引用本文

Jiang Wenping，Zhang Qun,Jiang Zaibing,et al.Effect on CBM drainage characteristics of pore structure of tectonic coal[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(1):173-179.[降文萍，张群,姜在炳,等.构造煤孔隙结构对煤层气产气特征的影响[J].天然气地球科学，2016,27(1):173-179.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.01.0173

构造煤孔隙结构对煤层气产气特征的影响

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降文萍 ，张群，姜在炳，韩保山 

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054）

作者简介：降文萍（1975-），女，山西介休人，研究员，博士,主要从事煤层气地质与开发研究.E-mail：jwp1225@126.com.

基金项目：十二五国家油气重大专项任务（编号：2011ZX05040-003-003）；国家自然科学基金课题（编号：41302132）联合资助.

摘要  
采用压汞实验和低温液氮吸附实验分析了构造煤的孔隙结构特征，结合地面煤层气抽采试验，探讨了孔隙对煤层气产气特征的影响。论文将煤中孔隙划分为4种类型:吸附孔隙(孔径小于10nm)、游离孔隙(孔径10~100nm)、扩散孔隙(孔径100~1 000nm)和渗流孔隙(孔径大于1 000nm)。研究发现构造煤孔隙系统呈“两极化”分布，即吸附孔隙、游离孔隙、渗流孔隙居多，扩散孔隙少；孔隙类型主要以圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形为主。构造煤的孔隙系统决定了煤中气体储集量大、但产出运移通道不畅，由此导致地面煤层气井排采过程中的波动产气特征。

关键词： 构造煤       煤层气       孔隙       压汞实验       低温液氮吸附       煤层气产气特征      

中图分类号:TE122.2      文献标志码:A      文章编号:1672-1926(2016)01-0173-07

Effect on CBM drainage characteristics of pore structure of tectonic coal

Jiang Wen-ping ，Zhang Qun，Jiang Zai-bing，Han Bao-shan 

（Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an 710054,China）

Abstract  
By the mercury injection test and low temperature liquid nitrogen adsorption test,combined with ground coalbed methane（CBM） drainage test,the coal pore structure characteristics and the influence on CBM drainage characteristics were studied.The pores in coal are divided into four types:The adsorption pores (pore size <10nm) and free porosity (pore size 10-100nm),diffusion porosity (pore size 100-1 000nm),seepage pore (pore size>1 000nm).The tectonic coal pore system has polorization distribution,that is,the adsorption pores,the free pores and the seepage pores are dominant,and the diffusion pores are minor.The pore types are mainly the cylinder shaped hole,the ink bottle shaped hole and the slit flat.The pore system of tectonic coal determines the characteristics of the more gas reservoir accumulation and the not unobstructed output channel,which leads to the fluctuation characteristics of the gas drainage of CBM ground well.

Key words： Tectonic coal;       Coalbed methane（CBM）;       Pore;       Mercury injection test;       Low-temperature nitrogen adsorption test;       CBM output characteristics;      

引言

国内外学者[1-20]在煤的孔隙分类及特征等方面进行了大量研究，取得了丰硕成果。众所周知，煤中气体主要以吸附状态储存在煤的孔隙中；地面煤层气井通过排水降压，气体从煤基质表面解吸，并从孔隙扩散、渗流至煤层气井筒，直至产出地面。煤的孔隙系统发育，则吸附储集的气体量大；扩散渗流通道顺畅，煤储层渗透性好，地面煤层气井产气量高。因此，可以说煤的孔隙系统是影响煤层气产气效果的基本因素。研究煤的孔隙系统及其发育特征，对探讨煤层气的地面产气机理、产气特征及其控制因素都具有重要的理论意义。 我国构造煤发育，煤储层渗透率低，导致这类地区的地面煤层气开发进展处于滞缓状态。21世纪以来，随着我国煤层气地面开发规模的不断加大，以及煤矿区所面临的日益加重的瓦斯治理压力，构造煤的地面煤层气开发逐渐受到重视。近年来，先后有多家单位在平顶山、焦作及淮南等矿区进行了构造煤的地面煤层气开发实验，但效果均不理想，产气量低甚至不产气。究其原因，主要是构造煤的地面产气特征及其控制因素不明确，尚无相匹配的基础理论体系，导致采用的开发技术手段不具有针对性。因此，完善构造煤地面产气理论体系，查明主要控制因素，是目前进行构造煤地面煤层气开发活动之前的首要工作。 本文即通过基础实验室手段，进行了不同煤体类型构造煤的孔隙特征研究；并结合地面煤层气工程实验，对构造煤地面煤层气产气特征及其成因进行了探讨，以期为探寻科学合理的开发技术提供技术支撑。

