沁水盆地寺河礦3#煤層彈性參數(shù)與吸附能力的關(guān)系

鄒冠貴，范 鳳，湯小明，曾 葫

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤層氣是除常規(guī)天然氣以外資源量豐富且最為現(xiàn)實(shí)的潔凈能源。開(kāi)發(fā)煤層氣對(duì)節(jié)約能源和減少災(zāi)害具有直接意義。沁水盆地煤層氣賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層氣富集規(guī)律不盡相同，煤層氣井產(chǎn)量低、不穩(wěn)定[1]。

近年來(lái)，各種地球物理勘探方法被應(yīng)用到煤層氣勘探實(shí)踐中，而煤層氣AVO技術(shù)成果顯著[2-6]。但眾多研究并沒(méi)有給出足夠的巖石物理基礎(chǔ)去支撐煤層氣AVO直接探測(cè)技術(shù)。從根本上說(shuō)，AVO探測(cè)天然氣的基礎(chǔ)是Gassmann理論，而這并不適合吸附態(tài)賦存的煤層氣。如果希望有成效地使用AVO預(yù)測(cè)煤層氣局部富集部位，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先解決煤層含氣量與煤層彈性參數(shù)之間的關(guān)系[7]。在此之前，有必要根據(jù)煤層氣的賦存規(guī)律探索研究煤層氣的吸附特性與彈性參數(shù)之間的關(guān)系。

深入研究煤層甲烷吸附特性，分析煤層彈性參數(shù)的影響因素，對(duì)于煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)具有重要作用。影響煤層氣富集的因素分為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素包括構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層巖性以及裂縫發(fā)育程度等；內(nèi)部因素主要是煤儲(chǔ)層物性，包括：物質(zhì)組成、煤階和孔隙度等煤儲(chǔ)層物性[8]。同一煤層氣田其頂?shù)装遒x存、裂隙及水動(dòng)力等外部控制因數(shù)差異不大，但煤層氣富集情況差異有時(shí)卻很大。因此，煤層氣富集的內(nèi)部控制因數(shù)不能忽略。

在煤層氣巖石物理方面，對(duì)于建立煤的甲烷吸附特性與煤的彈性參數(shù)關(guān)系的研究與討論的文獻(xiàn)較少。以沁水盆地寺河礦區(qū)3#煤層為研究對(duì)象，開(kāi)展了樣品采集、煤的工業(yè)分析、密度、孔隙度以及高壓等溫吸附試驗(yàn)，通過(guò)分析煤的物質(zhì)組成、煤的彈性參數(shù)和煤的甲烷吸附能力三者的相互關(guān)系，探討了煤的彈性參數(shù)與吸附能力關(guān)系及其內(nèi)部控制機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)位于沁水盆地東南部，晉城寺河井田3#煤層。礦區(qū)三維地震和井下開(kāi)采揭露表明：礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，發(fā)育少量落差5m左右小斷層，未見(jiàn)到落差20m以上大斷層。采樣點(diǎn)為掘進(jìn)工作面迎頭以保證煤樣新鮮，在井下記錄完整采樣點(diǎn)信息，并標(biāo)注煤層的走向、傾向及層理發(fā)育方向。采取的樣品中選取形狀完整、無(wú)明顯裂隙的煤巖，且均為高階無(wú)煙煤。本次實(shí)驗(yàn)樣品共計(jì)7塊。

1.2 密度和孔隙度

本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)密度按照國(guó)家行業(yè)規(guī)范《煤和巖石塊體密度測(cè)定方法》(GB/T 23561.3-2009)進(jìn)行。根據(jù)國(guó)家行業(yè)規(guī)范《煤和巖石孔隙率計(jì)算方法》(GB/ T23561.4-2009)進(jìn)行孔隙度測(cè)量。密度和孔隙度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)研究區(qū)密度分布在1.41-1.55g/cm3，而研究區(qū)孔隙度在7.27%-14.24%。

