新疆地区低煤阶煤层孔隙特征实验评价研究

张 相 王 刚 杨曙光

(1.新疆煤田地质局，新疆 830009；2.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 830091)

煤储层作为煤层气的载体，构成煤层气产能的基础，包括孔隙结构、裂隙结构和孔渗性等煤层气储层物性及含气性是煤层气开采的基础要素。煤层气储层的孔裂隙是煤层气储集场所，也是煤层气气体运移通道。煤中孔隙的性质(如大小、形态及其发育规律)直接关系到煤层气(主要是甲烷)的吸附性、解吸性及其在煤层中的扩散和渗流特性。

近年来，研究煤的孔隙特征已成为煤层气储层评价与开发的基础性工作。而目前针对煤储层孔径分布的研究多采用单一的手段，比如压汞实验、气体(N2、CO2)吸附实验、核磁共振实验、小角中子/X射线散射等，都无法对煤储层孔径分布进行全尺度表征。本研究以新疆低煤阶煤样为研究对象，通过低温N2吸附实验、低温CO2吸附实验以及高压压汞实验相结合的方法，分析低煤阶煤煤层的全孔径分布特征。

1 煤的压汞实验

煤气层的赋存状态跟煤储层孔隙结构特征关系密切，煤层气开发过程中的渗流过程与煤储层孔裂隙系统的发育也息息相关。煤储层具有独特的双重孔、裂隙系统，不仅包含大量切割煤基质块体的常规裂隙，而且在基质块体中发育着大量的基质孔隙和微裂隙。根据孔隙类型，可将煤的孔隙主要分为原生孔、次生孔、变质孔和矿物质孔。此外，可进一步细分分为胞腔孔、气孔、角砾孔、铸模孔、晶间孔等。

根据压汞实验测试，新疆低煤阶煤样的孔隙中值半径在6.96nm～8.04nm。其中，微孔占比约16%、小孔占比约20%、中孔占比约21%，大孔占比43%，低煤阶煤样的大孔和微孔相对发育，十分有利于煤层气的储存和运移开采。

由压汞曲线(图1)可以看出，新疆低煤阶煤样所需排驱压力较大，孔喉直径较大，总体而言进汞曲线平滑，多数煤样的退汞曲线与进汞曲线重合度高，孔隙系统发育、渗透性好、连通性好，比较有利于煤层气的赋存与渗流运移。

图1 低煤阶煤样压汞曲线

2 煤的低温氮气吸附实验

采用低温氮气吸附的方法研究煤样的吸附孔隙形态及孔径分布特征，其理论依据来源于朗格缪尔方程和BET方程。

由煤样低温氮气吸附解吸曲线可知(图2)，低阶煤煤样最大吸附量约为4.1cm3/g，吸附曲线在中-低压阶段平稳上升，在相对压力(P/P0)超过0.9之后线斜率快速增大。在中压阶段出现了滞后环。在相对压力0.5～0.8脱附曲线和吸附曲线大致平行，说明孔隙发育以微孔为主，为开放型“墨水瓶”孔隙，一端开放而一端闭合，在等温吸附曲线上表现成一个陡坎，即产生了吸附回线。在相对压力较低时，随着压力的升高，氮气被逐步稳定的吸附，说明氮气很容易进入煤样的孔隙：而当相对压力下降，氮气开始发生脱附，出现了一定的蒸发现象，当相对压力到达某一值后，煤样里的氮气在孔壁上开始发生汽化，收到小孔的孔颈制约，汽化后的氮气无法再直接顺利的排出，转而积聚在空隙里，只有当压力进一步下降，积聚的氮气才可以继续顺利的析出，就是这个过程反映在曲线上就形成了明显的拐点。而且，蒸发时的相对压力要小于凝聚时的相对压力，这就导致在吸附和解吸的过程的曲线并不是完全重合的，即产生滞后环的原因。

