高阶煤吸附能力与其微观组分含量关系探究
——以沁水盆地F区块3#煤层为例

刘广景 陈彦丽 胡 皓 孔 鹏 韩 媛 张 杰 常丰琛

中联煤层气有限责任公司生产支持中心

0 引言

煤是由有机组分和少量无机矿物组成的多孔型非均质混合体，具有复杂的微观孔裂隙体系[1]。微观孔裂隙表面积大，对甲烷吸附性强，煤层的含气量往往较高，反之煤层含气量则比较低。煤层的微观孔裂隙结构特征主要与煤层的微观组分和热演化过程有关，研究煤层微观组分与对煤层气吸附能力的关系，对探索煤层气的富集机理，研究煤层气的产出特点，预测煤层气井产能及采收率有着重要意义[2-10]。前人关于高煤阶煤岩组分对煤层气吸附性能的研究比较多，主要观点分为3大类[7，11-14]：①煤岩的微观组分主要为镜质组和惰质组，其中镜质组微孔更为发育，具有更大的内表面积，因此富镜质组煤往往比富惰质组煤具有更高的吸附性；②高阶煤中镜质组多以均质镜质体形式存在，凝胶化作用明显，储集空间减小，煤岩对甲烷吸附性和镜质组含量呈负相关关系；③煤岩的吸附性与镜质组和惰质组含量没有相关性，随着镜质体反射率的增加，煤岩对甲烷的吸附能力呈现先增大后减小的趋势，当Ro在3.8%左右时，煤岩对甲烷的吸附能力达到最大值。前人对高阶煤各类微观组分对煤层气吸附性能的研究主要围绕一类或几类微观组分来开展，没有考虑到煤岩对煤层气的吸附性能受煤层埋藏史、热演化史、煤岩煤质特征、微观组分、样品粒度和试验温度等多种因素的影响，导致获得的结论截然相反。为了将非实验因素干扰降到最低，笔者选取了17个来自同一构造带不同矿区的煤样，其埋深、厚度、地层压力、热演化程度相似，测试其工业组分、微观组成、含气量、等温吸附特征，分析了煤岩组分与含气量和吸附性之间的关系。

1 样品采集与测试

样品来自于沁水盆地F区块的同一构造带上的9口3#煤井，煤层埋深483～551 m，厚度5.7～7.8 m，镜质体反射率3.121%～3.329%，地层压力3.08～3.83 MPa、地层温度24.2～27.3℃（表1）。构造位置、煤层埋深、地层温度、储层压力及热演化程度方向的相似性，减小了煤层所处的原始地层环境对测试结果的干扰。

表1 测试样品采样地层环境基本信息表

为了研究煤岩各类组分对煤层气吸附的能力，本次研究对17个煤岩样品进行了工业组分测试、显微组分分析、含气量测试和等温吸附实验研究。工业组分测试采用5E-MAG6700煤岩工业分析仪，按照国家标准“GB/T 30732-2014《煤的工业分析方法仪器》执行；煤样显微组分和镜质体反射率测试采用显微镜 DM4P和显微分光光度计 CRAIC 508PV，参照国家标准《GB/T 8899-2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》和GB/T 6948-2008 《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》执行；含气量测试采用煤层气气含量测定仪FCG-O74，执行GB/T 19559-2008《煤层气含量测定方法》；等温吸附实验采用磁悬浮天平重量法高压等温吸附仪FCG-033，执行国家标准 GB/T 19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》，测试温度和原始地层温度一致。

2 样品煤岩组分特征

煤岩样品分析化验的工业组分、显微组分、含气性、兰氏体积、镜质体反射率见表2。

本次研究所选样品水分含量介于1.71%～2.67%，平均2.097%；灰分含量波动比较大，介于9.00%～21.82%，平均15.02%；挥发分介于7.69%～20.33%，平均14.32%；固定碳含量介于57.45%～80.05%，平均68.56%。整体来看本次所选样品来自于低水分、低灰分煤层。

煤岩样品微观组分分为有机组分和无机组分两大类，有机组分为镜质组、惰质组和壳质组，以镜质组和惰质组为主；无机组分为黏土类矿物、硫化铁类矿物、碳酸盐岩类矿物及氧化硅类矿物，以黏土类矿物为主，碳酸盐岩类矿物次之，氧化硅类矿物和硫化铁类矿物含量相对较少。有机组分中镜质组占比61.46%～71.97%，平均67.55%；惰质组占比10.03%～31.23%，平均20.69%。无机组分中黏土类矿物含量为2.1%～16.8%，平均7.5%；碳酸盐岩矿物含量介于0～9.8%，平均3.31%；硫化铁类矿物含量0～2.5%，平均0.47%；硫化铁类矿物含量0～1.8%，平均0.55%。样品镜质体反射率3.09%～3.381%，平均3.23%；含气量9.14%～18.49%，平均13.66%；兰氏体积23.5～41.6 m3/t，平均32.39 m3/t。