表1 煤樣密度和孔隙度

1.3 超聲速度和彈性模量

根據(jù)儀器測(cè)量規(guī)格，對(duì)所采煤樣在垂直層理方向進(jìn)行鉆、切和磨等加工，制成38mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。為盡可能降低非均質(zhì)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，挑選成品中表面無(wú)明顯裂隙的煤樣品，成品如圖1。測(cè)試之前，將煤樣放入烘箱，在80℃條件下抽真空烘干24h至恒重，獲得室內(nèi)干燥巖石樣品。

圖1 測(cè)試煤樣Figure 1 Testing coal samples

在室溫常壓下，采用美國(guó)GCTS超聲測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。獲得縱橫波速度。用如下公式，換算煤巖的體積模量和剪切模量。

(1)

(2)

(3)

Zp=ρυp

(4)

Zs=ρυs

(5)

式中：K—巖石體積模量，GPa；μ—剪切模量，GPa；υp—縱波速度，km/s；υs—縱波速度，km/s；ρ—密度，g/cm3；E—楊氏模量，GPa；Zp—縱波阻抗，106kg/(m2·s)；Zs—橫波阻抗，106kg/(m2·s)。

測(cè)試煤樣彈性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 煤的彈性參數(shù)

2 煤層彈性參數(shù)與吸附能力的關(guān)系

2.1 煤層吸附能力的表征

煤層氣吸附狀態(tài)方程可以用Langmiur理論來(lái)描述[9]。其表達(dá)式為：

(6)

式中：V—壓力P條件下吸附量，m3/t；P—壓力，MPa；PL—蘭氏壓力，MPa，最大吸附能力的一半對(duì)應(yīng)的壓力，cm3/g；VL—蘭氏體積，反映煤的最大吸附能力，MPa。

根據(jù)規(guī)范《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》(GB/ T19560-2008)的要求，采用WY-98B型吸附常數(shù)測(cè)定儀，在溫度為30℃、甲烷濃度為99.9%、無(wú)氦氣的條件下，測(cè)定7個(gè)吸附平衡點(diǎn)壓力對(duì)應(yīng)的吸附量。首先，將達(dá)到平衡水分一定粒度的煤樣樣品置于密封容器中，測(cè)定其在相同溫度、不同壓力條件下達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的甲烷等試驗(yàn)氣體的體積表3。

表3 煤的高壓等溫吸附測(cè)試結(jié)果

注1)VL：蘭氏體積，m3/t；PL：蘭氏壓力，MPa。

蘭氏體積的物理意義是煤對(duì)甲烷的極限吸附量，反映儲(chǔ)層的吸附能力。實(shí)測(cè)蘭氏體積在40.28～47.42m3/t，研究區(qū)3#煤層為高階無(wú)煙煤，因此煤巖普遍具有較強(qiáng)的吸附能力。實(shí)測(cè)蘭氏壓力為1.13～1.34MPa，平均值為1.24MPa。

蘭氏壓力指蘭氏體積一半對(duì)應(yīng)的壓力，這種表述并不直觀。選取1號(hào)煤樣，其蘭氏體積為45.33m3/t。保持其蘭氏體積不變，分別將蘭氏壓力從1MPa、1.5MPa、2MPa變化，分別繪制等溫吸附曲線，如圖2所示。寺河礦區(qū)3#煤層平均埋深在300左右，晉城礦區(qū)煤儲(chǔ)層壓力與埋藏深度的關(guān)系滿足[10]：

P=0.94D

(7)

式中：P—煤儲(chǔ)層壓力，MPa；D—煤層埋深，m。

根據(jù)公式(7)計(jì)算得到3#煤層的儲(chǔ)層壓力平均為2.82MPa，分別計(jì)算出蘭氏壓力為1MPa、1.5MPa、2MPa的理論含氣量為33.46m3/t、29.59m3/t、26.52m3/t。因此，蘭氏壓力越小，含氣量越大，即煤巖吸附能力更強(qiáng)。

