胡底井田3号煤孔隙结构特征

刘 航

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048006)

煤层气是一种低碳优质能源，根据原国土资源部2016年6月13日公开发布的2015年全国油气资源动态评价成果资料显示，我国埋深2 000 m以浅煤层气地质资源量为30万亿m3，可采资源量为12.5万亿m3.煤层是一种孔裂隙极为发育的复杂多孔介质，煤孔隙是煤层气的主要赋存场所和储集空间，其结构特征对煤层吸附-解吸特性、含气性、运移行为及煤层气产出特征等具有重要影响，是煤层气地质理论研究、煤层气井产能评价、煤层气开发有利靶区优选等重要研究内容之一，因此，煤孔隙结构特征常作为煤层气勘探开发的一项重要基础研究工作[1-4]。经过多年的研究及实践，学者们在研究方法及实验手段[5]、孔隙成因及类型划分[6]、宏观至微观(多尺度)[7-8]、孔隙结构及形态[9]、精细定量表征[10]等方面开展系统且深入的研究，极大地丰富了煤层气地质理论，为生产实践亦起到了积极的指导作用。胡底井田为原晋煤集团煤炭及煤层气矿业权矿区，为解决矿井开采煤层含气量高、矿井瓦斯涌出量大等难题，实施了地面煤层气抽采工程，在探索采煤采气一体化模式方面取得了积极成效。目前，胡底井田对3号煤层地质特征及赋存规律，煤储层物性及特征方面开展了部分工作，但尚未对煤孔隙结构特征开展研究。为此，笔者采用低温液氮吸附静态容量法对胡底井田3号煤孔隙结构特征开展实验研究，以期为区内井上下煤层气抽采及防治提供理论和技术支撑。

1 研究区概况

胡底井田位于山西省沁水县胡底乡，地理坐标为东经112°32′44″—112°36′44″，北纬35°43′—35°45′15″，井田面积约20.51 km2.井田总体为走向北北东，倾向北西的单斜构造。地层相对平缓且倾角较小(多小于10 ℃)，井田构造类型以宽缓波状起伏的次级褶皱为主，见图1，断裂构造不甚发育，陷落柱稀疏发育，无岩浆侵入现象，井田地质构造复杂程度总体为简单型。

图1 胡底井田构造纲要图

井田含煤地层相对发育，石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为井田主要含煤地层，两套含煤地层共含计煤9～12层，其中，山西组3号煤层和太原组15号煤层为全井田发育稳定可采煤层，其余为不稳定的不可采煤层。本文研究的3号煤层厚度一般为4.04～13.01 m，平均5.59 m，为厚煤层；煤变质程度高(Ro,max=2.624%～3.364%，平均3.186%)，煤类为高变质无烟煤；煤层气含量较高(9.39～30.23 m3/t，平均18.90 m3/t)、含气饱和度(58.72%～108.69%，平均89%)和地质储量丰度中等偏高(1.52×108m3/km2)[11].

2 煤样采集及宏观描述

2.1 煤样采集

本文研究的煤层样品均采自胡底煤矿1305综采工作面距离切巷250 m处的煤巷，为采集全煤体结构类型的煤样及实验数据尽可能反映研究煤层客观实际，采样时在采样点垂直剖面不同位置采样，见图2.①煤样采自顶板下20 cm处；②煤层采自顶板下1.3 m处；③煤样采自3.3 m处，且位于中下部夹矸之上20 cm处；④煤样采自顶板下4.8 m处。根据煤的宏观煤岩类型的可辨识程度、煤体破碎程度、煤体手试强度、层理完整性程度、裂隙及揉皱发育程度等宏观特征对煤样的煤体结构类型进行分类。同时，为满足实验样品规格要求和实验结果可靠性，采样时力求采集新鲜的块状煤、煤样纯净(无夹矸、黄铁矿等矿物质)。按照上述要求，共采集煤样4件，其煤体结构类型为原生结构煤和碎裂煤。

图2 采样点剖面及采样相对位置示意

2.2 煤的物理性质及煤岩特征

胡底井田3号煤为高变质无烟煤，煤的硬度大(显微硬度84.86～91.31 kg/mm2，平均88.92 kg/mm2)，且变化幅度不大。煤的新鲜外表呈黑-灰黑色，似金属光泽，条痕为灰黑色，煤少许染手。条带状结构，贝壳状、参差状断口，层状构造，内生裂隙较发育，性脆易碎。宏观煤岩组分以亮煤、镜煤为主，宏观煤岩类型为半亮-光亮型。

