第25卷第1期天然氣工業(yè)地質(zhì)與勘探煤階對(duì)煤的吸附能力的影響”蘇現(xiàn)波'張麗萍2林曉英'(1.河南理工大學(xué)2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所)蘇現(xiàn)波等.煤階對(duì)煤的吸附能力的影響。天然氣工業(yè)，,2005;25(1):19~21摘要煤階是煤層氣的生成和煤的吸附能力的重要影響因素之一,對(duì)煤層氣含量起控制作用。文章根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的吸附資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),系統(tǒng)探討了平衡水分下煤的吸附能力與煤階的關(guān)系。指出隨煤階的增高煤的吸附能力先后經(jīng)歷了4個(gè)階段:快速增加階段(R.<1.3%)、縵慢增加階段(R。介于1. 3%~2.5%)、達(dá)到極大值階段(R。介于2. 5%~4.0%)和降低階段(R.>4.0%)。這種變化與煤化作用躍變完全對(duì)應(yīng)，煤化作用控制了煤的孔隙度和表面物理化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而控制了煤層氣的賦存空間和煤的親甲烷能力。主題詞煤階煤成氣吸附能力含氣量影響煤化作用孔隙度表面性質(zhì)描述煤的吸附能力的理論已有多種,如Gibbs分煙煤 A階段1。鐘玲文與張新民則發(fā)現(xiàn)當(dāng)R。=模型、位能理論、蘭氏理論、D- R(Dubinin一Ra- 0. 5%~1.2%時(shí)，隨煤階的增高吸附能力降低;R。=dushkevich)與D- A (Dubinin - Astakhov) 模型，1. 2%~4.0%時(shí)，吸附能力隨煤階增高而增高,當(dāng)BET理論等。其中蘭氏方程為人們所普遍采R。>4. 0%時(shí)吸附能力急劇下降8。值得注意的是.用1~)。煤的吸附特性受溫度、壓力和煤的性質(zhì)(包二 者的測(cè)試煤樣均為干燥煤樣,而不是平衡水分煤括煤的顯微組分、煤階、煤體結(jié)構(gòu))的控制。其中溫樣。度和壓力的影響已明了,煤的性質(zhì)的影響存在較大根據(jù)實(shí)測(cè)和收集的數(shù)據(jù),建立的吸附能力與煤爭(zhēng)議。如鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組吸附能力的差異性、煤階階的關(guān)系(圖 1)。所有測(cè)試均為平衡水分煤樣,實(shí)驗(yàn)對(duì)吸附能力的影響、煤體變形程度對(duì)吸附能力的影50響都存在不同的認(rèn)識(shí)(4~10)。本文根據(jù)前人的測(cè)試數(shù)據(jù)(1~13)3和作者的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),著重探討煤階對(duì)煤的吸附能力的影響。筆者研究的煤樣主要取自于華北地區(qū)晚古生界主采煤層,并收集了西北和華北部分地區(qū)煤的吸附測(cè)試資料。首先將采集的煤樣破碎至出20--60目,縮分出200 g在美國(guó)Terratek公司生產(chǎn)的IS- 100等溫吸附儀上進(jìn)行吸附測(cè)試。測(cè)試條件為:10f階段1階段II I 階段IV平衡水分、30 C、9點(diǎn)吸附、最大壓力為20 MPa左°十25右?？s分出10g左右煤樣制備煤磚光片,在LeitzR。(%)MPV-SP顯微光度計(jì)下進(jìn)行煤的顯微組分和反射圈1煤階與煤的吸附 能力的關(guān)系率測(cè)試?？s分出50 g煤樣進(jìn)行煤的工業(yè)分析。-、煤階與煤的吸附能力的關(guān)系溫度為30C。由圖1可知煤的吸附能力與煤階的煤的吸附能力(蘭氏體積)受多種因素的影響，.關(guān)系為一到U字型。這一關(guān)系與前人的研究明顯不其中煤階是最重要的因素之一。Yee 等指出煤的吸同可用公式(1)定量描述。中國(guó)煤化工).2-.2 (1)附能力隨煤階增高呈U字型變化,最小值在高揮發(fā)YHCNMHG*本成果受“973”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“中國(guó)煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開(kāi)采基礎(chǔ)研究"(2002CB11700)資助。作者簡(jiǎn)介:蘇現(xiàn)波,1963年生,教授;長(zhǎng)期從事煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究工作。地址:(454000)河南省焦作市高新區(qū)世紀(jì)大道2001號(hào)河南理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院。