圖2 蘭氏壓力對(duì)含氣量的影響Figure 2 Impact from Langmuir’s pressure on gas content

繪制蘭氏體積與蘭氏壓力的線性擬合曲線，如圖3所示?？芍?，蘭氏體積與蘭氏壓力具有較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，這也說(shuō)明了，蘭氏壓力與煤巖甲烷吸附能力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。本文主要用蘭氏體積來(lái)表征煤的吸附能力。

圖3 蘭氏體積(PL)與蘭氏壓力(VL)的關(guān)系Figure 3 Relationship between Langmuir’s volume and Langmuir’s pressure

2.2 煤層吸附能力與彈性模量及密度的關(guān)系

煤的蘭氏體積表征了煤對(duì)甲烷的吸附量，煤的蘭氏體積越大，代表其儲(chǔ)集煤層氣的能力越大。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：煤樣蘭氏體積隨煤樣視密度的減少而增大，二者之間具有較高的相關(guān)性(R2=0.58)，見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量的視密度即為地震勘探中的體密度。

圖4 蘭氏體積與視密度的關(guān)系Figure 4 Relationship between Langmuir’s volume and apparent density

繪制蘭氏體積與楊氏模量(E)、體積模量(K)和剪切模量(μ)的散點(diǎn)關(guān)系圖，如圖5所示，三個(gè)彈性模量與蘭氏體積均成負(fù)相關(guān)關(guān)系，平均相關(guān)系數(shù)0.76，且剪切模量(R2=0.83)、楊氏模量(R2=0.82)、體積模量(R2=0.64)與蘭氏體積的相關(guān)性依次降低?？傊?，煤巖密度、彈性模量(楊氏模量、體積模量、剪切模量)越小，則蘭氏體積越大，煤對(duì)甲烷的吸附能力越強(qiáng)。

圖5 蘭氏體積與彈性模量的關(guān)系Figure 5 Relationship between Langmuir’s volume and elastic modulus

2.3 煤層吸附能力與縱橫波速度的關(guān)系

通過(guò)做蘭氏體積與縱橫波速度的單因素回歸分析，見(jiàn)圖6?？芍簶犹m氏體積與縱橫波速度存在較高相關(guān)關(guān)系，平均相關(guān)程度為0.62。

圖6 蘭氏體積與縱橫波速度的關(guān)系Figure 6 Relationship between Langmuir’s volume and P, S wave velocities

煤樣的縱橫波速度均表現(xiàn)出隨著蘭氏體積的增加而降低，相比于縱波速度，蘭氏體積與橫波速度關(guān)系更加密切。

2.4 煤層吸附能力與波阻抗的關(guān)系

速度和密度是煤田地震勘探中的重要參數(shù)，可通過(guò)測(cè)井曲線直接獲得，是開(kāi)展測(cè)井與地震聯(lián)合反演的基礎(chǔ)，通過(guò)地震反演可以得到波阻抗。因此，統(tǒng)計(jì)波阻抗與煤樣甲烷吸附能力之間的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)利用地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)煤樣吸附特性。

從圖7中蘭氏體積與縱橫波波阻抗的線性擬合曲線可以看出，蘭氏體積與波阻抗具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，平均相關(guān)系數(shù)為0.85。其中，無(wú)論是縱波阻抗還是橫波阻抗均隨著蘭氏體積的增大而減小，且蘭氏體積與橫波阻抗(R2=0.89)的相關(guān)性要好于縱波阻抗(R2=0.80)。

圖7 蘭氏體積與波阻抗的關(guān)系Figure 7 Relationship between Langmuir’s volume and wave impedance

通過(guò)對(duì)蘭氏體積與煤樣彈性參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：煤的甲烷吸附能力即蘭氏體積與波阻抗、彈性模量(體積模量K、剪切模量μ、楊氏模量E)、縱橫波速度及體密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即煤的強(qiáng)度越弱，煤的蘭氏體積越大，對(duì)應(yīng)越高的甲烷吸附能力。并且楊氏模量、剪切模量和縱波阻抗與蘭氏體積的相關(guān)性依次升高，為利用地震勘探優(yōu)選煤層氣儲(chǔ)層富集區(qū)提供理論指導(dǎo)。

