煤的工业分析参数对多煤阶煤岩吸附性能的影响研究

李丹丹

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤是一种复杂多孔性固体，自身高含有机质，富含微孔和大孔等特性决定煤岩对甲烷具有极强吸附性。煤层气主要成分是甲烷，主要分布形式有三种，吸附气、游离气以及溶解气，其中凭借煤岩吸附特性吸附于煤岩表面的吸附气占总量70%～95%，煤的吸附性决定了煤层含气量[1]。煤层气实际开发效果表明不同煤阶煤吸附甲烷特性不同。唐巨鹏等[2]认为从中煤阶烟煤到高煤阶无烟煤，煤变质程度越高，煤岩对甲烷分子的吸附性加强，含气量不断增加；边强等[3]通过解吸实验发现沁水盆地高阶煤吸附量随温度与含水率升高而降低，且岩孔裂隙越发育，含水率与温度对吸附性影响越大；张娜等[4]通过对新疆主要煤田低煤阶煤吸附特征研究发现，伴随着煤岩煤阶的增长，兰氏体积随煤阶增加，而兰氏压力降低。当然，影响煤吸附特性的还有其他众多因素，如煤岩组成、孔隙结构、温度、煤的分子结构、水分、灰分及挥发分等[5-8]。

王攀[9]利用MIV方法结合BP神经网络对影响含气量的因子权重进行分析，得出镜质组含量和等温吸附时间对气含量影响最大，其次是惰质组含量，其他储层参数影响程度较小。煤储层的非均质性，致使含气量分布的非均质性，因此同一煤层各深度的含气量不同。在实际工作中，因为样品本身或其他客观问题，所取煤样并不能均开展吸附性测试，那么如何在未准确获取其兰氏常数时，有效评价整个储层含气性？煤的工业分析参数(水分、灰分、挥发分和固定碳)是煤及煤层气储层评价的基础参数，是煤层气基础测试项目。本文通过对六个区域多个矿区、不同煤阶的252组煤岩兰氏常数与其工业分析参数关系开展分析，力图找出它们之间的关系，从而为多区域预测煤层气参数以及评价储层提供数据支持。

1 试验样品与方法

1.1 试验样品

样品主要来自山西、贵州、安徽、天津、云南和陕西六个区域的252组不同煤阶的煤，按照煤岩反射率划分煤阶[10]，其中Ro≥1.9%为高煤阶(贫煤、无烟煤)，Ro≤0.7%为低煤阶(褐煤、长焰煤)，介于0.7%～1.9%为中煤阶(气煤、肥煤、焦煤、瘦煤)。各区域煤的工业分析参数范围与煤阶划分如表1所示。所有煤样按照GB/T 474制备成60～80目颗粒以备后用。

1.2 试验方法

将制备的煤样称取100 g左右，参照ASTM标准将达到平衡水分的煤样装入样品缸，用TerraTek ISO-300型等温吸附仪对252组煤样进行等温吸附实验，实验装置如图1所示，整个过程按照《煤的高压等温吸附试验方法》(GB/T 19560-2008)标准执行，吸附质为甲烷(纯度99.99%)，实验模拟煤样各自的储层温度，从18～45 ℃不等，实验过程中保持温度恒定，设计最高压力8 MPa，压力测试点6个，每个压力点平衡时间不少于12 h，试验过程中，计算机自动采集样品缸和参考缸内的时间、压力、温度等时间数据，试验结束后，根据兰氏单分子层理论，计算出表征煤吸附甲烷气体特征的兰氏常数，其中，兰氏方程表达式为：

V=VLp/(pL+p)

式中：V为吸附量，cm3/g；p为压力，MPa；VL为兰氏体积，cm3/g；pL为兰氏压力，MPa。

图1 实验装置示意

表1 煤的工业分析参数与煤阶

2 煤的工业分析参数对不同煤阶煤岩吸附性影响

2.1 水 分

根据水在煤中形式，可分为：外在水分、内在水分、结晶水和化合水，其中，煤样内在水分Mad与VL和pL的关系如图2、图3所示。

图2 Mad与VL的关系

图3 Mad与pL的关系

从图中可以看出低煤阶煤样水分含量高，VL小，且维持在同一个水平；随着水分含量降低，中煤阶煤样VL呈现急剧增加趋势；随着水分含量增加，高煤阶煤样VL呈增加趋势；随着水分含量增加，各煤阶pL均呈增大趋势。煤岩中的水分对不同煤化程度煤吸附甲烷影响程度不同。低煤阶煤分子结构含有大量羟基和羧基官能团，煤亲水而疏甲烷，水分会占据煤中可吸附甲烷气体的有机物位置，致使吸附甲烷能力弱，兰氏体积小；中煤阶煤分子结构侧链极性官能团减少，对水的吸附能力减弱，煤中水分含量不断减小，吸附甲烷能力增加，兰氏体积增大；随着煤级进一步增高，孔隙中的液态烃开始裂解并逐渐消失，微孔、微裂隙增加，吸附水分量又开始增加，吸附量增大[6]。由此可见，煤中水分对低、中煤阶煤岩吸附具有制约作用，而高煤阶煤岩转为正向影响。水分含量高，兰氏压力大，表明水分能更好地促进煤内表面气体解吸。

