黔西地区高煤阶煤岩吸附特征及控制因素研究

金留青 霍梦颖 马平华 朱 明 武 宁 何 俊 邵先杰

(1. 贵州省天然气能源投资股份有限公司， 贵阳 550081； 2. 燕山大学， 河北 秦皇岛 066004)

黔西地区高煤阶煤岩吸附特征及控制因素研究

金留青1霍梦颖2马平华2朱 明2武 宁2何 俊2邵先杰2

(1. 贵州省天然气能源投资股份有限公司， 贵阳 550081； 2. 燕山大学， 河北 秦皇岛 066004)

煤岩的吸附能力决定了煤层气的储量丰度，也影响着煤层气井的产量，是煤层气评价最基本的重要参数。依据大量煤岩样品的实验结果和理论分析，研究了高煤阶煤岩的吸附能力、特征以及影响因素。黔西高煤阶煤岩的兰氏体积和兰氏压力偏低，层间差异大，低压阶段吸附量所占比例高。通过单因子分析法分析各参数对吸附能力的影响；通过灰色关联法分析，确定了各因素对煤岩吸附能力的影响程度。各因素影响关系的确定为煤层气评价参数的选择提供了理论依据。

煤层气； 高煤阶； 吸附； 兰氏体积； 黔西地区

煤层气以3种状态赋存于煤层中：游离态、溶解态、吸附态。游离态的甲烷存在于煤岩割理或微裂隙中，可以自由运移，运移的主要动力是孔隙流体压力[1]。通常情况下，煤层中游离气所占比例约为10%[2]。溶解态的甲烷溶于煤层的地下水中，由于煤层的孔隙压力比较低，溶解气含量十分有限，可忽略不计。吸附态甲烷是煤层气的主要赋存形式，因为煤岩微孔发育，有很大的比表面积，具有很强的吸附能力，吸附气一般占煤层气总量的80%以上[2]。天然气在煤层中的储集主要依赖于吸附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在，因而，与常规砂岩中天然气的储集机理有着本质上的区别。由此可见，煤岩的吸附能力决定了煤层气的储量丰度，也影响着煤层气井的产量。因此，煤岩的吸附能力是煤层气评价最基本，也是最重要的参数。

煤层对甲烷的吸附属于物理吸附，而物理吸附量的大小受吸附剂的性质、孔隙结构、基质颗粒的表面特征、比表面积的大小以及吸附质的性质、浓度和环境温度、压力等因素的影响[3]。为了评价黔西地区高煤阶煤层气资源量，开展了大量的煤岩实验，包括等温吸附、工业组分、显微组分、相对密度、有机碳测试、电镜扫描等实验，依据实验资料，分析了煤岩吸附能力、特征以及影响吸附的主要因素，在单因素分析的基础上，采用灰色关联法按照关联度的大小对影响因素进行了排队，为煤层气资源的定量评价和评价参数的选择提供了理论依据。

1 黔西煤田基本地质特征

贵州省煤炭资源丰富，素有“江南煤海”之称[4]。主要含煤层系是晚二叠系，含煤层系分布面积为7.5×104km2，估算的煤层气资源量大约为4.441 678×1012m3(含连片的川南和滇东地区)[5]，储量丰度高，潜力巨大。

黔西地区的煤层主要分布在晚二叠系龙潭组，地层厚度300～350 m，煤层数30～40层，单层厚度一般为0.5～5.0 m，累计厚度25 m左右。平面分布稳定的煤层有10～14层，煤层的埋藏深度一般在150～750 m。该地区在早古生代为隆起区，晚古生代由于断裂构造活动下陷沉积，形成了海陆交互的龙潭组含煤地层[5]。岩性为灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和煤层，偶夹泥灰岩薄层。成煤环境主要是潮坪和三角洲环境[6]。受后期燕山运动和喜马拉雅运动的影响而整体抬升，遭受剥蚀，煤层主要分布在残余向斜构造部位。