3 煤岩组分与含气性

3.1 工业组分与含气性

首先对工业组分与煤层含气性进行相关性分析，分析结果表明，煤岩含气性与工业水分含量没有明显的相关性，与工业灰分含量及挥发分含量呈负相关性，与固定碳含量呈明显的正相关性（图 1）。

图1 工业组分含量与煤岩含气性相关性图

这是由于：①本次选取样品水分含量较低，且含量分布相对集中，对煤层的含气性起不到决定性作用；②本区3#煤中灰分的成分主要由碳酸盐岩矿物、黏土矿物、Fe2S3、SiO2等无机组分构成，这些矿物对甲烷不具吸附性，反而对煤岩起到了简单的稀释剂作用，填充了孔隙、裂隙，减小了甲烷有效储集空间，降低了整体吸附性能[10,15-17]；③挥发分主要为煤中大分子结构的小分子官能团和侧链的热解产物，这些有机物在煤层中的吸附性强于甲烷，占据了一部分甲烷吸附空间，导致甲烷吸附量减小[18-20]；④固定碳含量增多，煤岩微孔孔容和比表面积随之增大，对甲烷吸附能力增强[21]。

3.2 微观组分与含气性

由前面分析得出，煤层主要依靠固定碳吸附甲烷，固定碳含量与煤层含气性具有明显的正相关性。经过对煤岩微观组分的观测鉴定，本次所选样品中的固定碳微观组分主要为镜质组和惰质组，分析两种微观组分和煤层含气性之间的关系，结果表明：①作为有机组分中主要成分的镜质组与煤岩含气性没有明显的相关性；②惰质组含量与煤层含气性具有比较好的正相关性，相关系数R2高达0.9115（图 2）。

4 微观组分与吸附能力

兰氏体积是Langmuir方程中描述煤岩对甲烷吸附能力的常数，其物理意义是在一定的温度条件下单位质量煤样饱和吸附甲烷气体的体积。兰氏体积能很好地反应煤岩的吸附能力，笔者通过等温吸附实验结果和Langmuir方程获得了所取17个煤岩样品的兰氏体积，然后研究兰氏体积与煤岩微观组分之间的关系，获得了不同组分和煤层吸附能力之间的关系。

对比煤岩中有机组分和无机组分与煤岩兰氏体积之间的关系，表明兰氏体积与有机组分含量呈正比，与无机组分含量呈反比（图3）。即高阶煤对甲烷的吸附能力主要依赖有机组分，无机组分对甲烷没有吸附性，无机组分含量越煤层吸附甲烷能力越弱；这点与煤层含气量和固定碳含量呈正比、和灰分含量呈反比一致。

图3 微观组分含量与兰氏体积相关性图

分析有机组分中镜质组和惰质组与兰氏体积之间的相关性，镜质组与兰氏体积相关性不明显，惰质组含量与兰氏体积之间具有较好的相关性，即相比于镜质组，惰质组对甲烷气体有着更强的吸附性（图4）。惰质组主要由丝质体和半丝质体两类亚组分组成，丝质体具有细胞结构，且其细胞结构保存较好，半丝质体细胞结构保存相对较差。高阶煤中丝质体含量明显高于半丝质体，丝质体中胞腔保存较多，对甲烷的吸附性能增强，因此高阶煤中惰质组含量与其对甲烷的吸附性呈正比[7]。即在相同的条件下高阶煤中惰质组含量越高，其对甲烷的吸附能力越强，煤层含气量也往往越好，惰质组含量与煤层含气量呈正比。

图4 有机组分含量与兰氏体积相关性图

5 结论

1）F区块3#煤的含气量与工业组分中的水分含量相关性不明显，与灰分、挥发分含量呈反比，与固定碳含量呈明显的正相关关系。

2）所选样品煤岩有机组分中的镜质组含量与煤层含气性没有明显相关性，惰质组含量与煤层含气性有着较强的正比关系。

3）分析煤岩有机组分含量与其兰氏体积之间的关系，表明高阶煤中的镜质组对甲烷吸附能力相对较弱，惰质组对甲烷吸附能力较强，因此相同的地质条件下惰质组含量越高的高阶煤其含气量也往往越好。

4）高阶煤中镜质组多以均质镜质体形式存在，凝胶化作用明显，储集空间减小，煤岩对甲烷吸附性和镜质组含量相关性不大；惰质组组分多为丝质体，保存了较多的细胞胞腔，对甲烷的吸附性能增强。