3 彈性參數(shù)與吸附能力關(guān)系控制機(jī)理

本文主要探討原生結(jié)構(gòu)煤的彈性參數(shù)與吸附能力的關(guān)系，采集的樣品為原生結(jié)構(gòu)煤。煤主要由礦物、有機(jī)質(zhì)和孔隙組成。煤的工業(yè)分析是評(píng)價(jià)煤質(zhì)指標(biāo)的重要方法，如圖8所示，可根據(jù)工業(yè)分析將煤劃分為水分、礦物(灰分)和有機(jī)質(zhì)(揮發(fā)分與固定碳之和)。探討煤的物質(zhì)組成對(duì)彈性參數(shù)和蘭氏常數(shù)的影響。試圖找出原生結(jié)構(gòu)煤巖彈性參數(shù)與吸附特性的內(nèi)在控制機(jī)理。

圖8 煤的工業(yè)成分與煤物質(zhì)組成的關(guān)系Figure 8 Relationship between coal proximate analytical results and coal material components

3.1 煤的物質(zhì)組成

根據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212-2008)，采用GF-A6型自動(dòng)工業(yè)分析儀，在特定的時(shí)間和溫度下，對(duì)受熱過(guò)程中的試樣進(jìn)行稱重，以此計(jì)算出試樣的水分、灰分及揮發(fā)分等指標(biāo)，而固定碳用差減法獲得。煤樣工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 煤樣工業(yè)分析

3.1.1 水分

煤層中的水一般按存在狀態(tài)分為束縛水和游離水。工業(yè)分析只測(cè)游離水，是指在煤層中可自由流動(dòng)，主要附著于煤顆粒表面(外在水分)或吸附在內(nèi)部毛細(xì)管(內(nèi)在水分)中的水分。測(cè)試表明，室內(nèi)條件下的煤巖水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.79%到2.59%，平均占煤巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.32%。

3.1.2 礦物質(zhì)

煤中灰分是礦物質(zhì)燃燒后的結(jié)果，可表征煤中礦物質(zhì)的含量。研究表明， 煤中最常見(jiàn)的礦物包括黏土礦物、石英、碳酸鹽和黃鐵礦，占煤中無(wú)機(jī)組分的90%以上，其他為微量元素[11]。本次勘探區(qū)內(nèi)的灰分測(cè)試表明，煤巖的灰分(Aad)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.63%～23.41%，平均占煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的13.39%。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)

煤中有機(jī)質(zhì)可分為兩個(gè)部分，即在高溫隔絕空氣條件下可熱解的部分以及不可熱解部分，其總含量可由固定碳與揮發(fā)分之和表征。因此，煤中有機(jī)質(zhì)平均占到煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的85.29%以上，表明煤中有機(jī)質(zhì)是構(gòu)成煤巖骨架的主要部分。本次干燥無(wú)灰基揮發(fā)分平均值<10%，說(shuō)明研究區(qū)煤層屬于無(wú)煙煤[12]。

3.2 煤的物質(zhì)組成對(duì)彈性參數(shù)的影響

3.2.1 水分的影響

水分對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響主要是使得巖石的體積模量增大，而剪切模量不變，從而使得縱波速度增加，橫波速度減小[13]，但橫波速度變化是微弱的。煤工業(yè)成分中的水分主要是毛細(xì)孔中有微量的內(nèi)在水分(平均1.32%)，也可以說(shuō)是干燥條件下煤層中所含有的水。繪制水分與彈性參數(shù)的線性擬合曲線，相關(guān)系數(shù)R2<0.06，因此，自然狀態(tài)下煤中含有的微量水分對(duì)煤彈性參數(shù)的影響可以忽略，主要考慮礦物、有機(jī)質(zhì)和孔隙度對(duì)煤彈性參數(shù)的影響。