煤岩变质程度高(1.81%～4.43%)，以贫煤和无烟煤为主。含气量为3.11～31.36 m3/t，平均为 14.10 m3/t，整体上含气量比较高。孔隙度为4.79%～5.77%，平均为5.11%。煤层含水率低，抽水试验单位涌水量为 0.001 190 L/(s·m)，排采初期的日产水量一般不超过1 m3。

2 煤岩吸附能力及吸附特征

煤岩的吸附能力决定着煤层气的储集能力[7]。利用等温吸附实验可以确定煤层原始状态的甲烷最大吸附量；确定开采过程中，甲烷产量随压力降低的变化规律[8]；确定临界解吸压力[9]；确定废弃压力下的残余气量；确定最终采收率和可采储量[10]。矿区不同样品的等温吸附曲线见图1。实验表明，黔西地区煤岩的最大吸附量较低，表现出兰氏体积、兰氏压力低，各样品间差异大的特点。

图1 不同样品的等温吸附曲线

(1) 兰氏体积、兰氏压力低。在30 ℃条件下，空气干燥基煤岩的兰氏体积为12.76～31.75 m3/t，平均为20.20 m3/t。兰氏压力为0.78～1.61 MPa，平均为1.13 MPa。同韩城和晋城矿区相比明显偏低。

(2) 各样品间差异大。受成煤环境的影响，煤岩类型差别大，非均质性严重，吸附能力差别很大，最大样品的兰氏体积是最小样品的2.5倍。

(3) 低压吸附量比例高。从图1可以看出，在低压区吸附曲线斜率比较大，单位压差下的吸附量增幅大，高压区曲线的斜率小，单位压差下的吸附量增幅小。根据统计，单位压差小于2 MPa时的吸附量占饱和吸附量的54.9%，单位压差在2～8 MPa时的吸附量占饱和吸附量的26.0%，单位压差大于8 MPa时的吸附量占饱和吸附量的19.1%。这样的吸附特征在生产过程中的表现是，在早期地层压力降低幅度较小的情况下，产量比较低，上升速度慢，当地层压力降低到 2 MPa以下后，产量增幅大。由于大部分甲烷是在低压下被吸附的，因此在废弃压力下仍会有比较多的残余气，从而影响最终采收率，因此，需要采取相应的技术措施促使解吸[11]，提高最终采收率。

3 影响煤岩吸附能力的因素

煤是有机物和无机物的混合体，成分和结构复杂多变，因此不同的煤样品测出的吸附曲线和饱和吸附量(兰氏体积)都不同。依据实验资料，通过单因素分析，研究了灰分、挥发分、固定碳、水分、密度、镜质组、惰质组、矿物、有机碳含量以及煤岩类型等10个参数对吸附能力的影响。

3.1工业组分对煤岩吸附能力的影响

由于碳的密度低，疏松多孔，因此煤岩中固定碳含量越高，微孔隙越发育，吸附能力就越强。灰分是煤高温燃烧后留下的残渣，其中矿物质含量越高，灰分含量就会越高，密度也会越大，而微孔隙会越小，从而导致吸附能力降低。挥发分越高，煤岩的有机质含量相对高，有利于吸附。水与甲烷一样，与煤基质之间是以比较弱的范德华力吸附在一起，但水是极性分子，与甲烷相比，优先吸附于煤基质中，从而取代甲烷的位置[2]，因此，水分含量越高，会进一步抑制甲烷的吸附，使吸附能力下降。

黔西地区煤岩的固定碳含量变化比较大，分布区间在43.46%～85.70%，平均为66.36%。煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩固定碳含量的关系见图2。随着煤岩固定碳含量的增加，兰氏体积明显增大。当煤岩固定碳含量小于55%时，所有样品的兰氏体积都小于20 m3/t。因此，煤岩固定碳含量是评价煤岩储集性能的关键指标。

