李 磊 李惠林 李 恒

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010100；>2.內(nèi)蒙古礦業(yè)(集團(tuán))綠能非常規(guī)天然氣勘查開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市， 010100)

隨著煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征和煤層氣吸附產(chǎn)出機(jī)理研究的深入，煤體結(jié)構(gòu)差異對(duì)煤層氣儲(chǔ)集和產(chǎn)出的影響及煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井識(shí)別等越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、吸附性能、煤巖力學(xué)參數(shù)、儲(chǔ)層改造效果等具有重要影響。李鳳麗等通過(guò)低溫液氮吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低中煤級(jí)構(gòu)造煤從碎裂煤到揉皺煤，孔隙特征表現(xiàn)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(gòu)造煤中的墨水瓶孔、狹縫平板形孔是導(dǎo)致煤礦瓦斯突出的主要內(nèi)在因素；張小東等根據(jù)不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤的彈性模量和泊松比力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為隨煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增強(qiáng)，煤巖體的彈性模量和泊松比減小，儲(chǔ)層滲透率的應(yīng)力敏感性強(qiáng)；胡秋嘉等基于壓裂施工曲線形態(tài)、裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料，認(rèn)為煤體結(jié)構(gòu)影響人工主裂縫長(zhǎng)度及其復(fù)雜程度，地應(yīng)力控制裂縫的開(kāi)啟及長(zhǎng)度、走向，力學(xué)參數(shù)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(jié)構(gòu)孔隙特征及射孔壓裂優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，但關(guān)于低煤階不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙特征及其對(duì)煤層氣解吸產(chǎn)出控制機(jī)理研究還相對(duì)薄弱，因此，選取二連盆地霍林河凹陷不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣，運(yùn)用N2和CO2氣體吸附，結(jié)合煤樣現(xiàn)場(chǎng)解析試驗(yàn)總含氣量和解吸速率等參數(shù)分析，系統(tǒng)研究不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附解吸性能，揭示控制不同煤體結(jié)構(gòu)煤吸附解吸性能的納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)特征，從微觀層面上探討不同煤體結(jié)構(gòu)煤對(duì)煤層氣的吸附解吸控制機(jī)理，為我國(guó)低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 煤巖煤質(zhì)特征

2 納米級(jí)孔隙特征

(1)N2吸附測(cè)試結(jié)果。低溫液氮測(cè)試結(jié)果如表1所示，原生結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)試結(jié)果比晉城和焦作高煤階煤樣比表面積構(gòu)造煤樣平均值52.60 m2/g偏小，比其原生結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)煤到碎粒煤，隨煤體破壞程度加強(qiáng)，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(qiáng)總孔容和比表面積增大的結(jié)論存在異同，推測(cè)總孔容和比表面積不僅僅受煤體結(jié)構(gòu)影響，也與煤層變質(zhì)程度、煤巖類型等其他因素密切相關(guān)。

表1 孔容、比表面積低溫液氮測(cè)試結(jié)果

由吸附和凝聚理論可知，具有毛細(xì)孔材料的氣體物理吸附—脫附曲線，吸附分支和脫附分支會(huì)出現(xiàn)重疊和分離兩種現(xiàn)象。吸附和脫附分支分離便形成吸附回線，根據(jù)吸附回線的形態(tài)可以推測(cè)孔型結(jié)構(gòu)，因此可由低溫液氮吸附—脫附曲線了解煤的孔隙形態(tài)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(jié)構(gòu)煤在相對(duì)壓力0.1～0.4處，吸附分支與解吸分支基本重合，說(shuō)明在較小孔徑范圍內(nèi)孔的形態(tài)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(duì)壓力0.5～1.0處，出現(xiàn)了吸附回線，說(shuō)明對(duì)應(yīng)較大孔徑的孔，肯定存在著兩端開(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板孔。原生結(jié)構(gòu)煤在相對(duì)壓力0.1～1.0整個(gè)吸附脫附階段，吸附與解吸分支分離如圖1(b)所示，說(shuō)明在整個(gè)N2吸附可表征的1.7～200 nm范圍內(nèi)均存在著兩端開(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板孔。此外，原生結(jié)構(gòu)煤在一定相對(duì)壓力下，吸附量和脫附量的差值幅度遠(yuǎn)大于碎裂結(jié)構(gòu)煤，存在陳萍等學(xué)者所發(fā)現(xiàn)的L3型吸附回線，即存在部分細(xì)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(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，碎粒結(jié)構(gòu)煤過(guò)渡孔和中孔的孔容比高于原生結(jié)構(gòu)煤，微孔的孔容比低于原生結(jié)構(gòu)煤。碎粒結(jié)構(gòu)煤SL-2在過(guò)渡孔和中孔范圍內(nèi)與原生結(jié)構(gòu)煤YS-1、YS-2基本保持一致，但微孔范圍內(nèi)碎粒結(jié)構(gòu)煤均明顯低于原生結(jié)構(gòu)煤，因此微孔發(fā)育差異是不同煤體結(jié)構(gòu)孔隙特征的最主要表現(xiàn)。從表1可知，碎粒結(jié)構(gòu)煤微孔、過(guò)渡孔、中孔的平均孔容比分別為24.64%、43.31%和32.06%，對(duì)應(yīng)原生結(jié)構(gòu)煤分別為50.10%、29.84%和20.06%。無(wú)論煤體結(jié)構(gòu)類型如何，煤的比表面積都具有微孔>過(guò)渡孔>中孔的共同特點(diǎn)，微孔基本是比表面積的重要貢獻(xiàn)者。碎粒結(jié)構(gòu)煤微孔、過(guò)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(jié)構(gòu)煤分別為93.64%、5.71%和0.64%。結(jié)合圖2可發(fā)現(xiàn)，無(wú)論煤體結(jié)構(gòu)如何，中孔孔容呈現(xiàn)出主導(dǎo)地位，但實(shí)際中孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)微乎其微，微孔給煤儲(chǔ)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(guān)系

