不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征
不同煤级煤的微孔介孔演化特征及其成因
不同煤级煤的微孔介孔演化特征及其成因侯锦秀;王宝俊;张玉贵;张进春【摘要】In order to investigate the evolution of the structure characteristics of micropore and mesopore of different rank coal and the cause of their formation,7 different metamorphic coal samples collected from North China Permian coal basin were tested using low-pressure nitrogen and carbon dioxide adsorption techniques respectively.The change rule of pore size distribution(PSD),pore volume(PV)and specific surface area(SSA)of micropores(pore diameter less than 2 nm) and mesopores(pore diameter lies in 2～50 nm) with different metamorphic degrees of coal were analyzed using density function theory(DFT),Dubinin-Astakdhov(DA)method,Dubinin-Radushkevich (DR) method,BET and BJH formula.Then the cause of the formation of micropores and mesopores was discussed.The results show that:PV and SSA of micropores are positively correlated with its vitrinite reflectance,the micropore with pore diameter below 2 nm is the dominant factor in coal adsorption;PSD curves of micropores are of bimodal distribution,and different coal samples have similar PSD curves,the ultramicropore has a fastest increasing amount in the micropores;PV and SSA of mesopore decrease with increase of coal rank,and its PSD show unimodal distribution.With the increase of metamorphism,BET and SSA of coal decrease firstly and then increase with "U" pattern;The formation of micropores in coal is mainly controlled by the microcrystalline parameters and the stacking structure of the aromaticlayer,while the formation of mesopores is mainly controlled by change of coal side chains and the space of basic structure unite.%为了探讨煤的微孔介孔演化特征及其成因,在华北二叠纪煤盆地,采取7个不同煤化程度的煤样,分别采用低压CO2吸附法和液氮吸附法对各煤样的纳米孔隙进行表征;基于密度泛函理论、DA(Dubinin—Astakhov)、DR(Dubinin—Radushkevich)、BET、BJH等方程计算孔隙表面参数;分析煤的微孔(孔径＜2 nm)和介孔(孔径2～50 nm)的孔径分布、孔容和比表面积随煤级变化的规律;并探讨微孔形成的主控因素及介孔的形成机制.研究结果表明:微孔孔容和比表面积与煤的镜质体反射率高度正相关,微孔在吸附中占绝对支配性主导地位;微孔孔径分布曲线呈双峰分布,不同煤级煤样的曲线形态相似,极微孔随煤级增加最快;介孔比表面积和孔容随煤级增加逐渐下降,介孔孔径分布呈单峰分布,随着煤级的增加,煤的BET比表面积先减少后增加,呈U形分布;微孔的形成应主要受控于煤的类微晶参数和芳香层片间的堆垛结构,而介孔的形成应主要受控于煤侧链的变化和煤的基本结构单元间隙.【期刊名称】《煤田地质与勘探》【年(卷),期】2017(045)005【总页数】7页(P75-81)【关键词】微孔;介孔;孔径分布;演化特征;形成机制【作者】侯锦秀;王宝俊;张玉贵;张进春【作者单位】太原理工大学化学化工学院,山西太原030024;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;太原理工大学化学化工学院,山西太原030024;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TQ546.2煤是具有基质孔隙和天然裂隙双重结构的多孔物质，孔径从零点几个纳米到几百个纳米不等[1-2]。
