鄂爾多斯盆地深部煤層氣吸附能力的影響因素及規(guī)律

摘 要

摘要：煤層氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤層對(duì)甲烷的吸附能力主要受儲(chǔ)層壓力、溫度的雙重影響，過去的研究主要關(guān)注煤層氣吸附量隨埋深(壓力)的增大而增大的變化趨勢(shì)，而對(duì)深埋帶來(lái)的溫
摘要：煤層氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤層對(duì)甲烷的吸附能力主要受儲(chǔ)層壓力、溫度的雙重影響，過去的研究主要關(guān)注煤層氣吸附量隨埋深(壓力)的增大而增大的變化趨勢(shì)，而對(duì)深埋帶來(lái)的溫度升高導(dǎo)致煤層氣吸附量減少則關(guān)注不夠。為此，以鄂爾多斯盆地某深部煤層為例，進(jìn)行煤層氣高溫、高壓吸附實(shí)驗(yàn)，以研究其吸附量隨埋深的變化趨勢(shì)，從而指導(dǎo)煤層氣資源評(píng)價(jià)與目標(biāo)優(yōu)選。結(jié)果表明：①等壓條件下，煤層的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫、高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著；②受溫度和壓力的綜合作用，在較低溫度、壓力條件下壓力對(duì)煤層吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度、壓力條件下溫度對(duì)煤吸附能力的影響大于壓力的影響；③深部煤層氣的吸附量隨埋深增加呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢(shì)，最大吸附量深度為900～1600m。該認(rèn)識(shí)有別于過去認(rèn)為隨深度增大煤層吸附量持續(xù)升高的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地；深部；煤層氣；吸附特征；解吸；等溫吸附實(shí)驗(yàn)；深度
   已有研究與實(shí)驗(yàn)表明，煤層氣主要通過范德華力以吸附狀態(tài)存在于煤的內(nèi)表面，等溫條件下，吸附量隨儲(chǔ)層壓力的增大而增大[1～3]；然而，煤層氣的吸附量同樣受到儲(chǔ)層溫度的控制，并隨溫度的升高而減少。實(shí)際上，煤層在地層條件下對(duì)甲烷的吸附能力主要體現(xiàn)為儲(chǔ)層壓力、溫度的雙重作用，即隨埋深增大、儲(chǔ)層壓力增大帶來(lái)的煤層氣吸附量增大與儲(chǔ)層溫度升高帶來(lái)的煤層氣吸附量減小的綜合作用結(jié)果。
   以往研究主要關(guān)注煤層氣吸附量隨埋深的增大而增大的變化趨勢(shì)，對(duì)埋深帶來(lái)的溫度升高導(dǎo)致的煤層氣吸附量減少關(guān)注不夠。筆者旨在通過對(duì)鄂爾多斯盆地深部煤層進(jìn)行高溫高壓吸附實(shí)驗(yàn)，研究深部煤層氣的吸附量隨埋深的變化趨勢(shì)，進(jìn)而指導(dǎo)煤層氣資源評(píng)價(jià)與目標(biāo)優(yōu)選。
1 深部煤層氣吸附實(shí)驗(yàn)
1.1 煤層氣的吸附原理
   煤層具有龐大的微孔隙內(nèi)表面積，一般可達(dá)數(shù)百平方米/克，具有很強(qiáng)的吸附性能[4]。其吸附原理是由于煤體內(nèi)部的碳原子為飽和狀態(tài)而其表面的碳原子為不飽和狀態(tài)，二者之間產(chǎn)生能量差，即吸附能(又稱范德華力)。
    當(dāng)氣體分子運(yùn)動(dòng)碰到煤體孔隙表面時(shí)，其中一部分就被吸附住，暫時(shí)停留在煤的內(nèi)表面上。這種吸附屬于物理吸附，吸附時(shí)是放熱反應(yīng)，但釋放出的熱量不足以克服吸附引力，所以氣體分子就牢牢地吸附在煤體內(nèi)表面上而不能自由運(yùn)動(dòng)，即呈吸附狀態(tài)的氣體。但是，當(dāng)煤層溫度升高或壓力降低時(shí)，所產(chǎn)生的熱量足以克服吸附引力時(shí)，被吸附的氣體分子就會(huì)脫離煤體內(nèi)表面而回到可以自由運(yùn)動(dòng)的游離狀態(tài)的氣體，這種現(xiàn)象稱為解吸。煤層氣的吸附與解吸在理論上具有可逆性，煤層內(nèi)表面積越大，吸附能量越大，能被吸附的氣體分子越多，即吸附量越大。
1.2 吸附實(shí)驗(yàn)
    在煤層氣測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，常利用恒溫下的吸附實(shí)驗(yàn)，做出等溫吸附曲線，來(lái)直觀地反應(yīng)煤層氣的吸附性能，即通過等溫吸附線了解煤層氣吸附能力與相應(yīng)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外煤層氣開采深度大多淺于1200m，煤儲(chǔ)層溫度、壓力條件一般在50℃、20MPa之內(nèi)，吸附實(shí)驗(yàn)溫度一般選定為恒溫30℃。實(shí)驗(yàn)采用100g煤樣，經(jīng)破碎處理為大小介于0.2～0.25mm的樣品后裝入煤樣壓力罐，另一副壓力罐充滿甲烷氣體，與煤樣罐連通，均放入恒溫水浴中，然后打開閥門使氣罐中的甲烷氣體充入煤樣罐，測(cè)定不同壓力點(diǎn)的相應(yīng)甲烷吸附量，獲得不同溫度的等溫吸附曲線。筆者針對(duì)1200～3000m埋深的深部煤層氣儲(chǔ)層條件，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，將最大實(shí)驗(yàn)溫度增加到100℃，壓力增加到30MPa，以研究深部煤層氣吸附規(guī)律。
2 深部煤層氣吸附特征及最大吸附量變化規(guī)律
2.1 深部煤層氣吸附特征
    針對(duì)鄂爾多斯盆地深部煤層氣等溫吸附特征研究，選取了氣、肥、焦、瘦煤不同煤階(Ro介于0.68%～1.93%)，按40℃、55℃、70℃、85℃、100℃不同溫度條件進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，煤層氣吸附特征如下：
2.1.1等溫條件
    等溫吸附時(shí)，不同煤階煤的甲烷吸附量隨壓力的增加而增加，低壓階段吸附量增加顯著，高壓階段吸附量增加緩慢；同一壓力下，高煤階吸附量大于低煤階(圖1、2、3)。