图2 煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩固定碳含量的关系

煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩灰分含量的关系见图3。煤田的灰分含量分布区间为6.21%～46.91%，平均为24.63%。随着灰分含量的增加，兰氏体积明显降低。当灰分含量大于40%时，兰氏体积均小于20 m3/t。

图3 煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩灰分含量的关系

由理论分析可知，挥发分的存在能够增大吸附能力，但是黔西地区的煤岩挥发分含量比较低，大部分样品煤岩挥发分含量在6.00%～12.00%，平均为9.09%，各样品间的变化区间也比较小，所以实验结果并没有显示出挥发分与兰氏体积之间的变化趋势。

黔西地区煤岩中水的含量普遍高于晋城和韩城矿区，煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩水分含量的关系见图4。煤岩水分含量在0.68%～2.27%，平均为1.16%。随着煤岩水分含量的增加兰氏体积在逐渐下降，特别是当煤岩水分含量超过1.5%之后，绝大部分样品的兰氏体积小于20 m3/t。

图4 煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩水分含量的关系

3.2煤岩密度对煤岩吸附能力的影响

图5 煤岩实验样品的兰氏体积与煤岩密度的关系

3.3煤岩显微组分对煤岩吸附能力的影响

该地区煤岩的显微组分主要是镜质组和惰质组，壳质组很少。镜质组含量在17.90%～64.80%，平均为36.90%。以均质镜质体为主，呈平整光滑的块状，基质镜质体次之，其上常分布黏土微粒。惰质组含量在4.40%～64.70%，平均为54.70%。以丝质体为主，亮白色，星状、角状碎片、条带状分布，见筛状胞腔，腔内常被方解石充填；粗粒体次之，亮白色，浑圆状或似圆状，显示各向异性。镜下观察惰质组的微孔较镜质组发育。

煤岩实验样品的兰氏体积与(镜质组+惰质组)含量的关系见图6。根据实验结果将镜质组、惰质组含量分别单独与兰氏体积进行分析，其关系并不明显。如果将二者之和与兰氏体积进行分析，发现兰氏体积随二者之和增大而增大。这说明二者含量的增加都对甲烷的吸附有利。单独分析时影响关系不明显，主要是因为二者存在一定的相互消涨的关系。当二者含量低于65%时，几乎所有样品的兰氏体积都小于20 m3/t，并且二者含量对兰氏体积的变化关系不敏感；当二者含量大于65%时，随着二者含量的增加，兰氏体积急剧增大。这说明当有机质组分含量很低时，影响吸附作用的关键因素不是有机质组分，而是其他因素。

3.4煤岩非有机质矿物对煤岩吸附能力的影响

煤岩中除了有机质外，还含有无机成分，通常称为矿物质，主要有黏土类矿物、碳酸盐岩、硫化物和氧化硅等。矿物质总含量为2.90%～55.90%，平均为25.99%，总体上含量比较高，各样品间差异大。黏土类矿物呈浸染状、团块状或晶体状分布。硫化物类多呈星点状分布，以半自形粒状、莓粒状黄铁矿为主。碳酸盐类以方解石为主，多呈基质状与有机组分共生，或呈片块状散布，少量充填胞腔。氧化硅类矿物微量。黏土矿物在扫描电镜下观察多呈微小的晶体集合充填在孔隙中。

无机矿物与气体之间没有亲合力[2]，无机矿物多为晶体结构，晶面平整，微孔不发育，比表面积小，相对吸附能力低；矿物颗粒也常常充填在煤的微孔隙中，降低了煤岩的孔隙度和比表面积，影响煤岩的吸附能力。煤岩实验样品的兰氏体积与矿物含量的关系见图7。根据实验资料统计，随着煤岩中矿物含量的增加，样品的兰氏体积呈下降趋势，虽然相关系数不是很高，但变化趋势还是较明显。