简述煤的粘结机理及应用
简述煤的粘结机理及应用煤的粘结机理及其应用，是研究煤的燃烧特性、煤的加工利用和煤炭工业生产技术的重要内容。
本文将从煤的组成、煤的结构特征和粘结机理等方面入手，详细介绍煤的粘结机理及其应用。
一、煤的组成和结构特征煤是一种主要由碳、氢、氧、氮和少量硫等元素组成的岩矿类燃料。
煤的基本组成是有机质，主要包括纤维素、木质素和脂肪烃等。
此外，煤中还含有很多矿物质，如石英、黄铁矿、辰砂等。
煤的结构特征主要有以下几个方面：1. 微观结构：煤的微观结构是由纤维素、木质素和脂肪烃等有机质所组成的，具有层状结构和芳香环结构。
2. 纳米孔结构：煤中存在大量的纳米孔隙，这些孔隙对煤的质量和燃烧性能有着重要影响。
3. 矿物质分布：煤的矿物质主要以颗粒状和胶体状存在，其分布情况对煤的燃烧和加工利用起着重要作用。
二、煤的粘结机理煤的粘结是指煤在加热过程中，煤颗粒之间发生的粘结现象。
煤的粘结机理主要有两个方面：物理机理和化学机理。
1. 物理机理：煤的物理机理包括煤的熔融流动机理和煤的塑状流动机理。
煤在加热过程中，随着温度的升高，煤中的有机质开始熔融，形成煤焦沥青。
当煤焦沥青遇到高温时，由于粘度的降低和表面张力的作用，煤焦沥青开始流动，填充煤颗粒之间的空隙，从而实现煤颗粒之间的粘结。
2. 化学机理：煤的化学机理主要是指煤在高温下与气体和矿物质发生气化、燃烧和融解反应。
当煤颗粒表面暴露在气体氧中时, 煤中的氧化反应在煤颗粒表面进行，生成气体、水蒸气和灰分等产物。
这些产物在高温下经过煤颗粒表面的扩散和溶解，然后在煤颗粒内部重新结晶，形成煤的结焦及煤焦沥青等物质，实现煤颗粒之间的粘结。
三、煤的粘结应用煤的粘结应用主要体现在以下几个方面：1. 煤焦沥青制备：煤在加热过程中产生的煤焦沥青，可以用于生产沥青和煤焦油等石油化工产品，以及制备高效粘接剂和高分子材料等。
2. 煤炭燃烧：煤的粘结机理对煤炭燃烧过程有重要影响。
通过研究煤的粘结机理，可以优化燃烧工艺，提高煤炭的燃烧效率和烟气净化效果。
基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征
一、概述煤是一种重要的化石能源资源，其中孔隙结构是影响煤储层渗流性和孔隙度特征的重要因素。
孔隙结构往往是煤储层物性特征的重要指标之一，对煤储层孔隙结构的研究有着重要的理论和实际意义。
二、低温液氮吸附法在煤岩孔隙结构研究中的应用低温液氮吸附法是目前研究煤岩孔隙结构的常用方法之一。
该方法利用低温液氮在固体表面上的吸附现象，可以测定煤岩的比表面积、孔隙体积、孔隙尺寸分布等参数，从而揭示煤岩的孔隙结构特征。
三、煤岩孔隙分形特征煤岩的孔隙结构具有分形特征，表现为孔隙尺寸和形状的多样性和复杂性。
煤岩孔隙分形特征包括孔隙尺寸的分形维数、孔隙形状的分形特征等。
煤岩孔隙结构的分形特征对其储层物性和流体运移特性有着重要的影响。
四、基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征研究在煤岩孔隙分形特征研究中，低温液氮吸附法被广泛应用。
通过该方法可以获取煤岩孔隙尺寸的分形维数、孔隙形状的分形特征等参数，进而深入研究煤岩孔隙结构的分形特征和物性特征之间的关系。
通过煤岩孔隙分形特征的研究，可以揭示煤岩储层的物性特征，为煤层气勘探开发和煤矿开采提供重要的理论依据。
五、煤岩孔隙分形特征对煤层气开发的影响煤岩孔隙结构的分形特征对煤层气开发有着重要的影响。
煤岩孔隙分形特征直接影响着煤层气的储集和运移。
研究表明，孔隙分形维数和孔隙形状的分形特征与煤层气储集和运移的规律密切相关。
深入研究煤岩孔隙分形特征对于指导煤层气的勘探开发具有重要的意义。
六、结论基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征研究是煤岩孔隙结构研究的重要方法之一，对于揭示煤岩孔隙结构的多样性和复杂性具有重要的意义。
煤岩孔隙分形特征的研究不仅可以为煤储层的宏观物性和微观结构提供重要的理论依据，还可以为煤层气的勘探开发和煤矿开采提供重要的应用价值。
深入研究煤岩孔隙分形特征对于指导煤层气的发现和开发具有重要的实际意义。
七、煤层气开发中的挑战随着全球能源需求的不断增长和对清洁能源的需求越来越迫切，煤层气作为一种清洁能源资源受到了广泛关注。
煤炭 吸水率
煤炭吸水率全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：煤炭是一种重要的能源资源，广泛应用于工业生产和生活生活中。
煤炭在运输和储存过程中会受到潮湿环境的影响，导致煤炭吸水，从而影响煤炭的燃烧性能和使用效率。
煤炭的吸水率是一个重要的参数，直接影响着煤炭的质量和使用效果。