煤中显微组分中以有机显微组分为主(84.50%～94%)，无机矿物次之(6%～15.5%)，其中有机显微组分中主要为镜质组含量(69.0%～84.0%)，次为壳质组(10.0%～14.8%)，因煤的变质程度高，镜下无法辨识丝质组组分；无机组分粘土类(6%～15.5%)，以分散状粘土类矿物为主(约占无机组分的88%)，另含少量碳酸盐类矿物(约占无机组分的12%)，粘土类矿物以分散状粘土为主，细胞充填状粘土，碳酸盐类矿物以裂隙状方解石为主。

3 煤孔隙结构特征研究

3.1 实验方法及原理

本文采用低温液氮静态容量吸附法对胡底井田3号煤孔隙结构特征进行研究。煤是一种孔裂隙双重发育的多孔介质和有机物，煤孔隙表面存在不饱和能，与非极性气体分子之间产生一种范德华力，对氮气分子具有吸附作用[12-13]，在液氮温度下(-196 ℃或77 K)，氮气分子仅在煤中发生物理吸附，当吸附和脱附达到平衡时，氮气分子在煤孔隙内表面的吸附量是相对压力(P/Po)的函数。根据相对压力值在不同值域区间(0～1.0)时，会发生多分子层吸附和毛细凝聚等物理现象，相应符合BET多分子层吸附理论和BJH毛细凝聚模型，利用上述理论和数学模型进而实现多孔和粉体吸附剂等材料比表面积、孔隙体积及孔径等孔隙结构特征参数测定。低温液氮吸附法因其测定值域范围广、数据可靠且精度较高，被油气藏开发和化工行业领域广泛应用于分析孔隙介质的结构特征和产品质量的监控[14-15]。

3.2 实验仪器及技术参数

借助于ASAP 2020物理吸附仪对研究区3号煤孔隙结构特征进行实验研究。该仪器由美国著名的麦克仪器公司制造生产，具备测定功能强大、自动化程度和精度高、实验数据可靠性强等特点，可采用多种吸附质(二氧化碳、氮气、氦气)对多孔和粉体材料的比表面积、孔隙体积、孔径大小测定分析，尤其适用于纳米材料的分析研究。比表面积测定和分析范围广，测值范围不小于0.000 5 m2/g；可实现多尺度孔径的测定，孔径测定分析范围为0.35～30 000 nm，微孔区段的分辩率高达0.1 nm；孔隙体积(孔容)测定分析范围最小可达0.000 1 cm3/g.

3.3 实验基本流程

煤属于有机岩类，当前油气行业低温液氮静态容量吸附法测定分析煤岩孔隙结构实验主要参照石油行业《SY/T 6154-1995岩石比表面积和孔径分布测定静态氮吸附容量法》执行，本文的实验方法、步骤及流程亦参照上述行标执行。

3.4 实验结果分析

3.4.1 孔隙形态

由吸附和凝聚理论可知，在开展多孔介质的吸附-解吸实验时，吸附曲线和脱附(解吸)曲线会出现重叠和分离两种现象。吸附曲线(或吸附分支)和脱附曲线(或解吸分支)分开便会形成所谓的吸附回线，该现象反映了孔隙的形态结构情况[16-18]。煤是一种具有复杂孔裂隙系统固体有机质，因此，可采用低温液氮吸附实验，分析其吸附曲线和脱附曲线的形态特征，进而了解煤的孔隙形态类型[2]。借助前人研究成果，利用本次低温液氮吸附试验结果，总结得出胡底井田3号煤存在2类吸附回线，各类吸附回线特征如下：

1) Ⅰ类吸附回线。煤的低温氮吸附回线类型见图3，3号煤低温液氮吸附、脱附曲线特征见图4.吸附曲线和脱附曲线分离且二者间距大，整体呈“大刀型”，在相对压力处于中值范围内(0.42～0.50)，脱附曲线出现了明显的滞后环闭合拐点(即图中“G”)。就吸附曲线而言，当相对压力在0～0.1之间时，吸附量快速增加，吸附曲线呈急倾斜状。相对压力介于0.1～0.9时，吸附量缓慢增加，吸附曲线呈近水平状或缓倾斜状。随着相对压力继续增加，当相对压力介于0.9～1.0时，吸附量快速增加，吸附曲线呈近似急倾斜或陡立状；脱附曲线在高相对压力段0.9～1.0范围内时，吸附气快速脱附(或解吸)，脱附曲线呈急倾斜状。相对压力介于0.5～0.9时，吸附气缓慢解吸，脱附曲线呈相对平缓状；相对压力介于0.05～0.42时，解吸气量缓慢增加，脱附曲线呈近水平状或缓倾斜状；当相对压力处于较低范围0～0.05时，解吸气量又出现快速增加，脱附曲线呈急倾斜状。同时在相对压力0.42～0.50之间出现了滞后环闭合拐点(即图中“G”点)，这与Harris和Avery等发现[19]在多种吸附剂上氮吸附等温线滞后环闭合点均在相对压力0.42～0.50之间高度吻合。胡底井田3号煤的低温液氮吸附Ⅰ类吸附回线特征分别与陈萍等[20]划分的L2、姚艳斌等[21]划分的A型极为类似，表明煤中孔隙形态复杂，主要为两端开口的筒状孔、四面开放狭缝形孔和墨水瓶孔，同时含有少量的一端开口的孔。