3.5有机碳含量对煤岩吸附能力的影响

煤岩中有机碳含量的增加，表明有机质含量高，碳含量高，微孔隙发育，比表面积大，吸附能力强；有机质多含有极性基团，产生附加吸附场，增强吸附能力[13]，增大吸附量。煤岩实验样品的兰氏体积与有机碳含量的关系见图8。随着有机碳含量的增加，兰氏体积呈增大的趋势，大致上可以分为2段。有机碳含量在60%以下时，兰氏体积增大幅度不明显；有机碳含量大于60%时，兰氏体积明显快速增大。因此，有机碳含量应该作为评价煤层储集性能的一项重要参数。

进一步，通过各分位数下的协整检验统计量CS(τ)，判断各分位数下现货与期货是否具有协整关系：对于现货与1月期合约，CS(τ)区间为[0.6136, 0.9890]；对于现货与2月期合约，CS(τ)区间为[0.6725, 0.9615]；对于现货与3月期合约，CS(τ)区间为[0.7837, 0.9872]；对于现货与4月期合约，CS(τ)区间为[0.6883, 0.9222]，均低于10%显著性水平下的临界值1.616。因此，在各分位数下，现货与不同时期的期货合约之间存在分位数协整关系，这与E-G协整检验的结论是一致的。

3.6煤岩类型对煤岩吸附能力的影响

煤岩非均质性比较强，通常是多种煤岩类型混杂，很难单独完成某一类型的实验，但通过剥离样品，可以相对准确地分析不同煤岩类型的性质。

光亮煤光泽度强，脆度大，机械强度小，易破碎，内生裂隙发育，密度小，有机质含量高，灰分含量低，固定碳含量高，吸附能力强。半亮煤脆度大，机械强度小，易破碎，内生裂隙较发育，密度较小，灰分含量低，相对于光亮煤其结构不均一，固定碳含量较高，吸附能力强。半暗煤光泽较弱，比较坚硬，密度较大，内生裂隙不发育，矿物质含量较高，灰分含量较高，固定碳含量较低，吸附能力较弱。暗淡煤光泽暗淡，质地坚硬，密度大，内生裂隙不发育，矿物质含量高，灰分含量高，固定碳含量低，吸附能力弱。

不同煤岩类型兰氏体积的测试结果见图9。根据实验结果，光亮煤的兰氏体积一般大于23 m3/t，半亮煤的兰氏体积在20.79～24.33 m3/t，半暗煤的兰氏体积在20.16～22.68 m3/t，暗淡煤的兰氏体积一般小于18.37 m3/t。半亮煤与光亮煤的兰氏体积差别不大，但半暗煤和暗淡煤的兰氏体积与前两者的差别比较大。

4 影响煤岩吸附能力的各因素关联分析

灰色系统是处理信息部分明确、部分不明确的复杂关系的有效方法。灰色关联分析方法是根据系统各因素间或各系统行为间发展态势的相似或相异程度来衡量关联程度的方法[14]。

灰色关联分析中，把兰氏体积作为母因素Y，子因素是水分含量X1、灰分含量X2、挥发分含量X3、固定碳含量X4、相对密度X5、镜质组含量X6、惰质组含量X7、矿物质含量X8、有机碳含量X9等9项因子。由于煤岩类型无法定量，所以不参与定量排队。

各因素关联程度计算步骤和方法如下：

第1步，构建实验数据矩阵：矩阵的第一行为兰氏体积Y，列是各实验样品，从第二行到第十行依次为水分含量X1、灰分含量X2、挥发分含量X3、固定碳含量X4、相对密度X5、镜质组含量X6、惰质组含量X7、矿物质含量X8、有机碳含量X9。

第2步，对数据矩阵标准化处理：即该行的每个数据除以该行最大的数据。

求得两级最大差和两级最小差：

ri={r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9}

={0.652,0.593,0.729,0.806,0.718,0.662, 0.674,0.549,0.803}

定量分析表明：r4>r9>r3>r5>r7>r6>r1>r2>r8，即兰氏体积与煤岩参数之间的关联度从大到小依次为：固定碳含量、有机碳含量、挥发分含量、相对密度、惰质组含量、镜质组含量、水分含量、灰分含量、矿物质含量。