本文将就煤炭的吸水率进行探讨，从吸水率的定义、影响因素、测试方法和降低煤炭吸水率的措施等方面进行详细介绍。
一、煤炭吸水率的定义煤炭吸水率受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 煤炭的煤层性质。
不同的煤炭煤层性质不同，对水的吸收能力也不同。
一般来说，煤层孔隙度越大、孔隙结构越复杂的煤炭，其吸水率也越高。
2. 煤炭的颗粒大小。
煤炭的颗粒大小会直接影响煤炭的表面积和孔隙度，颗粒大小越小，表面积越大，吸水率也会相应增加。
3. 煤炭的粘结物含量。
煤炭中的粘结物会填充煤炭颗粒之间的空隙，减少煤炭的孔隙度，降低煤炭的吸水率。
4. 煤炭的煤化程度。
煤炭的煤化程度越高，孔隙度越小，吸水率也会相应降低。
5. 煤炭的环境湿度。
环境湿度会影响煤炭表面的水分蒸发速度，高湿度环境下煤炭吸水率会显著增加。
6. 煤炭的储存方式。
煤炭的储存方式直接影响煤炭的吸水率，密封储存和通风储存方式对煤炭的吸水率有明显的影响。
以上因素综合作用，决定了煤炭的实际吸水率。
要准确测定煤炭的吸水率，需要考虑以上因素的相互影响和综合作用。
煤炭的吸水率可以通过实验测试来测定，常用的测试方法主要有以下几种：1. 平衡法。
平衡法是最常用的测定煤炭吸水率的方法之一，通过将一定量的煤炭样品置于一定湿度的环境中，使其达到平衡状态，然后测定煤炭的湿重和干重，计算吸水率。
3. 水分仪法。
水分仪是一种专门用于测定物质水分含量的仪器，可以快速准确地测定煤炭的水分含量，是一种比较常用的测定煤炭吸水率的方法。
4. 加速寿命试验法。
通过在一定条件下模拟长期储存情况，测定煤炭在一定时间内的吸水率变化，从而评估其长期储存性能。
不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义
深度研究报告：不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义1. 研究目标本次研究旨在探究不同煤体结构的煤样中的孔隙结构分形特征，并分析其对煤体物理性质和工程应用的影响。
具体目标如下： - 分析不同煤体结构的孔隙结构特点；- 确定各种类型孔隙在不同类型煤中的分布特征； - 探讨孔隙结构分形特征与煤体物理性质之间的关系； - 提出针对不同孔隙结构的优化开采和利用方法。
2. 方法2.1 样品采集与制备从不同地质条件下采集具有代表性的不同类型（如无烟煤、焦化煤、褐煤等）的煤样。
将采集到的样品进行预处理，包括去除杂质、粉碎成合适粒度等。
2.2 孔隙结构表征选取合适的方法对样品中的孔隙结构进行表征，常用方法包括： - 红外光谱分析：通过红外光谱仪对煤样进行扫描，分析不同结构孔隙的红外吸收特征。
- 气体吸附法：利用比表面积仪、孔径分析仪等设备，测定煤样的比表面积、孔径分布等参数。
- 压汞法：利用压汞仪测定煤样的总孔隙体积、微孔和介孔的体积等。
2.3 分形分析采用分形理论对煤样中的孔隙结构进行分析，常用方法包括： - 盒计数法：根据盒计数法原理，通过对图像或数据进行盒子划分和统计，计算得到煤样中不同尺度下的盒数-边长关系曲线，并求取其斜率作为分形维数。
- 自相似法：通过对图像或数据进行幂律拟合，获得自相似维数和Hurst指数等参数。
2.4 数据处理与统计将实验获得的数据进行整理和处理，并运用适当的统计方法（如相关性分析、方差分析等）对结果进行验证和解释。
3. 发现3.1 孔隙结构特点通过对不同类型煤样的孔隙结构表征和分形分析，发现以下特点： - 不同类型煤样的孔隙结构存在明显差异，无烟煤中多为均匀排列的小孔隙，焦化煤中含有较多的微孔和介孔，褐煤中常见大孔隙和裂缝。
- 煤样中的孔隙结构具有分形特征，表现为自相似性和尺度效应。
不同类型煤样的分形维数存在差异。
3.2 孔隙结构与物理性质关系通过对数据处理与统计分析，得出以下结论： - 煤样中的比表面积与其孔隙结构分形维数呈负相关关系。
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响摘要：本文旨在探讨煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征的影响。
通过实验研究，结果表明，煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征具有重要意义，主要体现在以下几个方面：1）小粒径煤体表面纳气（吸附）能力强，对于吸附和解吸有重要影响；2）煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量会影响煤层气的产出特征；3）气体流动性能与孔隙尺寸大小有关；4）煤体的结构特征会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
本文研究结果为开发煤层气提供了理论基础。
关键词：煤体结构；煤层气；吸附-解吸；产出特征正文：煤体结构是影响煤层气吸附-解吸及产出特征的重要因素，通常由煤体的外部特征（如结构类型、粒度、水分含量等）和内部特征（如孔隙径、孔隙空间结构和气体流动性能等）两个方面来描述。
1. 对于煤体的小粒径，表面积比大粒径煤体更大，可以有效地提高吸附和解吸能力。