2.2 灰分产率

煤的灰分几乎是煤中矿物质完全燃烧的产物。灰分与兰氏体积、兰氏压力的相关关系如图4、图5所示，低煤阶煤岩灰分产率相对较小，VL受灰分产率影响不明显；整体上随灰分产率增加，中、高煤阶煤样VL呈减小趋势，pL呈离散状态。

图4 Ad与VL的关系

煤中矿物质通常以颗粒分散于煤基质，或以夹层形式存在，没有吸附气体能力，夹层存在会挤占煤中吸附甲烷气体有机质位置，颗粒存在会堵塞微孔隙，而微孔则通常被认为是构成煤主要吸附空间[11]，两种形式均会降低煤层吸附能力，且实验结果表明，灰分存在对活性炭性能极不利[12]。由此可知，煤中矿物质对煤吸附甲烷气体具有一定的抑制作用。

图5 Ad与pL的关系

2.3 挥发分产率

煤的挥发分是煤中有机质热解产物[13]，即只与有机质特性相关。图6、7是挥发分产率与兰氏体积、兰氏压力关系，从图中可以看出，从高煤阶到低煤级，挥发分产率增大，兰氏体积VL呈现台阶式变化，其中，高煤阶VL随着挥发分的增加呈断崖式下降；低、中煤阶煤VL受挥发分产率影响不明显；低、中煤阶pL随着挥发分产率增加而增加，高煤阶pL随着挥发分增加而减小。

图6 Vdaf与VL的关系

图7 Vdaf与pL的关系

挥发分与煤变质程度有关，随着变质程度增加，挥发分产率减小，吸附量增加，兰氏体积变大。在高煤阶阶段，纳米级热成孔的大量生成使得微孔体积占总孔容的比例随着煤阶的升高不断增大，BET比表面积随微孔体积增大呈线性增加趋势[14]。据此推断，与低、中煤阶煤岩相比，高煤阶煤岩微孔体积以及比表面的变化，导致煤吸附甲烷以及煤内表面气体解吸发生了变化。

2.4 固定碳

固定碳是测定挥发分时，剩下的不挥发物减去灰分，是煤中有机质分解残余物。图8、9是固定碳与兰氏体积、兰氏压力关系，从图中可以看出，低、中、高煤阶，随着固定碳增加，兰氏体积VL呈现增大趋势，且同一水平下固定碳含量，不同煤阶吸附能力存在明显差异；pL与各煤阶煤的固定碳呈离散状态。

固定碳也是反映煤化程度的一种有效指标，随着变质程度增加，固定碳增大，吸附量增加，兰氏体积变大。

图8 FCad与VL的关系

图9 FCad与pL的关系

2.5 讨 论

兰氏常数与煤的工业分析参数关系显示，不同煤阶煤岩兰氏体积变化具有明显的阶梯性，差异明显，且挥发分产率和固定碳含量反映了煤的变质程度，由此推断，煤阶控制煤吸附能力，这与众多学者的研究结论是一致的。同时，不同煤阶煤岩兰氏常数对工业分析参数敏感程度不同，整体而言，高煤阶煤岩对煤的工业分析参数的敏感程度高于中煤阶，低煤阶敏感度最低。

挥发分产率数值变化在不同煤阶之间界限明显，对兰氏常数影响显著；水分含量变化在低煤阶与中、高煤阶之间分布界限明显，对兰氏常数影响显著；固定碳含量变化在不同煤阶之间具有一定重叠性，对兰氏体积影响显著，对兰氏压力无明显影响；灰分产率数值变化在不同煤阶中从低到高均有分布，对高、中煤阶兰氏体积有一定影响，对兰氏压力无明显影响。因此，依据挥发分产率、水分、固定碳和灰分产率与兰氏常数之间的关系，可对未进行吸附测试层位的兰氏常数做预估，同时，也可对比相同煤阶煤岩之间的测试结果，这对分析不同区域不同矿区煤的吸附性具有一定的意义。

3 结 语

1) 低、中、高煤阶的兰氏体积、兰氏压力之间存在规律性变化特征，不同煤阶煤样吸附能力差异性明显，煤阶是控制煤层吸附性的主控因素。

2) 不同煤阶煤岩吸附性与煤的工业分析参数相关性差异较大，低煤阶煤岩兰氏体积、兰氏压力与煤的工业分析参数变化不显著，整体表现为兰氏体积小，兰氏压力大的特点；中煤阶煤岩兰氏体积随着水分减小、固定碳增加而增加，兰氏压力随着水分、挥发分产率增大而增大；高煤阶煤岩兰氏体积随着水分、固定碳增加而增加，随着挥发分产率增加而减小，兰氏压力随着水分增加而增加，随着挥发分产率增加而减小。