3.2.2 礦物的影響

根據(jù)工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果，研究區(qū)礦物平均占到煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的13.39%，對(duì)煤彈性參數(shù)的影響不能忽略。通過(guò)求取礦物與煤彈性參數(shù)的線性擬合方程(表5)可以看出：礦物與煤巖彈性參數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，且礦物與楊氏模量、剪切模量和橫波阻抗的相關(guān)性較高(R2>0.75)。

煤中最常見(jiàn)的礦物包括黏土礦物、石英、碳酸鹽以及黃鐵礦[11]。實(shí)測(cè)表明，煤的體積模量平均值為4.69GPa，剪切模量平均值為1.84GPa，相比于其他巖石，彈性參數(shù)較弱。根據(jù)巖石物理手冊(cè)[14]，煤巖含有的礦物平均模量大于煤的彈性模量，例如：K/μ(伊利石)=60.1/25.3GPa、K/μ(方解石)=76.8/32GPa、K/μ(云母)=61.5/41.1GPa。因此，礦物總體上使得煤巖強(qiáng)度有正向增強(qiáng)關(guān)系。

此外，體積模量不僅與巖石的骨架相關(guān)，而且受孔隙、孔隙流體的影響，對(duì)巖石物性更加敏感；而剪切模量只與巖石骨架有關(guān)。因此剪切模量與礦物的相關(guān)性更大，為利用地球物理勘探預(yù)測(cè)煤中礦物(灰分)提供巖石物理基礎(chǔ)。

表5 煤的物質(zhì)組成與彈性參數(shù)的關(guān)系

3.2.3 有機(jī)質(zhì)的影響

根據(jù)表5可知，有機(jī)質(zhì)與煤彈性參數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)彈性模量與有機(jī)質(zhì)的類型有著密切關(guān)系，干煤樣的彈性模量隨著煤化程度的增高而增大[15]?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，第一型干酪根具有相對(duì)較低的彈性模量，即體積模量為2.9GPa，剪切模量為2.7GPa[16]。煤中有機(jī)質(zhì)一般屬于第三型干酪根，隨著TOC(總有機(jī)碳)含量的增加，煤的彈性參數(shù)相應(yīng)減弱[17-18]。含氣的有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出相對(duì)較高的彈性模量，體積模量為7.98GPa，剪切模量為4.18GPa[19]。前人也有將有機(jī)質(zhì)的體積模量與剪切模量定義為兩倍關(guān)系，即體積模量為5GPa，剪切模量為2.5GPa[20]。此外，煤中有機(jī)質(zhì)密度與煤化程度密切相關(guān)，隨著變質(zhì)程度的增加而增加，高階無(wú)煙煤的純煤真密度均小于1.90g/cm3[21]。綜上，有機(jī)質(zhì)的彈性參數(shù)遠(yuǎn)小于煤中的其他礦物，因此有機(jī)質(zhì)與煤的彈性參數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2.4 孔隙度的影響

通過(guò)繪制孔隙度與煤樣密度的散點(diǎn)關(guān)系圖。如圖9所示，煤的密度與孔隙度有負(fù)線性關(guān)系?？紫抖认嘟?號(hào)、1號(hào)和3號(hào)樣品出現(xiàn)較大密度差異且依次降低，導(dǎo)致孔隙度與密度相關(guān)性不高。根據(jù)圖9可知，5號(hào)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(16.26%)>1號(hào)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(12.94%)>3號(hào)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(6.63%)。由前述分析可知，密度與煤中礦物含量成正相關(guān)，而與有機(jī)質(zhì)成負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明煤的密度并不是由單一因素決定的，而是眾多因素綜合作用的結(jié)果，礦物含量是引起密度與孔隙度相關(guān)性較低的原因。同時(shí)，在孔隙度相近的情況下，礦物含量的變化會(huì)極大的影響煤的密度。