实验证明，当粒径小于0.05mm时，煤体的吸附-解吸特征变化较大。
2. 煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量均会影响煤层气的产出特征，孔洞类型越多越复杂，产出率越高；水分含量越高，煤体的渗透性越强，可以有效降低煤层气的产出。
3. 气体流动性能与孔隙尺寸大小有关，孔隙尺寸小时，气体流动受到阻碍，影响煤层气的产出。
4. 最后，煤体的结构特征会影响气体的分布，同时也会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
结论：煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征具有重要意义，因此，我们在建立煤层气模型和研究煤层气资源开发时应将其作为一个重要参考因素。
本文还探讨了另外两个因素对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响，即压力和温度。
在实验条件下，压力的升高会增加吸附量，但也可能减少吸附特性的稳定性；温度的升高会提高解吸速率，从而改变吸附-解吸平衡点。
此外，随着温度的升高，气体的渗透度也会增加，结果会促进分布均匀的气体流动。
同时，压力和温度也会直接影响煤层气的产出。
实验研究表明，在某些情况下，随着压力的降低，煤层气的产出会减小，而温度的升高会提高煤层气的产出。
李亚男-煤储层孔隙特征及比表面积对煤吸附能力影响的研究
煤储层孔隙特征及比表面积对煤吸附能力影响的研究李亚男李贵中陈振宏中国石油勘探开发研究院廊坊分院廊坊065007煤是由植物遗体转变成的非均质性极强的有机岩石，受沉积环境、保存条件的影响，造成煤层气储层矿物成分、孔隙类型、大小、结构差异变化较大，研究表明煤中矿物含量及孔隙发育程度对煤储层的储气能力影响最为明显，进而影响煤层气的开发。
选取煤层气开发区代表性煤样，运用光学显微镜、扫描电镜进行实验测试，研究煤中矿物含量及孔隙发育情况；通过图像分析，表征不同组分煤岩孔隙结构特征和发育程度，为煤层气的勘探开发提供理论支持。
同时，还对研究区内的比表面积和吸附气含量的关系进行了探讨。
关键词：扫描电镜孔隙特征比表面积吸附特征Research on the Coal Reservoir Porosity Character and the Influence of Specific Surface Area on Coal Adsorption CapacityLi Yanan, Li Guizhong, Chen ZhenhongLangfang 065007Coal is heterogeneity organic rock transformed from the remains of plants, it affected by the depositional environment and preservation condition, Caused by the impact of coalbed methane reservoir’s mineral composition, pore type, pore size, and the difference of structu re. The research shows that mineral content in coal and pore abundance are the most obvious impact of the gas storage capacity of coal reservoir. And then it affects on coalbed methane development. Select the representative coal samples of the coalbed methane development zone, and use optical microscope, scanning electron microscope to experimental measurement in order to research on the mineral基金项目：国家科技重大专项项目“煤层气富集规律研究及有利区块预测评价”（编号：2011ZX05033）和中国石油天然气股份重大科技专项“煤层气资源潜力研究与甜点区评价”content in coal and pore development situation. By the analysis of the image, characterization of different compo nents of coal and rock’s pore structure feature and degree of development supported the CBM exploration and development theory. At the same time, some research was worked on the relation between the specific surface area and the adsorption content.Key Words:scanning electron microscope, porosity character, specific surface area, adsorption characteristics1、前言与常规的砂岩和碳酸盐岩相比，煤岩储层既是煤层气的源岩，又是其储集层，并且煤岩层还是由孔隙和裂隙组成的双重介质。
