煤阶对煤的吸附能力的影响

第25卷第1期天然气工业地质与勘探煤阶对煤的吸附能力的影响”苏现波'张丽萍2林晓英'(1.河南理工大学2.中国科学院地质与地球物理研究所)苏现波等.煤阶对煤的吸附能力的影响。天然气工业，,2005;25(1):19~21摘要煤阶是煤层气的生成和煤的吸附能力的重要影响因素之一,对煤层气含量起控制作用。文章根据相关文献中的吸附资料和实测数据,系统探讨了平衡水分下煤的吸附能力与煤阶的关系。指出随煤阶的增高煤的吸附能力先后经历了4个阶段:快速增加阶段(R.<1.3%)、缦慢增加阶段(R。介于1. 3%~2.5%)、达到极大值阶段(R。介于2. 5%~4.0%)和降低阶段(R.>4.0%)。这种变化与煤化作用跃变完全对应，煤化作用控制了煤的孔隙度和表面物理化学性质,进而控制了煤层气的赋存空间和煤的亲甲烷能力。主题词煤阶煤成气吸附能力含气量影响煤化作用孔隙度表面性质描述煤的吸附能力的理论已有多种,如Gibbs分烟煤 A阶段1。钟玲文与张新民则发现当R。=模型、位能理论、兰氏理论、D- R(Dubinin一Ra- 0. 5%~1.2%时，随煤阶的增高吸附能力降低;R。=dushkevich)与D- A (Dubinin - Astakhov) 模型，1. 2%~4.0%时，吸附能力随煤阶增高而增高,当BET理论等。其中兰氏方程为人们所普遍采R。>4. 0%时吸附能力急剧下降8。值得注意的是.用1~)。煤的吸附特性受温度、压力和煤的性质(包二 者的测试煤样均为干燥煤样,而不是平衡水分煤括煤的显微组分、煤阶、煤体结构)的控制。其中温样。度和压力的影响已明了,煤的性质的影响存在较大根据实测和收集的数据,建立的吸附能力与煤争议。如镜质组与惰质组吸附能力的差异性、煤阶阶的关系(图 1)。所有测试均为平衡水分煤样,实验对吸附能力的影响、煤体变形程度对吸附能力的影50响都存在不同的认识(4~10)。本文根据前人的测试数据(1~13)3和作者的实测数据,着重探讨煤阶对煤的吸附能力的影响。笔者研究的煤样主要取自于华北地区晚古生界主采煤层,并收集了西北和华北部分地区煤的吸附测试资料。首先将采集的煤样破碎至出20--60目,缩分出200 g在美国Terratek公司生产的IS- 100等温吸附仪上进行吸附测试。测试条件为:10f阶段1阶段II I 阶段IV平衡水分、30 C、9点吸附、最大压力为20 MPa左°十25右。缩分出10g左右煤样制备煤砖光片,在LeitzR。(%)MPV-SP显微光度计下进行煤的显微组分和反射圈1煤阶与煤的吸附 能力的关系率测试。缩分出50 g煤样进行煤的工业分析。-、煤阶与煤的吸附能力的关系温度为30C。由图1可知煤的吸附能力与煤阶的煤的吸附能力(兰氏体积)受多种因素的影响，.关系为一到U字型。这一关系与前人的研究明显不其中煤阶是最重要的因素之一。Yee 等指出煤的吸同可用公式(1)定量描述。中国煤化工).2-.2 (1)附能力随煤阶增高呈U字型变化,最小值在高挥发YHCNMHG*本成果受“973”国家重点基础研究发展规划项目“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究"(2002CB11700)资助。作者简介:苏现波,1963年生,教授;长期从事煤层气地质学与勘探开发领域的研究工作。地址:(454000)河南省焦作市高新区世纪大道2001号河南理工大学资源与环境工程学院。电话:(0391)3987981. E- mail: suxianbo@263. net●19●地质与勘探天然气工业2005年1月式中:VL为煤的吸附能力(兰氏体积),m*/t;R。为i0r镜质体反射率,%。