图3 煤的低温氮吸附回线类型

2) Ⅱ类吸附回线。该类吸附回线见图4(c)、图4(d)，其特征如下：吸附曲线和脱附曲线分离且二者间距较Ⅰ类吸附回线小，在相对压力处于中值范围内(0.45～0.50)，脱附曲线出现了不显著的滞后环闭合拐点(即图中“G”)。就吸附曲线而言，当相对压力在0～0.1之间时，吸附量快速增加，吸附曲线呈急倾斜状。相对压力介于0.1～0.9时，吸附量缓慢增加，吸附曲线呈近水平状或缓倾斜状。随着相对压力继续增加，当相对压力介于0.9～1.0时，吸附量快速增加，吸附曲线呈近似急倾斜或陡立状；脱附曲线在高相对压力段0.8～1.0范围内时，吸附气快速脱附(或解吸)，脱附曲线呈急倾斜状。相对压力介于0.5～0.8时，吸附气缓慢解吸，脱附曲线呈平缓状；相对压力介于0.1～0.45时，吸附气解吸放缓，脱附曲线呈近水平状或缓倾斜状；当相对压力处于较低范围0～-0.1时，吸附气快速解吸，脱附曲线呈急倾斜状。同时，在相对压力0.45～0.50之间出现了滞后环闭合拐点(即图中“G”点)，与陈萍等[20]划分的L3类似，见图3(b)，表明煤中孔隙形态比较复杂但较Ⅰ类简单，同时煤的渗透性整体亦较Ⅰ类吸附回线样品好，煤中主要为两端开口的筒状孔、四面开放狭缝形孔，同时含有少量的一端开口的墨水瓶孔。

图4 胡底井田3号煤低温液氮吸附、脱附曲线特征

3.4.2 孔径

煤是一种复杂的多孔固体介质，煤中孔隙的形态“千姿百态”，不同大小(或多尺度)的孔隙均有发育，孔隙大小及结构形态对煤的吸附-解吸、运移及渗流特性具有重要控制作用[22-23]。为了实现对煤中孔隙大小的定量分析和研究，国内外学者在煤孔径结构及孔隙大小划分方面开展了大量研究工作，研究成果为煤层气吸附和运移特征提供了重要信息。在孔径结构研究方面，学者们为了简化煤中复杂孔隙形态，实现其定量描述和表征，假设煤中孔隙均为规则的圆柱形或狭缝形，国标(GB/T 21650.3-2011/ISO 15901-3:2007)把圆柱形孔的直径或狭缝形孔两对壁间的距离称为“孔径”，并基于Kelvin方程提出了多孔介质的BJH孔径分析方法，该方法被广泛应用于煤孔径计算和分析[24]。

在孔径大小及其对煤层气作用机制方面，因认识水平、研究目的、测试方法、测试仪器及其精度范围等差异，孔隙大小分类方法也不尽相同[25-26]。前苏联B.B.霍多特[27]基于多孔介质的孔径范围与固气分子作用效应、液氮吸附法和压汞法的测试结果，采用十进制划分方案将煤中孔隙大小划分为大孔(>1 000 nm)、中孔(1 000～100 nm)、过渡孔(100～10 nm)及微孔(<10 nm)四类，并得出不同大小孔隙对吸附质赋存及运移作用机制不同，吸附质在大孔中主要发生紊流渗透和强烈层流，中孔中吸附质为缓慢层流渗透，过渡孔中吸附质可发生毛细管凝聚、物理吸附及扩散行为，微孔中吸附质以吸附为主[28]。该分类方法因划分相对简单、可借鉴和实操性强，目前在国内煤层气开发领域被广泛应用。本文在孔径研究及孔隙大小划分时亦采用B.B.霍多特方法。

由实验结果可知(表1)，胡底井田3号煤中孔隙主要为过渡孔和微孔，煤层气在煤中主要发生毛细管凝聚、扩散及物理吸附。孔隙大小平均BJH孔径一般为5.546 8～16.332 7 nm，平均为12.700 8 nm.受地质要素及煤本身非均质性影响，不同样品间孔隙的BJH孔径有所差异，总体呈现出煤变质程度越高、煤体破坏程度越小，平均BJH孔径越小的趋势，反之亦然。