1 煤质信息

采集淮南矿区潘一煤矿、新集煤矿及张集煤矿13-1煤层不同煤体结构煤样，煤体结构分类方法依据文献[21]。各煤样煤岩特征见表1。各煤样显微组分以有机组分为主，主要为镜质组，其次为惰质组，壳质组含量最低。各煤样反射率为0.73%~0.84%，依据《镜质体反射率的煤化程度分级》(MT/T 1158-2011)分类，各煤样应属于中煤级气煤。

表1     煤样显微组分特征
Table 1     Maceral characteristics of coal samples
样品号镜质组/%惰质组/%壳质组/%RO,max/%
py-13-2sl66.723.210.10.80
xj-13-2sl49.538.711.80.73
zj-13-6s52.043.94.10.84
zj-13-7sl45.043.811.2

注：s为碎裂煤;sl为碎粒煤;m为糜棱煤，以下同

2 压汞实验及结果分析

煤层气产出要经过各级孔隙的导通产出，各孔径段孔隙含量的变化对煤层气渗流影响显著。如某一孔径段的孔隙不发育，便成为气体渗流的瓶颈，煤层气将难以产出。采用压汞实验分析各煤样中孔隙的含量。压汞实验采用AutoPore IV 9500 V1.07压汞仪测试，进汞压力最大达210MPa；所能探测到的最小直径为7nm，可定量孔直径大于7nm以上范围有关孔隙的大小、孔径分布、孔隙率等参数信息。孔隙分类依据霍多特方法[14]。 各煤样的压汞实验曲线见图1。可以看出，各煤矿煤样压汞曲线特征相似，随进汞压力的逐渐增大，进汞量逐渐增加，所能探测到的累计孔容呈增长趋势。同时，随煤体结构破坏程度增加，进汞量呈增大趋势，潘一矿、新集矿各煤体结构的煤样总的孔容由小到大为:碎裂煤<碎粒煤<糜棱煤；张集矿煤样总的孔容由小到大为:碎裂煤<碎粒煤。由此表明，煤体结构破坏程度加强，煤中孔隙孔容逐渐增大，煤中孔隙逐渐增多。 由各煤样孔径孔容分布图（图2）可以看出，孔容大小主要分布在大孔、小孔、微孔中，100~1 000nm的中孔孔容比例很小；以微孔、小孔和大孔含量各占优势，中孔含量最少，此类的孔径分布特征容易在中孔孔径段造成渗流瓶颈现象，从而降低煤体的渗透性。 各煤样孔隙比表面积分布见图3。不同煤体结构煤样规律性相同，比表面积大小也主要集中在微孔和小孔范围，中孔和大孔的比例都很小。已有研究表明，气体一般主要吸附在煤的微孔和小孔中，各煤样的微孔和小孔比表面积所占比例大，表明煤样具有较大的储集空间。

图1     各煤样的压汞曲线
Fig.1     The mercury injection curves of coal samples

由压汞实验结果可以看到，构造煤中孔隙的分级发育特征不系统，呈“两极化”分布，微孔、小孔和大孔所占比例大，中孔所占比例小；煤的比表面积主要分布在微孔和小孔中。可以说明，构造煤的气体储集量大，但由于孔隙系统性差，扩散外运的通道不畅通，容易造成局部“憋气”现象。

3 低温液氮吸附实验及结果分析

煤中孔隙类型研究，一般采用电镜扫描、高分辨透射电镜等观测，但这类方法存在局部片面性；也有人根据分形方法或低温液氮吸附实验中吸附—解吸曲线形状间接推测[17]。本文采用低温液氮吸附实验获取吸附—解吸曲线，来间接推测煤样的孔隙类型。实验采用ASAP2000比表面积孔径分布测定仪。 由低温液氮吸附—解吸曲线（图4）可以看出，各煤样的吸附和解吸曲线分开，形成了所谓的吸附回线。吸附回线的形状反映了一定孔形结构的情况。根据前期研究成果[22]，煤中主要存在4种孔隙:两端开口的圆筒形孔、一端开口的圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形孔。吸附、脱附曲线重合时