(2) CO2吸附測(cè)試結(jié)果。喻廷旭等通過(guò)CO2氣體吸附數(shù)據(jù)運(yùn)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(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征。CO2吸附法測(cè)出煤中最小微孔隙直徑只有0.5 nm，比低溫液氮吸附法測(cè)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(jù)CO2吸附測(cè)得的D-R比表面積可以看出，碎粒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)煤YS-1比表面積為43.84 m2/g，YS-2比表面積為54.92 m2/g，說(shuō)明在1.5 nm以下碎粒結(jié)構(gòu)煤的微孔比表面積較原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育。

由原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒結(jié)構(gòu)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(gè)峰值，分別為0.55 nm和0.85 nm，碎粒結(jié)構(gòu)煤超微孔發(fā)育程度大于原生結(jié)構(gòu)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(tài)。前蘇聯(lián)學(xué)者艾魯尼用X射線衍射儀和掃描電鏡觀察到煤物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的甲烷分子，認(rèn)為甲烷賦存于煤的分子之間的空間內(nèi)，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(duì)吸附解吸的影響

不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙的納米級(jí)孔徑分布決定了煤儲(chǔ)層的孔隙特征，進(jìn)而影響煤儲(chǔ)層的吸附解吸特性。從原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒結(jié)構(gòu)煤現(xiàn)場(chǎng)解吸發(fā)現(xiàn)碎粒結(jié)構(gòu)煤的自然解吸時(shí)間顯著短于原生結(jié)構(gòu)煤，見(jiàn)圖4(a)。不同階段兩類煤的解吸速率也呈現(xiàn)出不同：自然解吸初期，碎粒結(jié)構(gòu)煤解吸速率大于原生結(jié)構(gòu)煤，氣體衰減速度快，自然解吸100 min左右，后期原生結(jié)構(gòu)煤的解吸速率大于碎粒結(jié)構(gòu)煤，見(jiàn)圖4(b)。碎裂結(jié)構(gòu)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(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板孔。由于煤體的破壞改造，煤體原生條帶結(jié)構(gòu)的碎?；?，使儲(chǔ)層內(nèi)割理系統(tǒng)遭受切割破壞，形成了大量外生裂隙和煤儲(chǔ)層顆粒間的迂曲通道，有利于初期甲烷的解吸擴(kuò)散釋放，呈現(xiàn)出自然解吸時(shí)間短和初期解吸速率快的特征。原生結(jié)構(gòu)煤在1.7～200 nm范圍存在著兩端開(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板孔和部分細(xì)頸瓶形孔，且微孔比碎粒結(jié)構(gòu)煤發(fā)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(zhì)與割理的顯微裂隙，不利于初期甲烷的解吸擴(kuò)散釋放，呈現(xiàn)出自然解吸時(shí)間長(zhǎng)和初期解吸速率慢的特征。碎粒結(jié)構(gòu)煤由于解吸初期解吸速率快，因此現(xiàn)場(chǎng)解析損失氣明顯大于原生結(jié)構(gòu)煤；殘余氣也呈現(xiàn)出碎粒結(jié)構(gòu)煤大于原生結(jié)構(gòu)煤，這是由于碎粒結(jié)構(gòu)煤超微孔較原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，在常壓下，甲烷氣體吸附在墨水瓶形孔等復(fù)雜超微孔內(nèi)難以解吸，當(dāng)通過(guò)高溫和粉碎煤樣后微孔內(nèi)的吸附氣才得以解吸，因此殘余氣碎粒結(jié)構(gòu)煤相對(duì)較多，煤心現(xiàn)場(chǎng)解析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 煤樣累計(jì)解吸量和解吸速率圖

表2 煤芯現(xiàn)場(chǎng)解析測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)碎粒結(jié)構(gòu)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(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板孔。原生結(jié)構(gòu)煤在1.7～200 nm范圍內(nèi)均存在著兩端開(kāi)口圓筒形孔和四邊開(kāi)放的平行板孔及部分細(xì)頸瓶形(墨水瓶狀)孔。原生結(jié)構(gòu)煤微孔較碎粒結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，微孔是比表面積的重要貢獻(xiàn)者。

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

(3)碎粒結(jié)構(gòu)煤的自然解吸時(shí)間顯著短于原生結(jié)構(gòu)煤。碎粒結(jié)構(gòu)煤由于解吸初期解吸速率快，因此現(xiàn)場(chǎng)解吸損失氣明顯大于原生結(jié)構(gòu)煤；由于碎粒結(jié)構(gòu)煤超微孔較原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，在常壓下，甲烷氣體吸附在墨水瓶形孔等復(fù)雜超微孔內(nèi)難以解吸，當(dāng)通過(guò)高溫和粉碎煤樣后微孔和超微孔內(nèi)的吸附氣才得以解吸，因此殘余氣也呈現(xiàn)出碎粒結(jié)構(gòu)煤大于原生結(jié)構(gòu)煤。