電話:(0391)3987981. E- mail: suxianbo@263. net●19●地質(zhì)與勘探天然氣工業(yè)2005年1月式中:VL為煤的吸附能力(蘭氏體積),m*/t;R。為i0r鏡質(zhì)體反射率,%。根據(jù)煤的吸附能力隨煤階增加的變化速率可區(qū)40-.V=4.122+ 549.59.4(M.- 3.90) *+27.915.28_分出以下4個(gè)階段(圖1)。.幾:蘭氏體積(m/0)階段I :R。<1.3%。該階段煤的吸附能力隨煤M:平衡水分(編)階增高呈快速上升趨勢(shì)，上升速率是4個(gè)階段中最央的。10-階段I[ :R。介于1. 3%~2.5%。該階段煤的吸附能力持續(xù)增加,但上升速率明顯低于第-階段。9614古186↓士- 0階段II:R。介于2. 5%~4.0%。該階段煤的吸附能力整體處于最強(qiáng)階段,變化速率最低。圖3平衡水分與煤的吸附能力的關(guān)系階段NV:R。>4.0%。該階段煤的吸附能力開(kāi)始緩慢降低。甲烷吸附提供了空間。可見(jiàn)在當(dāng)R。<1.3%時(shí)控制二、煤階對(duì)煤的吸附能力影響的實(shí)質(zhì)煤的吸附能力的主要是煤的表面物理化學(xué)性質(zhì),即由含氧官能團(tuán)決定的煤的親甲烷能力。所以這一階與煤化作用一樣,煤的吸附能力隨煤階的變化段隨煤階增高吸附能力快速增強(qiáng)。R。介于1. 3%~速率是不均衡的,呈躍變式,且上述的4個(gè)階段與42.5%時(shí),即位于第二與第三次煤化作用躍變之間次煤化作用躍變(153完全對(duì)應(yīng)，顯然受煤化作用的控時(shí),幾乎所有的含氧官能團(tuán)都脫落,煤的芳環(huán)和逐漸制。煤化作用對(duì)煤的吸附能力的影響存在于3個(gè)方增大,排列逐漸有序。煤的微孔隙增多、比表面積顯面:①煤層氣儲(chǔ)存空間,即煤的基質(zhì)孔隙和比表面著增加。這一階段煤的親甲烷能力變化緩慢,起決積;②影響煤的化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響煤的定作用的是微孔的比表面積。因此,煤的吸附能力親甲烷能力;③影響平衡水分含量,從而影響煤層氣隨煤階增高的變化速率下降。另外，微孔系統(tǒng)被煤賦存空間。.化作用過(guò)程中形成的液態(tài)烴充填可能是引起吸附能在R。<0.6%時(shí),煤中發(fā)育的孔隙主要為原生力增加速率降低的又- -因素017.18)。 當(dāng)R。介于2.5%大孔隙,且含有大量羥基和羧基官能團(tuán)“5。這時(shí)的~4. 0%時(shí),即位于第三次與第四次煤化作用躍變之煤是親水而疏甲烷,造成平衡水分含量非常高(大于間時(shí),中孔、微孔的體積達(dá)到極大值0652,相應(yīng)煤的吸10%)(圖2)以及煤的吸附能力較低(小于10m2'/t)附能力也達(dá)到極大值。當(dāng)R.> 4%時(shí),即第四次煤化作用躍變之后,煤的孔隙度和比表面積隨煤階增16r高不斷下降,引起煤的吸附能力不斷下降。煤階與M.:16.73e" rm +0.65R.+1.20平衡水分、平衡水分與蘭氏體積的關(guān)系同樣也可定M:平衡水分()。量表達(dá)為圖2.3所示的公式。R:鏡質(zhì)體反射三、結(jié)論煤階是控制煤的吸附能力的主要因素之一-。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)隨煤階的增高煤的吸附能階段|階段I1階段II階 段IV力經(jīng)歷了由低到高又到低的變化過(guò)程。根據(jù)吸附能°個(gè)234↓R。(%)力隨煤階的變化速率可區(qū)分出4個(gè)階段,這4個(gè)階圖2平衡水分與 煤階的關(guān)系段與4次煤化作用躍變完全對(duì)應(yīng)?？梢?jiàn)煤階對(duì)吸附能力的影響實(shí)質(zhì)上縣世化你田引起的煤的孔隙、結(jié)(圖3)。當(dāng)R。介于0.6%~1.3%時(shí),即處于第一和構(gòu)、階的MH中國(guó)煤化工果。平衡水分隨煤第二次煤化作用躍變之間時(shí)，隨煤階增高原生大孔c N M H G煤階的變化分析表隙急劇減少,熱變氣孔逐漸增多15.16)。羥基和羧基明,在R.<1.3%時(shí)煤的親甲烷能力是控制吸附能官能團(tuán)大量脫落,平衡水分降至4%左右。造成煤的力的主要因素;而當(dāng)R.> 1.3%時(shí);孔隙度和比表面親甲烷能力顯著增加,同時(shí)熱變氣孔的大量形成為積是主要因素。乃方數(shù)據(jù)第25卷第1期天然氣工業(yè)地質(zhì)與勘探9 Lamberson M N, Bustin R M. 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