图2     各煤样压汞实验孔径孔容分布
Fig.2     The pore volume distribution of mercury injection test of coal samples

所对应的孔主要为一端开口的圆筒形孔，而产生吸附回线的孔隙主要是两端开口的圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形孔；拐点则是由墨水瓶形孔和狭缝平板形孔所引起。可以看出，不同煤样都出现了吸附回线，且碎粒煤和糜棱煤的吸附—解吸回线大；表明构造煤存在较多量的圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形的微孔，这也导致这类煤中的气体从基质表面解吸后，难以快速扩散运移至渗流通道和煤层气井筒。

4 孔隙结构对地面产气特征的影响

依据霍多特孔隙分类体系[14]，结合淮南矿区煤孔隙特征和气体产出特征，将煤中孔隙主要划分为4类:①气体吸附孔隙，孔径＜10nm；②气体游离孔隙，存在大部分游离气体，少部分吸附气体，孔径在10~100nm之间；③气体扩散孔隙，孔径在100~1 000nm之间；④渗流孔隙，孔径＞1 000nm。 在气体运移出吸附孔隙后，存在4种可能的去向:①直接进入渗流孔隙、井筒，地面产出；②直接进入扩散孔隙，在数量达到一定程度后，进入渗流孔隙、井筒，地面产出；③运移到游离孔隙中，与游离气体汇合，直接进入渗流孔隙、井筒，直至产出地面；④运移到游离孔隙，与游离气体一起进入扩散孔隙；在气体浓度差作用下，再进入渗流孔隙和井筒，由地面产出。 地面排水降压抽采时，如果气体解吸后直接进入渗流孔隙，则表现为短时间内产气量的增长；如果气体解吸后从其他渠道迂回进入渗流孔隙，则时间上会滞后于前者。

图3     各煤样压汞实验孔隙孔径比表面积分布
Fig.3     The aperture ratio surface area distribution of mercury injection test of coal samples

由实验结果可以看出，构造煤中吸附孔隙、游离孔隙发育，主要为墨水瓶形孔和狭缝平板形孔，导致煤层气含量相对较大，气体解吸后难以扩散脱离孔隙；这种情形类似于“葫芦”形状，大量气体储存在葫芦肚中，由于存在一个窄小的瓶颈，气体运移外出难度大，只能以阵发式的气流产出。此外，由于构造煤中扩散孔隙发育甚少，减少了气体运移通道数量，减慢了快速运移至井筒的时间，导致很多气体在地面产出时间上有所滞后，地面抽采气量可能出现波动变化特征。 为了进一步探讨构造煤的地面产气特征，在淮南矿区顾桥井田进行了地面抽采试验。图5是淮南矿区3口井的日抽采曲线，可以看出，抽采曲线很不平稳，其中1口井最大日抽采量达到600m3/d，最低不到100m3/d。为了更直观的分析，采用自动化监测设备对其中1口井进行了瞬时气量监测（图6）， 发现在同一天内抽采气量也具有波动特征，最大抽采量为160m3/h，最小不足5m3/h。

图4     各煤样煤低温液氮吸附回线曲线
Fig.4     Types of extraction-isotherm of coal samples

图5     顾桥井田地面煤层气井日产气曲线
Fig.5     The CBM well gas curves in Guqiao coal mine

图6     顾桥井田地面煤层气井产气波动特征
Fig.6     The Volatility characteristics of CBM well gas curves in Guqiao coal mine

5 结论

采用压汞实验和低温液氮吸附实验，研究了淮南矿区不同煤矿构造煤的孔隙结构，并对构造煤地面煤层气产气特征及机因进行了探讨。主要得到了如下认识: (1)将煤中孔隙划分为4个类型，分别为吸附孔隙(孔径小于10nm)、游离孔隙(孔径为10~100nm)、扩散孔隙(孔径为100~1 000nm)、渗流孔隙(孔径大于1 000nm)； (2)揭示了构造煤孔隙结构的异常特征:以微孔、小孔和大孔的“两极化”分布方式，即小孔、微孔和大孔发育，中孔不发育；孔隙类型以圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形为主。 (3)发现了构造煤地面煤层气产气的波动特征，认为构造煤的异常孔隙结构是造成该特征的主控因素之一。

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