吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素

　　文章编号:1001-1986(2001)02-0030-03吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素李建武,白公正,雷宝林,李　静,赵俊峰(煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安　710054)摘要:通过对吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素的深入研究,认为该盆地煤层虽然变质程度较低,但对甲烷气仍有较强的吸附能力;煤的变质程度是影响吐哈盆地煤层吸附性的主要因素,煤岩显微组分、煤中水分和含油性也对煤层吸附性有不同程度的影响。关键词:煤层;甲烷;吸附性;影响因素;吐哈盆地中图分类号:P618.11　　文献标识码:A1　引言吐哈盆地是新疆维吾尔自治区境内三大沉积盆地之一,行政区划属哈密地区和吐鲁番地区管辖。盆地东西长约658km,南北宽60～132km,面积约53500km2,其内自东向西分布着哈密、台北、托克逊等3个主要沉积凹陷。在这些凹陷中,不仅蕴藏着丰富的石油天然气资源,而且发育有巨厚的中下侏罗统水西沟煤系,该煤系含煤层数多,煤层厚度大,具有形成煤层气藏的良好物质基础。为了了解该区煤层是否具有储存煤层气的能力,笔者对各凹陷主要含煤地层中侏罗统西山窑组和下侏罗统八道湾组所含煤层的吸附性进行了研究。2　各凹陷中煤的吸附特征本次研究工作在哈密、台北和托克逊这3个凹陷内的煤矿井下或露天矿坑下、石油勘探钻井的煤心中采集了20个煤样,对这些煤样全部进行了等温吸附实验。其实验参数和曲线基本勾画出各凹陷主要煤层的吸附特征。(表1、图1)可以看出,吐哈盆地煤层具有如下吸附特征:2.1　煤层虽然变质程度较低,但对甲烷仍有较强的吸附能力,原煤的饱和吸附量(VL)变化于9.29～22.62m3/t之间,一般在15m3/t左右。这一结果表明,该盆地煤层具有一定的储气能力,如果其它条件配置良好,煤层中可能会储存大量的煤层吸附气。但表1　吐哈盆地煤层等温吸附实验数据表采样地点吐密凹陷台北凹陷托克逊凹陷采样层位J1-2J1-2J1-2Mad/%3.513.765.35Aad/%5.3110.574.63Ro,max/%0.51～0.560.530.52～0.590.560.42～0.550.48VL/m3·t-1原煤12.92～22.6217.0613.21～15.9914.579.29～16.3312.23可燃质14.67～25.5119.7315.54～19.9617.3711.25～18.0314.24pL/MPa原煤5.77～13.128.516.10～8.146.974.69～9.067.44可燃质5.77～13.128.516.10～8.146.974.69～9.067.44　　收稿日期:2000-04-03作者简介:李建武(1967—),男,陕西礼泉县人,煤炭科学研究总院西安分院高级工程师,从事煤层气地质研究.参考文献[1]　秦　勇,刘焕杰等.山西南部上古生界煤层含气性研究.Ⅱ推断区与预测区煤层含气性预测[J].煤田地质与勘探,1997,25(6):18～22.[2]　杨永国,余志伟,郭正堂等.基于地质记录用时域组合模型预测气候变化趋势的初步研究[J].地球物理学报,1996,39(1):38～45.[3]　邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉:华中理工大学出版社,1993.175～225.[4]　杨位饮,顾　岚.时间序列 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与动态数据建模[M].北京:北京理工大学出版社,1988.129～173.[5]　屈永华,杨永国,曾　勇.等维递补灰色时序组合模型及其应用[J].