王 玥，刘会虎，桑树勋

(1．安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001；2.中国矿业大学资源与地球科学学院， 江苏徐州221116)



沁南东古城区块3#煤层吸附解吸特征分析

王 玥1，刘会虎1，桑树勋2

(1．安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001；2.中国矿业大学资源与地球科学学院， 江苏徐州221116)

为调查沁南东古城区煤层的成藏性，通过对沁南东古城区块6口井现场采集煤样，进行现场解吸实验和室内等温吸附实验，结合煤层气的储层特性参数, 如孔隙结构、孔隙率、煤质等测试分析,对该地区煤层气吸附解吸特征进行系统的分析研究，探讨了煤储层特性对煤层吸附解吸的影响;研究表明：古城区块3#煤层吸附解吸能力较强,且影响煤层吸附解吸的主要地质因素为温度和压力,煤质、煤的变质程度、孔隙度、埋深、孔隙结构在一定程度上对吸附解吸也有影响。

沁水盆地南部； 孔裂隙系统； 裂隙密度； 孔隙率； 渗透率

1 引言

煤层气主要以吸附态赋存于煤基质表面，煤层气的开采是将吸附态的煤层气转化为游离态的煤层气而产出。因此，煤的吸附解吸特征是影响煤层含气量大小和煤层气开发潜力的重要因素 。沁水盆地是我国煤层气重要的分布地区，其晚古生代的山西组和太原组都赋存着丰富的煤层气资源，也是我国煤层气重点研究的区域之一。前人的研究有煤层气的成藏机理研究、应力分析、储存物性、热演化史等。而本次研究通过对沁南东古城区块6口井现场采集煤样，进行现场解吸实验和室内等温吸附实验，结合煤层气的储层特性参数，对该地区煤层气吸附解吸特征进行系统的分析研究，探讨了煤储层特性对煤层吸附解吸的影响。为该地区煤层气开发提供有用资料信息，为指导煤层气的开发生产提供了参照依据。

2 研究区域构造

沁水盆地地处山西省东南部，北纬约35°～38°，东经111°00′～113°50′左右，其大体沿北北方向呈长轴状延展，中间收缩。全境为西北高而南东低，山岭重叠，沟壑交错，地质情况较为复杂。区内太原组和山西组是主要的含煤地层，也是该区域的主要可采煤层[19]。研究区总体为北北东～北东东走向、向西倾斜，倾角4°左右的单斜构造，但波状起伏普遍发育，并伴有宽缓褶曲，致使局部地层倾角达8°以上，断层附近达25°左右。断裂构造以北东东向张扭性断裂为主。受构造影响，在古城矿井范围内发育的褶曲主要有两组，分别为北东东向和北西西向，发育少量北北西向褶曲。

3 吸附特征

3.1 吸附参数变化特征

研究区在不同标准下各井的平均兰氏体积下，平衡水分基Langmuir 体积为20～30 cm3/g，平均25.9 cm3/g；空气干燥基Langmuir 体积为24.8～34.8 cm3/g，平均30.8cm3/g；干燥无灰基Langmuir 体积为31～40 cm3/g，平均36.8 cm3/g,如图1、图2所示。含气饱和度20.60 %～128.01 %，平均70.53 %变化范围较大。

为了进一步探讨温度与压力对吸附特征的影响，通过对图1的细致地质分析，推论出：在温度一定的条件下，随着压力的增大，吸附量开始迅速增大，随后趋于平缓，当达到一定压力，吸附量就不再增大，达到饱和。进一步说明了在低温低压条件下，压力是影响煤层吸附的主要因素，达到高压时，温度等因素控制其吸附能力。

图1 不同标准下煤样吸附等温实验曲线

图2 不同标准下各井平均兰式体积

3.2 吸附影响因素分析

从等温吸附曲线可以清晰的看出，压力与温度是煤分别在不同环境下的主控地质因素。为了进一步了解煤储层物性对吸附解吸所起的作用，本文分别论述了煤质、有效孔隙度、变质程度以及埋深在吸附解吸过程中所起到的作用。

3.2.1 煤质

由图3可以看出，灰分对煤层的吸附能力起到相当的作用，当灰分增大时，其兰氏体积整体为下降趋势，但是其散点分布点较为离散，相同灰分下的兰氏体积有明显的差异。由图4可得到在空气干燥基下兰氏体积要小于干燥无灰基的兰氏体积，也能说明灰分对煤层吸附能力的影响，随着灰分的增加其吸附能力逐渐减小。

图3 灰分与兰式体积的关系

图4 空气干燥基于燥无灰基兰式体积对比图

3.2.2 有效孔隙度

由图5可以看出，有效孔隙度对煤层的吸附能力有明显的影响，其吸附能力随着有效孔隙度的增大而增大。

图5 不同标准下煤样吸附等温实验曲线

3.2.3 煤的变质程度

R0max在一定程度上可以反映了煤的变质程度，可以由图6看出，兰氏体积随着R0max呈两段式，先随着R0max的增大而增大，之后随着R0max的增大而减小。也就是说煤层的吸附量多少跟着煤的变质水平呈现先变大后变小。