安鹤煤田二1煤孔隙结构特征及煤层气可采性
安鹤煤田二1煤孔隙结构特征及煤层气可采性赵升;邵龙义;侯海海;王德伟;李振;唐跃;姚铭檑;张家强【摘要】基于低温氮吸附以及压汞实验,系统地研究了安鹤煤田二1煤孔隙结构特征,分析了煤储层孔隙特征对该区煤层气开采的影响.研究结果表明:安鹤煤田煤储层中的孔隙以微、小孔(<100 nm)为主,中、大孔(>100 nm)其次.煤样的低温液氮吸附回线可以划分为3类,孔隙类型主要为开放的、连通性好的细瓶颈(墨水瓶)状孔,部分为一端封闭的不透气性孔.相比于华北其它地区,安鹤煤田煤储层的BET比表面积较大,总孔体积和孔隙度较小,且进汞饱和度中等,退汞效率相对较好.压汞曲线可以划分为两种类型,其反映的孔隙连通性均较好.结合低温液氮吸附和压汞实验,并对比华北其它地区,可知安鹤煤田煤储层的孔隙结构较利于煤层气解吸-扩散-渗流,可以作为华北地区煤层气勘探开发的优先选择.%Based on nitrogen adsorption at low temperature and mercury injection experiments , systematically studied the Anyang -Hebi coalfield coal No.II1 pore geometry features , analyzed impacts from coal reservoir pore features on CBMexploitation .The result has shown that the reservoir pore sizes have mainly micropores , transitional pores ( <100nm), while mesopores, macropores (>100nm) the second.Coal sample low temperature liquid nitrogen adsorption loop can be partitioned into 3 categories; pore types have mainly open, better connectivity narrow neck (inkbottle) typed pores, partial one end closed airtight pared to North China other areas, coal reservoir BET surface area is larger , total pore volume and porosity smaller , mercury injection saturation medium and with-drawal efficiency relatively good in this coalfield .Mercury injection curves can be partitionedinto two types , curves reflected pore con-nectivity are all bined with liquid nitrogen adsorption at low temperature and mercury injection experiments , compared with other areas in North China , coal reservoir pore geometry in the coalfield is more favorable to CBM desorption , diffusion and percola-tion, thus the area can be the priority selection of CBM exploration and exploitation in North China .【期刊名称】《中国煤炭地质》【年(卷),期】2018(030)005【总页数】7页(P28-34)【关键词】安鹤煤田;二1煤;孔隙结构;可采性【作者】赵升;邵龙义;侯海海;王德伟;李振;唐跃;姚铭檑;张家强【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;河南省煤田地质局煤炭地质勘察研究院,河南郑州450046;中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083;中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】P618.11煤是一种复杂的多孔介质，煤中孔隙是指煤基质未被固体物质充填的空间[1]。