中国矿业大学学报,1999(增刊):52～55.AnewdynamicforecastmodelofcoalbedmethaneproductionJIAOSi-hong,QINYong,QUYong-hua(CollegeofMineralResource&EnvironmentalScience,CUMT,JjiangsuXuzhou221008,China)Abstract:Byusingthetheoryofgraysystemandtimeseriesanalysisacombinedmodelofdimension-fixedandrecursion-compensatedgray-timeseriesforthepurposeofpredicatingtheyieldofcoalbedmethaneisestablished.TheapplicationofthisnewmodelinthesouthernQinshuibasinshowsthatthismodelcanfitthehistoricaldataprecisely,thenitcanbeusedforpredictingthefuturedataofmid-longtermwellproductionKeywords:coalbedmethane;timeseriesanalysis;graymodel;dynamicmodel;prediction·30·煤田地质与勘探COALGEOLOGY&EXPLORATIONVol.29No.2Apr.2001图1　吐哈盆地各凹陷煤层原煤等温吸附典型曲线图2　吐哈盆地煤层VL与Ro关系图在横向上煤层原煤饱和吸附量有从东往西逐渐减小的趋势,其中哈密凹陷平均17.07m3/t,台北凹陷平均14.57m3/t,而托克逊凹陷只有12.23m3/t,反映出煤层吸附甲烷的能力由东向西逐渐减弱。2.2　从全国资料看,吐哈盆地煤层Langmuir压力(pL)明显偏高,其变化范围为4.69～13.12MPa,且多在7MPa左右。表明该盆地煤层只有在压力较高的条件下才会吸附大量的甲烷。而盆地内除边浅部煤矿区煤层埋深较浅外,其它地区煤层埋深均较大,一般均在1000m以深。若按静水压力推算,这些地区煤层的地层压力也可达10MPa以上。如此高的地层压力,据以往的研究表明该区煤层曾经有大量的甲烷生成,故其煤层完全有可能吸附到大量的甲烷。从另一方面讲,Langmuir压力较高,有利于排水降压采气,因而对煤层吸附气的开发有利。3　影响煤层吸附性的因素3.1　对全盆地实验结果分析(图2)不难看出,煤的变质程度是影响吐哈盆地煤层吸附性的主要因素。托克逊凹陷原煤饱和吸附量低的主要原因就是因为煤的变质程度较低所致,即使在托克逊凹陷内部也是随煤阶的增高煤的吸附能力增强。这是因为从褐煤到长焰煤的压实过程中,煤孔隙度成倍下降,致使图3　镜质组、丝质组吸附甲烷量与煤变质阶段的关系(据��!∀!#∃%&!,1980)1——镜质组;2——丝质体大孔和中孔及其中的水分减少,而微孔相对增加的缘故,因此随煤变质程度的增高,煤对甲烷的吸附能力逐渐增强。3.2　煤岩显微组分对吸附量的影响也是一个重要因素。一般认为惰质组具有最大的孔隙比例,比表面积较小,而镜质组中微孔大量发育,具有比惰质组大的总比表面积,因此认为镜质组的吸附能力强于惰质组。我们认为这一观点尚不能概括所有的煤,在多数情况下更适合于高级烟煤和无烟煤,对于低、中煤级煤则不尽适合。前苏联��∋!∀!#∃%&!(1980)研究了库兹涅茨盆地煤的镜质组和惰质组(以丝质体为主)对甲烷吸附量随变质阶段的变化。(图3)她认为在低—中变质阶段(Ⅱ—Ⅲ)镜质组的吸附能力低于惰质组,而且随变质程度增高呈凹形曲线变化,至中变质阶段(焦煤)两者吸附能力相近,随着变质程度继续增高,镜质组吸附能力才显著高于惰质组。这是迄今为止所见到的有关显微组分吸附能力随煤变质程度变化的较系统的资料,具有较高的实用价值。图中还表明在第二变质阶段,(气煤)镜质组比惰质组的吸附能力低,但比第Ⅲ阶段差值小。依此趋势,当煤化程度向长焰煤(褐煤)降低时,它们吸附能力的差别将会越来越小。这是因为在低煤化阶段,压实作用还不很强,镜质组(腐殖组)尤其是基质镜质体(碎屑腐殖体)仍然有较大的粒间空隙,它们的微孔比例就不一定比丝质体高,使镜质体与丝质体的吸附能力差别变小,甚至无差别,所以吐哈盆地Ro<0.5%的褐煤甲烷吸附量与显微组分含量没有显著关系。台北凹陷、托克逊凹陷的长焰煤,镜质组含量普遍较高,多在60%以上,镜质组的微孔可能略低于丝质体,所以甲烷吸附量有随镜质组含量增高而降低的趋势。而在哈密凹陷,虽然煤层Ro仍为0.5%～0.6%,但却出现相反的现象,即吸附量随镜质组增·31·第2期李建武,白公正等:吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素图4　哈密凹陷4号煤层VL与镜质组含量关系图加而增高。