图2 低煤阶煤样低温氮气实验吸附解吸曲线图

3 煤的低温二氧化碳等温吸附实验

由于二氧化碳分子小于氮气分子，对于低温氮气吸附实验无法探测的孔径小于2 nm的微孔，本次研究利用CO2作为吸附气体来进一步表征更小孔径的孔隙的发育特征。由煤样的低温二氧化碳吸附曲线可知(图3)，所有曲线均呈反S型，在相对压力较低时，CO2的吸附量就能快速上涨，应为CO2吸附气体在样品表面的单分子层吸附或微孔填充阶段，在相对压力大于0.05后增长速度放缓。

图3 低煤阶煤样低温二氧化碳吸附曲线图

4 煤储层全孔径分布及影响因素

4.1 全孔径分布特征

由于CO2吸附实验测量的孔径上限为1.4nm，低温N2吸附实验测量的孔径下限为1.7nm，所以在本次研究中利用低温N2吸附实验、CO2吸附实验数据来表征微孔(<2nm)的孔径分布。中孔(2～50nm)的孔径分布由低温N2吸附实验数据表征，大孔(>50nm)的孔径分布由压汞实验数据表征。

根据煤样的全孔径分布曲线，均呈现为双峰模式。其中一个峰值在0.5nm～1nm，另一个峰值在100nm左右，表明这两个区间的孔隙较为发育，而且0.5nm～1nm的峰比100nm左右的峰高，表明实验煤样的孔隙在0.5nm～1nm更为发育。

煤样孔隙整体上以微孔为主，大孔次之，中孔发育最差。微孔(吸附孔)是煤层气解吸-扩散作用过程的主要场所，而中大孔(渗流孔)对于煤层气的渗流极为关键，其中中孔更是沟通微孔与大孔之间的桥梁，即解吸-扩散过程转向渗流过程的过渡地带，因此中孔发育程度对于整个煤层气的运移过程极为关键。

4.2 中孔发育程度的影响因素

(1)煤化作用程度

随着煤化作用的进行，煤变质程度不断升高，煤的许多物理化学特征发生有规律的变化，如孔隙度、比表面积、束缚水饱和度等。最大镜质组反射率(Ro,max)随煤化作用程度的升高而增大，常用于确定煤化作用的程度。随着Ro,max的增高，中孔的孔隙体积呈现先降低后增高的变化规律，转折端出现在Ro,max为0.55%处，这可能与煤化作用过程中的第一次跃变作用有关。

(2)显微组分

煤的许多性质与煤的显微组成密切关系，如裂隙发育程度、含气量、吸附/解吸特征等。低煤阶煤样中孔孔隙体积与镜质组含量呈现明显的负相关关系，而与惰质组含量呈现明显的正相关关系。中孔在惰质组中的发育程度较好，而在镜质组中的发育程度则相对较差，即惰质组含量高，更利于中孔的发育

(3)固定碳含量

煤中的固定碳含量与煤的分子结构存在相关性，而煤的分子结构则可能影响到煤的孔隙发育特征。中孔孔隙体积及中孔体积分数均与煤中固定碳的含量呈现较好的正相关关系。

5 结论

(1)高压压汞实验显示，低煤阶煤样的总进汞量并不大、总体孔隙发育程度一般，孔隙中值半径在6.96nm～8.04nm，原生结构煤孔隙中的大孔和微孔较发育。

(2)低温氮气吸附实验显示，低阶煤煤样的孔隙发育以微孔为主，为开放型“墨水瓶”孔隙，一端开放而一端闭合，在等温吸附曲线上表现出吸附回线。

(3)低温二氧化碳等温吸附实验显示，曲线均呈反S型，在相对压力较低时，CO2的吸附量就能快速上涨，应为CO2吸附气体在样品表面的单分子层吸附或微孔填充阶段，在相对压力大于0.05后增长速度放缓。

(4)通过低温N2吸附、低温CO2吸附与高压压汞实验对煤样全孔径尺寸分布进行研究，发现低煤阶煤样全孔径分布曲线均呈双峰模式，一个峰值在0.5nm～1nm，另一个峰值在100nm左右，表明微孔、大孔较为发育，其中微孔最发育。