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不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰【摘要】煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数.采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理.结果表明:煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低.随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)008【总页数】6页(P1865-1870)【关键词】煤体结构;吸附性能;孔隙结构;温度;煤层气【作者】孟召平;刘珊珊;王保玉;田永东;武杰【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】P611.8责任编辑:韩晋平孟召平,刘珊珊,王保玉,等.不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征[J].煤炭学报,2015,40(8):1865-1870.doi:10.13225/ ki.jccs.2015.0620煤层气以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤层之中,对于中、高煤阶煤主要以吸附状态赋存在煤基质孔隙表面,由于煤体结构不同其吸附性能存在较大差异性[1-2]。
我国晚古生代含煤盆地大多经历了多次不同规模的构造运动作用,煤层遭受不同程度的构造变形破坏,形成了不同结构类型构造煤[3-4],其吸附性能及其控制机理一直受到国内外学者广泛关注。
张玉贵[5]、张妙逢[6]、苏现波[7]、张晓东[8]、Norbert Skoczylas[9]通过平衡水条件下的等温吸附/解吸及煤岩煤质分析实验,认为煤体吸附甲烷能力与煤体自身的物理化学结构、孔隙结构、粒度等有很大的关系,随着煤破坏程度的增加,Langmuir体积逐渐增大,构造煤较原生结构煤吸附甲烷能力强,并且存在瓦斯突出的危险;王佑安和杨思敬[10]对北票和红卫各矿井的不同破坏类型煤样进行压汞实验,发现在甲烷吸附性质方面,原生结构煤和构造煤并没有明显的区别,煤的甲烷吸附量不随煤体破坏程度的增加而升高;Pan J等[11]通过对淮北矿区许疃煤矿3个不同变形程度煤样进行3个不同温度下的等温吸附试验,认为低温(30℃)下煤体吸附甲烷的能力随煤体变形强度的增加而增加;而高温(50,70℃)下不同结构煤体的吸附能力没有明显差异。
煤层气主要以吸附形式赋存于煤基质表面,其决定了煤孔隙吸附作用在煤层气储集机理中的重要地位,从吸附的微观机理入手,研究煤的孔隙结构特征受到广泛关注[12-17]。
Maria Mastalerz[12]、SharonM Swanson[13]等通过实验分析认为:煤中孔隙主要由微孔和中孔组成,微孔构成了煤层气的吸附空间,微孔体积和比表面积与煤层气含量相关。
司书芳和王向军[14]基于气煤和肥煤的液氮吸附实验,分析了粒径大小对孔体积、孔比表面积与孔径分布的影响,发现煤的粒径大小对煤的孔隙结构有显著影响。
琚宜文[15]、屈争辉[16]等开展了煤纳米级孔隙结构分析,揭示了不同类型构造煤孔隙结构的变化规律。
姜波和琚宜文[17]通过实验分析认为,不同类型构造煤中纳米级过渡孔孔容和比表面积所占比例明显降低,微孔以下的孔容和比表面积逐渐增加。
所有这些认识为煤的吸附性能及影响因素研究奠定了基础。
由于不同煤体结构煤基础实验数据的缺乏和不系统,关于不同煤体结构煤的吸附性能及其控制机理研究还相对薄弱,因此,笔者采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤层不同煤体结构煤样开展等温吸附试验和低温液氮实验研究,系统分析不同煤体结构煤在不同压力下的吸附性能,揭示控制不同煤体结构煤吸附性能的孔隙结构特征,主要是过渡孔和微孔的分布特征,从微观层面上探讨不同煤体结构煤对煤层气的吸附控制机理,为我国煤层气勘探开发,尤其是高变质构造煤区煤层气勘探开发提供理论依据。
1.1 实验样品实验样品来自山西沁水盆地东南部的晋城矿区赵庄矿山西组3号煤层,参照GB/ T 30050—2013中煤体结构划分方案,采集原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤样品。
实验煤样特征见表1。
利用SDLA618工业分析仪,参照GB/ T 212—2008《煤的工业分析方法》,筛选小于0.2 mm(80目)的空气干燥基煤样10 g进行工业分析。
实验结果见表2。
1.2 实验方法(1)等温吸附试验。
利用TerraTek公司ISO-300吸附等温仪,遵循GB/ T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》,设置系统温度(一般为储层温度),按照规程进行试验,吸附平衡时间不少于12 h。
在等温吸附试验之前,先对煤样进行平衡水分处理。