圖9 煤的密度與孔隙度關(guān)系Figure 9 Relationship between coal density and porosity

表6 灰分和孔隙度對(duì)彈性參數(shù)的影響

同理，對(duì)孔隙度和其他彈性參數(shù)開(kāi)展單因素分析時(shí)，數(shù)值均隨著孔隙度增加而減弱，但是相關(guān)系數(shù)都很低(R2<0.1)。開(kāi)展多因素回歸分析后，相關(guān)系數(shù)都有所提升，表明煤巖彈性參數(shù)并不是由單一因數(shù)決定。

3.3 煤的物質(zhì)組成對(duì)吸附能力的影響

3.3.1 水分的影響

煤儲(chǔ)層中水分對(duì)煤吸附能力的影響，主要通過(guò)影響煤層氣的解吸以及運(yùn)移，煤層中水動(dòng)力活躍，煤層中解吸出來(lái)的游離甲烷將會(huì)溶解于水中而喪失；煤層水頭壓力越高，地層水壓力越大，煤層吸附甲烷的能力越強(qiáng)。求取水分和蘭氏常數(shù)的線性擬合曲線，相關(guān)系數(shù)R2<0.02(如表7所示)，因此，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室條件下煤中含有的微量水分對(duì)煤吸附能力的影響可以忽略不計(jì)。

3.3.2 礦物的影響

煤的組成成分(礦物和有機(jī)質(zhì))對(duì)甲烷氣體都有一定的吸附能力，并且固定碳>揮發(fā)分>礦物的吸附能力。但是，相比于固定碳或者說(shuō)有機(jī)質(zhì)，礦物對(duì)甲烷的吸附能力幾乎為零。又因?yàn)榈V物與有機(jī)質(zhì)成負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10)，煤中礦物越多，則有機(jī)質(zhì)越少，即甲烷的吸附空間越少。因此，礦物與煤的吸附能力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表7 煤工業(yè)成分與蘭氏常數(shù)線性單因素分析

圖10 灰分與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系Figure 10 Relationship between ash content and organic matter

3.3.3 有機(jī)質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)是煤巖甲烷吸附的主要空間，隨著儲(chǔ)存空間的增多，煤甲烷的吸附能力自然增強(qiáng)。值得注意的是，煤中有機(jī)質(zhì)包含揮發(fā)分和固定碳，其中干燥無(wú)灰基揮發(fā)分是衡量煤級(jí)的指標(biāo)，隨著揮發(fā)分的增多，煤的變質(zhì)程度降低，煤的孔隙比表面積降低，使得對(duì)甲烷的吸附能力降低，如表7所示。干燥無(wú)灰基揮發(fā)分與蘭氏體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與蘭氏壓力成正相關(guān)關(guān)系。

3.3.4 孔隙度的影響

具有較大的孔隙度的煤巖一般具有較大的吸附能力。繪制孔隙度與蘭氏體積、蘭氏壓力的關(guān)系，如圖11所示。從局部趨勢(shì)上，孔隙度越大，蘭氏體積越大，蘭氏壓力越小。但總體上蘭氏體積或者蘭氏壓力與孔隙度并沒(méi)有表現(xiàn)出較高的線性關(guān)系。

圖11 孔隙度對(duì)蘭氏體積的影響Figure 11 Impact form porosity on Langmuir’s volume

一方面，上述分析結(jié)果受限于測(cè)試點(diǎn)數(shù)，本文測(cè)試點(diǎn)數(shù)偏少，如果數(shù)據(jù)量較大，相關(guān)性可能會(huì)提高。另一方面，煤的吸附能力并不是單一的孔隙度決定的，可能孔隙度對(duì)蘭氏常數(shù)的單因素分析并不具有太高的相關(guān)性。開(kāi)展多元回歸分析，建立關(guān)于蘭氏體積的經(jīng)驗(yàn)回歸方程如下：

VL=121FCad+57Aad+161Vdaf+17φ-73

(8)

公式(8)的相關(guān)系數(shù)R2為0.98，用F函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，給定置信水平α=0.05，自變量個(gè)數(shù)n=4，樣本數(shù)為7，查F函數(shù)分布表可知，