灰色关联分析的结果与实际情况比较吻合。固定碳含量高，表明煤岩比较纯，碳含量高，微孔隙发育，吸附能力强，相关度高；有机碳和挥发分含量高，说明有机组分含量高，吸附能力强，因此也有比较高的关联度；密度实际上间接反映了孔隙发育情况，密度越小孔隙越发育，吸附能力也越强，因此关联度比较高；惰质组和镜质组的含量实际上反映的也是有机组分含量，但是二者是在镜下观察确定。不同的人在不同的时间观察的结果可能存在误差，所以相关度较低，但惰质组的关联度略高于镜质组，这可能与其微孔隙更发育有关。水分含量对吸附能力的影响是明确的，但是实验样品经过干燥后，含水率都比较低，因此，实验样品的关联度比较低是正常的；灰分和矿物质含量是降低煤岩吸附能力的主要因素，但相对其他参数其关联度较低。

5 结 语

(1) 黔西含煤区煤层层数多，分布面积大，煤岩变质程度高，非均质性强。实验结果表明，煤岩的兰氏体积和兰氏压力偏低，层间差异大，低压阶段吸附量所占比例高，导致生产井早期产量低，上升速度慢，中后期产量高。

(2) 实验结果分析表明，煤岩工业组分中水分、灰分、固定碳和挥发分含量，显微组分中的镜质组、惰质组和矿物质含量以及相对密度、有机碳含量和煤岩类型等10个因素对吸附能力都有影响。

(3) 由于煤岩组分和内部结构的复杂性、多变性，导致影响煤岩吸附能力的因素多，关系复杂，单因子分析很难确定其影响的程度，采用灰色关联法，可以客观、定量地分析各因子与煤岩吸附能力之间的关联度。固定碳和有机碳含量对其影响最大，其次是挥发分含量和相对密度，惰质组和镜质组含量对其影响程度居中。有机碳在过去煤层气评价测试应用较少，以后应将其作为煤层气评价的一个重要基础参数。

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Abstract:The adsorption ability of coal is the most basic and important parameter for coal-bed methane (CBM) evaluation, which decides the CBM reserves abundance, and also affects the production of CBM wells. On the basis of the experiment and theoretical analysis by a large number of coal samples, the paper studied the adsorption ability, the adsorption characteristics and its influencing factors of high rank coal. The study found that the Langmuir volume and Langmuir pressure of high rank coal in western Guizhou is low, the differences between coal layers is big, and the adsorption proportion at low pressure stage is high. Influence on adsorption capacity from different factors have been determined through the analysis method of single factor. Through the gray relational analysis method, it also determined the factors′ impact degree on the absorption ability of the coal. Influence relations provides theory basis for the evaluation of CBM.

Keywords:coal-bed methane (CBM); high rank coal; adsorption; Langmuir volume; Western Guizhou

AdsorptionCharacteristicsandItsInfluencingFactorsofHighRankCoalinWesternGuizhou

JIN Liuqing1HUO Mengying2MA Pinghua2ZHU Ming2WU Ning2HE Jun2SHAO Xianjie2

(1.Guizhou Gas Energy Investment CO., Ltd., Guiyang 550081, China;2.Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

TD712

A

1673-1980(2017)05-0001-06

2017-05-25

国家科技重大专项“煤层气藏储渗空间特征与渗流机理研究”(2011ZX05038-001)；河北省自然科学基金资助项目“火烧煤层提高煤层气采收率机理及关键技术研究”(D2016203253)

金留青(1965 — )，男，高级工程师，研究方向为油气田及煤层气开发。

马平华(1983 — )，男，博士，讲师，研究方向为油气田开发。