(图4)这可能与其极特殊的煤岩组成有关,其镜质组含量特低而惰质组含量高,尤其是半镜质组和半丝质体(即过渡组分)含量极高,可达40%～70%。过渡组分不同于丝质体,他们往往经历过不同程度的凝胶化作用,可能导致部分极微细的植物孔隙消失,只保存较大的细胞空腔,成为大孔占比例甚高的显微组分,而且其中多被碳酸盐和粘土矿物所充填,致使其吸附性能低于镜质组。3.3　此外,煤中存在的水对煤层气的吸附也有很大的影响,在低煤阶中的影响尤为明显。在自然状态下,几乎所有的煤层都含有水,水在煤里以自由水、分解水和水化合物的形式存在。自由水存在于裂隙和大孔隙内;分解水与含氧官能团(-OH、-COOH、-C=O)通过氢键结合;水化合物附着在无机矿物和粘土矿物上。由于具极性的水分子与煤分子间的范德华力较无极性的甲烷分子与煤分子间的范德华力更强,同时水分子之间也可以通过偶极子运动结合起来,因此水与煤的结合比甲烷更为紧密,这些水常常和甲烷竞争被吸附的位置。Joubert等(1974)已经证实了煤的水分含量对甲烷吸附的影响(图5):水含量越高,吸附量越低,直至达到煤层吸附水的临界含水量,高于临界含水量的水含量则并不影响甲烷气的吸附能力。由于低煤阶煤比高煤阶煤含有更多的吸附水,因此煤层气吸附量也少,本次的实验就有这种情况存在。3.4　以往研究还表明,煤对甲烷的吸附能力还受油的影响。油的存在导致甲烷吸附能力减弱,这主要由于甲烷分子体积小、极性低、结合力弱所致。哈密凹图5　水分含量对煤层甲烷吸附的影响陷与台北凹陷煤的变质程度相近,但前者原煤最大饱和吸附量较后者高,我们推测这有可能是台北凹陷煤层中油分子占据甲烷分子位置使甲烷的吸附量减少造成的。这种推测从圣胡安盆地BEA15—4#水果地组所取的煤样分析中得到很好的印证:当把煤样放进亚甲氯化物溶液中溶解去掉油后,煤的吸附能力迅速提高。4　结论通过对吐哈盆地煤层吸附性及其影响因素进行的深入研究,我们认为,吐哈盆地煤层虽然变质程度较低,但对甲烷气仍有较强的吸附能力;煤层Langmuir压力(pL)明显偏高,但这并不影响该盆地煤层对甲烷气的吸附,反而对煤层气的开发有利;煤的变质程度是影响吐哈盆地煤层吸附性的主要因素,煤的显微组分、煤中水分和含油性也对煤层吸附性有不同程度影响。研究工作和本文的撰写得到张秀仪教授的热情帮助和指导,在此谨致谢意。参考文献[1]　吴　涛,张世焕,王武和.吐哈盆地构造演化与煤成烃富集规律[J].地质论评,1996,42(增刊).[2]　∋!∀!#∃%&!��.煤岩成分对煤吸附甲烷容量的影响[P].煤成气译文专辑,1983.73～80.[3]　JoubertJI.EffectofmoistureonthemethanecapacityofAmericancoals[J].Fuel,1974,(53).[4]　钱凯,赵庆波,汪泽成等.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术[M].北京:石油工业出版社,1996.AdsorptivecharateristicsandcontrollingfactorsofcoalseamsinTU-HabasinLIJian-wu,BAIGong-zheng,LEIBao-lin,LIJing,ZHAOJun-feng(Xi′anBranch,CCRI,ShaanxiXi′an710054,China)Abstract:TheresearchonadsorptivecharacteristicsandcontrollingfactorsofcoalseamsinTu-Habasinindicatedthatthemethaneadsorptivecapacityisstillstrong,althoughtherankofcoalseamsarerelativelylow,whichisthemajorcontrollingfactorforadsorptivecapacityofcoalseams.Theotherfactors,suchasmaceralcomponents,moisturecontentandoil-bearingproperty,havealsodifferentdegreeofinfluence.Keywords:coalseam;methane;adsorptive;controllingfactor;Tu-Habasin·32·煤田地质与勘探第29卷