由于样品缸容积有限,煤样在试验前需要破碎,根据等温吸附试验需要(GB/ T 19560),将4个不同煤体结构煤样品破碎至60~80目。
根据研究区煤储层赋存条件,选择25,35,45℃三个温度下进行等温吸附试验,实验压力区间为0~14 MPa。
(2)低温液氮实验。
实验使用美国麦克公司生产的ASAP2020全自动比表面积与孔隙度分析仪。
实验煤样破碎成和等温吸附试验样品粒径相同的0.20~0.25 mm(即60~80目),每件试样取质量2~3 g,利用“静态容量法”对试样进行吸附实验,吸附介质为纯度99.999%的氮,温度为液氮温度,测试孔径0.35~500 nm。
将样品加温真空脱气后放在盛有液氮的杜瓦瓶中,实验开始后系统则按照预先设定的压力进行吸附实验,从而获取不同压力下的氮气吸附量,根据液氮吸附实验数据,仪器所带软件自动按照BET(Brunauer,Emmett Teller)多分子层吸附公式计算试样的比表面积,再利用BJH(Barret,Joyner and Halenda)模型计算煤样的孔径和孔容分布。
2.1 不同煤体结构煤的吸附性能不同温度下不同煤体结构煤的吸附性能实验结果如图1所示。
在同一温度条件下对不同煤体结构煤吸附甲烷能力进行比较可以看出,在0~2 MPa 压力条件下,4类煤样等温吸附曲线几乎重合,甲烷吸附量没有明显差别;随着压力增大,不同煤体结构煤样对甲烷吸附量产生变化,煤样对甲烷吸附量由大到小顺序为:糜棱结构煤、碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤,构造煤与原生结构煤之间的吸附量差别较大,反映了饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高的规律。
煤对甲烷的吸附符合Langmuir单分子层吸附理论,煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下,煤对气体的吸附量可用Langmuir方程来描述,即式中,VL为Langmuir体积,cm3/ g;PL为Langmuir压力,MPa。
不同煤体结构煤的吸附性能见表3。
煤样的吸附能力与温度密切相关(表3),在相同压力条件下,吸附量与温度呈负相关关系。
随温度的增高,煤的吸附能力减弱,4类不同煤体结构煤甲烷吸附量受温度的影响相似。
煤岩在储层条件下的吸附性能受温度和压力条件的综合作用,较低压力阶段,煤样在不同温度下的吸附曲线比较靠近,温度对吸附量的影响不大;较高压力阶段,甲烷吸附量随着压力增加增量较小,而温度对煤吸附能力的影响要大于压力的影响,煤吸附甲烷量随温度增加而减少。
2.2 不同煤体结构煤的孔隙结构特征煤孔隙结构是指煤中孔隙和喉道的集合形状、大小分布及其相互连通关系。
一般采用煤的比表面积、孔容、孔隙模型及孔径分布等来表征,通过低温液氮实验获得。
煤体孔径的分类参照Ходот(1961)的十进制分类系统[18],即:微孔(<10 nm),过渡孔(10~100 nm ),中孔( 100~1 000 nm )和大孔(>1 000 nm),微孔和过渡孔又被统称为吸附孔。
本次实验测得4个不同煤体结构煤样的孔径范围为0~300 nm,主要为吸附孔和部分中孔,不同煤体结构煤的孔容和比表面积参数见表4。
从表4可以看出,不同煤体结构煤孔容和孔比表面积从大到小依次为糜棱煤,碎粒煤,碎裂煤,原生结构煤。
从原生结构煤到糜棱煤,随着煤体破坏程度的增大,孔容和孔比表面积也相应增大,从原生结构煤、碎裂煤到碎粒煤,煤体孔容和孔比表面积的增加量较小,到糜棱煤阶段孔容和孔比表面积增加急剧,相差一个数量级,吸附孔所占孔容和孔比表面积的大小也遵从糜棱煤大于碎粒煤大于碎裂煤大于原生结构煤的规律,其中,孔容主要由中孔贡献,不同煤体结构煤样的中孔孔容所占比例最低者也达到了49.93%,对于孔比表面积来说,吸附孔贡献较大,所占比例均超过了总比表面积50%,中孔的贡献相对很小。
为了进一步对比分析不同结构煤体孔隙特征及其变化,绘制了4个煤样孔径与累计孔容、阶段孔容、累计比表面积、阶段比表面积的关系曲线,如图2,3所示。
由图2,3可以看出,不同煤体结构的煤孔径与累计孔容、阶段孔容、累计比表面积、阶段比表面积的曲线变化趋势一致,糜棱煤的孔容和孔比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤,这和等温吸附试验反映的各结构煤体吸附能力的大小关系一致。
从阶段孔容与孔径的关系图(图2(b))可以看出,4类煤样在吸附孔孔径范围内,只有50 nm左右孔径处出现了一个高峰,该孔径所对应的孔容对煤体总孔容有较大的贡献;在孔径大于90 nm范围内,阶段孔容随孔径的增加而增加,在孔径为90~130 nm,阶段孔容上升急剧,反映煤体该阶段孔径分布极为不均匀;孔径在130~300 nm所对应的阶段孔容上升趋势比较平缓,且整体值均较过渡孔阶段孔容值大,反映该阶段不同孔径分布比较均匀,对应的孔容是煤体总孔容的主要贡献者。
从阶段比表面积与孔径的关系图(图3(b))可以看出,4类煤样在吸附孔阶段较中孔阶段比表面值大,50 nm左右孔径处比表面值出现最高峰,该阶段孔径对应比表面值是孔比表面积的最主要贡献者,在中孔范围内,阶段比表面值随孔径增大呈现减小的趋势,且整体对孔比表面积的贡献小。