Fα(n,N-n-1)=F0.05(4,2)=19.2，

因公式(8)的F統(tǒng)計(jì)量為32.13大于19.2，故公式(8)中關(guān)于蘭氏體積的回歸方程有效，針對(duì)寺河3#煤層可以利用工業(yè)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)研究區(qū)含氣能力展布預(yù)測(cè)。

3.4 煤彈性參數(shù)與吸附能力關(guān)系控制機(jī)理

綜上所述，除因煤巖發(fā)生甲烷吸附解吸時(shí)產(chǎn)生的膨脹或收縮導(dǎo)致煤巖彈性參數(shù)發(fā)生的變化外，原生結(jié)構(gòu)煤彈性參數(shù)與煤的甲烷吸附能力可能并沒(méi)有直接的關(guān)系。結(jié)論表明，煤巖彈性參數(shù)越低，煤巖對(duì)甲烷的吸附能力越強(qiáng)。其內(nèi)部控制機(jī)理在于：煤的孔隙度越大、礦物含量越少、有機(jī)質(zhì)越多，對(duì)應(yīng)彈性強(qiáng)度越低；而孔隙度越大、礦物含量越小、有機(jī)質(zhì)越多都對(duì)應(yīng)著更大的蘭氏體積，即更大的吸附能力。煤的物質(zhì)組成作為煤對(duì)甲烷的直接吸附場(chǎng)所，同時(shí)也是連接煤呈彈性參數(shù)與煤呈甲烷吸附能力的橋梁，如圖12所示，這一研究成果對(duì)利用地震勘探預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)具有重要意義。

圖12 煤彈性參數(shù)與甲烷吸附能力關(guān)系的內(nèi)在控制機(jī)理Figure 12 Internal control mechanism of relationship between coal elastic parameters and methane adsorptivity

4 結(jié)論

①煤層氣的吸附狀態(tài)可用Langmiur理論來(lái)描述。蘭氏體積越大、蘭氏壓力越小，煤對(duì)甲烷的吸附能力越強(qiáng)。

②通過(guò)對(duì)蘭氏體積與煤彈性參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：煤的吸附能力即蘭氏體積與煤的波阻抗、彈性模量(體積模量K、剪切模量μ、楊氏模量E)、縱橫波速度及體密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即煤的強(qiáng)度越弱，煤的蘭氏體積越大，對(duì)應(yīng)越高的甲烷吸附能力。并且楊氏模量、剪切模量和縱波阻抗與蘭氏體積的相關(guān)性依次升高，為利用地震勘探優(yōu)選煤層氣儲(chǔ)層富集區(qū)提供理論指導(dǎo)。

③通過(guò)分析煤的物質(zhì)組成對(duì)煤彈性參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)：煤巖的彈性參數(shù)是由眾多因數(shù)共同決定的，室內(nèi)干燥狀態(tài)下存在的微量水分對(duì)煤彈性參數(shù)的影響可以忽略；礦物含量與煤彈性參數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，且礦物與楊氏模量、剪切模量和橫波阻抗的相關(guān)性較高(R2>0.75)；有機(jī)質(zhì)與煤的彈性參數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

④室內(nèi)干燥條件下存在的微量水分對(duì)煤的甲烷吸附能力的影響同樣可以忽略；礦物含量越多，煤的甲烷吸附能力越弱；反之，有機(jī)質(zhì)越多，煤的甲烷吸附能力越強(qiáng)。

⑤煤的彈性參數(shù)與煤對(duì)甲烷吸附能力存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的內(nèi)在控制機(jī)理是：孔隙度越大、煤的礦物越少、有機(jī)質(zhì)越多，都對(duì)應(yīng)著更低的彈性強(qiáng)度，而煤的孔隙度越大、礦物含量越小、有機(jī)質(zhì)越多都對(duì)應(yīng)著更大的蘭氏體積，即更大的吸附能力。煤巖的物質(zhì)組成作為煤層甲烷的直接吸附場(chǎng)所，同時(shí)也是連接煤彈性參數(shù)與煤的甲烷吸附能力的橋梁。

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