图6 R0max与VL的关系

3.2.4 煤的埋深

由图7可以看出，深度越深煤层含气量越丰富，但是不是所以位置都有这一规律，可能在地史时期，由于地层的抬升、下降或地层的剥蚀作用，造成煤层气的大量逸散，但能说明煤层的含气量相当程度上是受埋深程度影响的。

图7 埋深与含气量的关系

4 解吸曲线变化特征

4.1 煤层气解吸量随时间的变化特征

在实验的开始阶段解吸是迅速的，在这个阶段，压力是其主要的影响因素。压力的降低，使得煤层气快速的析出，但可以看出每条曲线的曲率是不同，也就是解吸率不同，其解吸量也有所不同。可以推断出这与孔隙的类型、大小、孔隙度以及渗透率息息相关。如图8。虽然各井的解吸时间相差的较大，但是其解吸时间主要集中在2～8天的范围内。其解析量的变化范围也是极其广泛的，即介于 800～1 800 cm3。如图9所示。

图8 解吸曲线

图9 吸附时间曲线

4.2 解吸影响因素分析

从以上分析可以看出，温度与压力仍然是影响煤的解吸特征的重要因素。除此之外，本文从一个新的视角，即煤层自身的孔径、孔隙度以及渗透率的视角来研究影响煤层解吸特征的因素。

4.2.1 孔径

研究区孔径介于36.5～66.5之间，中孔占多数，含部分大孔。孔径对解吸特征的影响是显著的，主要体现在，孔径控制着煤比表面积的大小，二者呈现一定得正相关关系，从而影响解吸特征。从实验数据分析来看，随着孔径的增大，煤的解吸量越大，解吸速度越快。从而说明，孔径是影响煤解吸特征的重要因素之一。

4.2.2 孔隙度

孔隙度对煤层的含气量有定的影响，当孔隙度增大时，含气量有上升的趋势，但是散点图中的点较为离散，相同的孔隙度下，其含气量相差较大，说明影响其含气量的因素较为复杂。如图10所示。

图10 孔隙度与含气量的关系

4.2.3 煤质

由图11可以看出，灰分对煤层的吸附能力也有一定的影响，当煤的灰分增大时，其吸附时间为下降趋势。

图11 灰分与吸附时间的关系

5 结论

古城区块3#煤层的吸附能力较强，其平衡水分基Langmuir 体积20～30 cm3/g，平均25.9 cm3/g；空气干燥基Langmuir 体积24.8～34.8cm3/g，平均30.8 cm3/g；干燥无灰基Langmuir 体积31～40 cm3/g，平均36.8 cm3/g。

温度和压力是控制煤层吸附解吸的主控因子，在低压区，在等温条件下，吸附量-压力曲初期表现为斜率较大的曲线(即吸附量对压力的变化很敏感，且成正相关关系)，而后吸附量-压力曲线趋于平缓，直到达到饱和状态(即无论压力如何变化，吸附量始终为一定值)；在高压区，温度是主导因素，温度增大时，分子热运动加快，解吸速率大于吸附速率，表现为解吸作用，反之为吸附量增大。

除了温度和压力之外，还有其他的因素影响着煤层气的吸附解吸，如煤质、煤的变质程度、孔隙度、埋深、孔隙结构等。煤的吸附能力随着灰分、水分的增大而降低，而在一定程度上随着煤的变质程度、有效孔隙度、埋深的增加而增大。

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Analysis on Adsorption and Desorption Characteristics of No. 3 Coal Seam in Southern Qinshui Basin

Wang Yue1,Liu Hui-hu1,Sang Shu-xun2

(1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001;2.School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, XuzhouJiangsu221116) Abstract We did this research to investigate the reservoir forming characteristics of coal seam in Southern Qinshui Basin. We collected coal samples from six mines in the south of Qinshui basin and experimented on the adsorption and desorption characteristics of the coal seam. Combining with the characteristic parameter of the coalbed methane reservoir, the pore structure, porosity and coal property was tested. This paper analyzes the adsorption and desorption characteristics of this area's coal seam. It also explores the effect of the reservoir forming characteristics on the adsorption and desorption characteristics of the coal seam.The results show that the adsorption and desorption capacity of the coal seam is strong. The main geological factors that affect the adsorption and desorption characteristics of the coal seam are temperature and pressure. Coal capacity, metamorphic degree, porosity, depth, pore structure also affect the adsorption and desorption to some extent.

qinshui basin; pore and fractue system； fracture density； porosity; permeability

2016-07-28

王玥(1995-)，女，江苏盐城人，研究方向为地质资源与工程，电话：13225542996。

TD84

B

1671-4733(2016)05-0015-06

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.05.005