表1 胡底井田3号煤孔隙孔径

3.4.3 比表面积

煤层气以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤层中，并以吸附于煤基质微孔隙内表面为主，因此，煤中内孔隙比表面积大小对煤层气赋存状态、吸附储集能力及含气性具等有重要影响[29]。煤是多孔介质和良好的吸附剂，低温液氮吸附实验相对压力(P/P0)介于0.05～0.35时，氮气分子在煤孔隙内表面发生多分子层吸附现象，符合多分层吸附理论和多分子层吸附方程(即BET方程)[30]，BET方程被广泛应用于多孔介质的吸附剂表面吸附性能研究及相关检测仪器的数据处理中。

通过低温液氮吸附实验可知(表2)，胡底井田3号煤层的变质程度较高，煤中有效孔隙较发育，孔比表面积总体较高，一般为4.386 5～7.258 3 m2/g，平均5.864 3 m2/g，与邻近的寺河井田和成庄井田3号煤层的孔比表面积相差不大[29,31]。

表2 胡底井田3号煤比表面积

成煤过程中及成煤期后，受煤中矿物质含量、显微煤岩组分、煤变质程度、煤体结构类型、构造应力等诸多地质要素及其耦合作用影响，致使不同样品间的煤孔隙结构特征参数有所差异，并呈现出明显的分异现象和分形特征[32]。在众多地质影响要素中，煤变质程度对煤孔比表面积影响最为显著，随着煤变质程度升高，煤中内生小尺度有效孔裂隙越发育(特别是微孔和过渡孔发育更甚)，孔比表面积越大，反之亦然。不同尺度孔隙对比表面积的贡献程度各不相同，微孔的比表面积是3号煤层孔比表面积的主要贡献者(占比53.62%～66.04%，平均59.88%)，过渡孔贡献程度次之(占比31.62%～39.31%，平均35.55 %)，中孔贡献程度居第三位(占比2.33%～6.79%，平均4.44 %)，因煤中大孔发育甚少，对比表面积程度甚微(占比0.01%～0.28%，平均0.13 %).

3.4.4 孔隙体积

煤的孔隙体积(或孔容)对煤层气吸的附能力、吸附量及煤层气井产能等具有重要影响[33]，是煤孔隙结构特征研究的重要参数。煤中孔隙形态多样、大小不一，孔隙间的连通性差异很大，既有开放型孔(又称“有效孔隙”)，又有“死孔”(或称“无效孔隙”)。开放型孔的连通性和渗透性好，吸附质可以进入孔隙充填，而“死孔”因其不连通，吸附质无法进入，因而利用吸附实验测定获得的煤孔隙体积均为单位质量吸附剂(煤)内开放型孔内吸附的等效气体(吸附质)体积[34]。

胡底井田3号煤层为高变质无烟煤，煤中孔裂隙系统发育，孔隙体积总体较高，显示了研究煤层具有较好的储气煤层气能力。孔隙体积一般为0.002 426～0.003 307 cm3/g，平均0.002 930 cm3/g(见表3).受多地质要素及煤储层物性自生属性等影响[32,35]，样品间煤孔隙体积存在差异性，具有显著分异现象。煤中不同尺度孔隙对孔隙体积的贡献程度不一，过渡孔的孔隙体积所占比例最高，为孔隙体积的主要贡献者，占比一般为38.44%～53.28%，平均45.63%；微孔的孔隙体积所占比例次之，占比一般为22.35%～35.16%，平均29.52%；中孔的孔隙体积所占比例位居第三位，占比一般为14.18%～21.37%，平均17.95%；大孔因其发育较少，孔隙体积所占比例仅为2.67%～13.24%，平均6.9%.

表3 胡底井田3号煤孔隙体积

4 结 语

1) 受多地质要素及煤非均质特性影响，煤中孔隙结构复杂程度、形态特征、孔径、比表面积及孔隙体积具有一定差异，并具有显著的分异现象。

2) 胡底井田3号煤孔隙结构复杂且形态多样，低温液氮吸附回线表现为两类特征，显示不同吸附回线类型的煤样中孔隙结构复杂程度及渗透性不同，煤中孔隙主要为两端开口的筒状孔、四面开放狭缝形孔、墨水瓶孔少量及少量一端开口的孔。

3) 不同大小的孔隙发育程度不一，煤中微孔最为发育，过渡孔次之，中孔位居第三位，大孔发育甚微。煤过渡孔和微孔发育，比表面积和孔隙体积较大，过渡孔和微孔均为比表面积及孔隙体积的主要贡献者，显示胡底井田3号煤层具有较强的吸附、储集煤层气能力。