溫度越高，其吸附性能越弱；隨著溫度的升高，構造煤的吸附量受溫度影響逐漸減小。采用低溫液氮吸附實驗分析了不同煤體結構煤的孔隙特征，從微觀孔隙角度揭示了不同煤體結構煤的甲烷吸附性差異的控制機理。

[關鍵詞]煤體結構；煤層氣；吸附；孔隙

煤體結構是指煤體中各組成的顆粒大小、形態特征以及組分之間的相互關系與賦存狀態。根據煤體結構經歷的變形和變質作用，將煤體分為原生結構煤和構造煤；根據其宏觀特征，將煤體結構劃分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。我國煤層氣賦存地質條件非常復雜，不同構造部位煤體結構相差很大，煤層氣富集規律和開發地質條件大不相同。即使是目前煤層氣開發商業化程度最高的沁水盆地，也是由于煤體結構復雜使得各地區產氣量差異很大，而且不同煤體結構地區取芯解吸量相差也很大，所以有必要開展不同煤體結構的吸附性能研究。

目前，針對不同煤體結構煤的吸附性能的研究主要集中在中階煤，對于沁水盆地高階構造煤的吸附性能的差異性研究較少，溫度對煤的吸附性能的影響主要在非構造煤中研究較多，專門針對構造煤吸附性的溫度影響尚無相關研究；而且煤體結構對吸附性能的控制機理尚缺乏深入研究。本文將針對沁水盆地不同煤體結構的高階煤進行吸附性能研究，并從微觀孔隙角度進一步揭示不同煤體結構煤甲烷吸附性差異的控制機理。

1不同煤體結構煤的吸附性能

煤的吸附性能主要是通過等溫吸附儀測試所得，由于等溫吸附實驗所用樣品缸容積所限，煤樣進行實驗前需要破碎才能進行實驗。不同煤體結構煤的形成過程是受地質構造影響煤體發生破碎而呈現不同煤體結構特征，所以可以采用不同粒徑模擬不同煤體結構，而且如果在吸附實驗過程中將煤樣破碎成統一粒徑，則削弱了煤體結構對煤樣吸附性能的影響。

通過對大量不同煤體結構煤樣的粒徑統計，同時考慮了等溫吸附實驗儀器的樣品缸直徑，對實際統計結果進行了適當縮放，進而確定了所要模擬的不同煤體結構對應的不同粒徑。具體樣品選用寺河和趙莊兩區的煤樣，分別用粒徑為13-25mm、1-6mm、0.4-0.8mm（20-40目）、0.18-0.25mm（60-80目）的煤樣模擬原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。

2不同煤體結構煤的吸附性能的控制機理

煤體的構造變形破壞對煤儲層物性最直接的影響是造成煤樣孔隙性發生顯著變化，而不同的孔隙結構直接導致煤樣吸附性能的差異。為探討不同構造煤的吸附性能差異的控制機理，采用液氮吸附實驗，對不同構造煤煤樣的比表面積、孔容和平均孔徑進行了研究。

所以，煤在受到構造作用時孔隙結構將發生較大變化，主要體現在，隨著構造破壞程度的增加，煤中孔徑逐漸減小，而比表面積和孔容逐漸增大?？紫妒敲簩託獾馁x存空間，比表面積和孔容越大，則可容納被吸附氣體的空間越大，吸附能力越強，所以呈現出隨著構造煤破碎程度越大，煤的吸附性能越強的規律，即糜棱煤的吸附性能強于碎粒煤的吸附性能強于碎裂煤吸附性能。

3結論

1、從不同煤體結構煤的等溫吸附曲線形態看，均符合Langmuir等溫吸附方程，且不同煤體結構煤的吸附量隨著煤體破碎程度的變化規律明顯，糜棱煤的吸附量>碎粒煤的吸附量>碎裂煤的吸附量>原生結構煤的吸附量。

2、構造煤的吸附量與溫度呈負相關，溫度越高，其吸附性能越弱；而且，隨著溫度的升高，構造煤的吸附量受溫度影響逐漸減小。吸附量與壓力呈明顯正相關，隨著壓力的增高，吸附量增大，但在不同壓力區間吸附量的增幅差別較大，在低壓區吸附量隨壓力增加的增幅比高壓區要大得多。

3、不同煤體結構煤吸附性能的差異性，主要是由于煤樣在受到地質構造作用時孔隙結構發生了較大變化，煤中孔徑減小、比表面積和孔容增大，使得煤的吸附能力增強，可容納被吸附氣體的空間增大，從而呈現出隨著構造煤破碎程度增大，煤的吸附性能增強的規律。