根据煤的吸附能力随煤阶增加的变化速率可区40-.V=4.122+ 549.59.4(M.- 3.90) *+27.915.28_分出以下4个阶段(图1)。.几:兰氏体积(m/0)阶段I :R。<1.3%。该阶段煤的吸附能力随煤M:平衡水分(编)阶增高呈快速上升趋势，上升速率是4个阶段中最央的。10-阶段I[ :R。介于1. 3%~2.5%。该阶段煤的吸附能力持续增加,但上升速率明显低于第-阶段。9614古186↓士- 0阶段II:R。介于2. 5%~4.0%。该阶段煤的吸附能力整体处于最强阶段,变化速率最低。图3平衡水分与煤的吸附能力的关系阶段NV:R。>4.0%。该阶段煤的吸附能力开始缓慢降低。甲烷吸附提供了空间。可见在当R。<1.3%时控制二、煤阶对煤的吸附能力影响的实质煤的吸附能力的主要是煤的表面物理化学性质,即由含氧官能团决定的煤的亲甲烷能力。所以这一阶与煤化作用一样,煤的吸附能力随煤阶的变化段随煤阶增高吸附能力快速增强。R。介于1. 3%~速率是不均衡的,呈跃变式,且上述的4个阶段与42.5%时,即位于第二与第三次煤化作用跃变之间次煤化作用跃变(153完全对应，显然受煤化作用的控时,几乎所有的含氧官能团都脱落,煤的芳环和逐渐制。煤化作用对煤的吸附能力的影响存在于3个方增大,排列逐渐有序。煤的微孔隙增多、比表面积显面:①煤层气储存空间,即煤的基质孔隙和比表面著增加。这一阶段煤的亲甲烷能力变化缓慢,起决积;②影响煤的化学成分、分子结构,进而影响煤的定作用的是微孔的比表面积。因此,煤的吸附能力亲甲烷能力;③影响平衡水分含量,从而影响煤层气随煤阶增高的变化速率下降。另外，微孔系统被煤赋存空间。.化作用过程中形成的液态烃充填可能是引起吸附能在R。<0.6%时,煤中发育的孔隙主要为原生力增加速率降低的又- -因素017.18)。 当R。介于2.5%大孔隙,且含有大量羟基和羧基官能团“5。这时的~4. 0%时,即位于第三次与第四次煤化作用跃变之煤是亲水而疏甲烷,造成平衡水分含量非常高(大于间时,中孔、微孔的体积达到极大值0652,相应煤的吸10%)(图2)以及煤的吸附能力较低(小于10m2'/t)附能力也达到极大值。当R.> 4%时,即第四次煤化作用跃变之后,煤的孔隙度和比表面积随煤阶增16r高不断下降,引起煤的吸附能力不断下降。煤阶与M.:16.73e" rm +0.65R.+1.20平衡水分、平衡水分与兰氏体积的关系同样也可定M:平衡水分()。量表达为图2.3所示的公式。R:镜质体反射三、结论煤阶是控制煤的吸附能力的主要因素之一-。通过大量实验数据分析发现随煤阶的增高煤的吸附能阶段|阶段I1阶段II阶 段IV力经历了由低到高又到低的变化过程。根据吸附能°个234↓R。(%)力随煤阶的变化速率可区分出4个阶段,这4个阶图2平衡水分与 煤阶的关系段与4次煤化作用跃变完全对应。可见煤阶对吸附能力的影响实质上县世化你田引起的煤的孔隙、结(图3)。当R。介于0.6%~1.3%时,即处于第一和构、阶的MH中国煤化工果。平衡水分随煤第二次煤化作用跃变之间时，随煤阶增高原生大孔c N M H G煤阶的变化分析表隙急剧减少,热变气孔逐渐增多15.16)。羟基和羧基明,在R.<1.3%时煤的亲甲烷能力是控制吸附能官能团大量脱落,平衡水分降至4%左右。造成煤的力的主要因素;而当R.> 1.3%时;孔隙度和比表面亲甲烷能力显著增加,同时热变气孔的大量形成为积是主要因素。乃方数据第25卷第1期天然气工业地质与勘探9 Lamberson M N, Bustin R M. 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