2.1.2等壓條件
    已有研究表明，等壓條件下不同煤階煤的吸附量隨溫度增加均減小[7～10]。鄂爾多斯盆地東部煤層氣吸附實(shí)驗(yàn)顯示，在等壓條件下，煤的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著(圖4)。
 

    因此，在深部條件下，煤層氣的吸附性能受到地層溫度、壓力的雙重控制，在較低溫度和壓力條件下壓力對(duì)煤吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度和壓力時(shí)溫度對(duì)煤吸附能力的影響大于壓力的影響。
2.2 深部煤層氣最大吸附量變化規(guī)律
    根據(jù)鄂爾多斯盆地東部地層溫度、壓力情況，按照地溫梯度2.8℃/100m、壓力系數(shù)0.93MPa/100m，將上述不同溫度、壓力下的煤層氣等溫吸附曲線折算到相應(yīng)的埋藏深度，得到煤層氣吸附量隨深度變化曲線(圖5)。呈現(xiàn)如下變化規(guī)律：不同煤階煤的吸附量隨深度的增加呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢(shì)，最大吸附量深度介于900～1600m。其中，瘦焦煤(Ro介于1.21%～1.93%)煤層吸附量在900～1300m附近達(dá)到最大吸附量(16.5～17.2m3/t)，之后遞減，在3000m附近吸附量降至14～16m3/t汽煤(Ro介于0.68%～0.78%)煤層吸附量在900～1600m附近達(dá)到最大吸附量(7.2～10.5m3/t)，之后遞減，在3000m附近吸附量降至4～9m3/t。

3 結(jié)論
1) 煤層在地層條件下對(duì)甲烷的吸附能力主要體現(xiàn)為儲(chǔ)層壓力、溫度的雙重作用，即隨埋深增大，儲(chǔ)層壓力增大帶來(lái)的煤層氣吸附量增大與儲(chǔ)層溫度升高帶來(lái)的煤層氣吸附量減小的綜合作用結(jié)果。
2) 等壓條件下，煤的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低，高溫高壓階段溫度增加引起的吸附量降低更為顯著；受溫度和壓力的綜合作用，在較低溫度和壓力條件下壓力對(duì)煤吸附能力的影響大于溫度的影響，在較高溫度和壓力時(shí)溫度對(duì)煤吸附能力的影響大于壓力的影響。
    3) 深部煤層氣的吸附量隨埋深增大呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢(shì)，最大吸附量深度為900～1600m。
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(本文作者：陳剛1，2 李五忠2 1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)