第25卷第1期天然氣工業(yè)地質與勘探煤階對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2.中國科學院地質與地球物理研究所)蘇現(xiàn)波等.煤階對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,對煤層氣含量起控制作用。文章根據(jù)相關文獻中的吸附資料和實測數(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系。指出隨煤階的增高煤的吸附能力先后經歷了4個階段: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應，煤化作用控制了煤的孔隙度和表面物理化學性質,進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R。=模型、位能理論、蘭氏理論、D- R(Dubinin一Ra- 0. 5%~1.2%時，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，吸附能力隨煤階增高而增高,當BET理論等。其中蘭氏方程為人們所普遍采R。>4. 0%時吸附能力急劇下降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(包二 者的測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、煤體結構)的控制。其中溫樣。度和壓力的影響已明了,煤的性質的影響存在較大根據(jù)實測和收集的數(shù)據(jù),建立的吸附能力與煤爭議。如鏡質組與惰質組吸附能力的差異性、煤階階的關系(圖 1)。所有測試均為平衡水分煤樣,實驗對吸附能力的影響、煤體變形程度對吸附能力的影50響都存在不同的認識(4~10)。本文根據(jù)前人的測試數(shù)據(jù)(1~13)3和作者的實測數(shù)據(jù),著重探討煤階對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Terratek公司生產的IS- 100等溫吸附儀上進行吸附測試。測試條件為:10f階段1階段II I 階段IV平衡水分、30 C、9點吸附、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顯微光度計下進行煤的顯微組分和反射圈1煤階與煤的吸附 能力的關系率測試?？s分出50 g煤樣進行煤的工業(yè)分析。-、煤階與煤的吸附能力的關系溫度為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，.關系為一到U字型。這一關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”國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目“中國煤層氣成藏機制及經濟開采基礎研究"(2002CB11700)資助。作者簡介:蘇現(xiàn)波,1963年生,教授;長期從事煤層氣地質學與勘探開發(fā)領域的研究工作。地址:(454000)河南省焦作市高新區(qū)世紀大道2001號河南理工大學資源與環(huán)境工程學院。電話:(0391)3987981. E- mail: suxianbo@263. net●19●地質與勘探天然氣工業(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，上升速率是4個階段中最央的。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階段,變化速率最低。圖3平衡水分與煤的吸附能力的關系階段NV:R。>4.0%。該階段煤的吸附能力開始緩慢降低。甲烷吸附提供了空間?？梢娫诋擱。<1.3%時控制二、煤階對煤的吸附能力影響的實質煤的吸附能力的主要是煤的表面物理化學性質,即由含氧官能團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。R。介于1. 3%~速率是不均衡的,呈躍變式,且上述的4個階段與42.5%時,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完全對應，顯然受煤化作用的控時,幾乎所有的含氧官能團都脫落,煤的芳環(huán)和逐漸制。煤化作用對煤的吸附能力的影響存在于3個方增大,排列逐漸有序。煤的微孔隙增多、比表面積顯面:①煤層氣儲存空間,即煤的基質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影響煤的化學成分、分子結構,進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。.化作用過程中形成的液態(tài)烴充填可能是引起吸附能在R。<0.6%時,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R。介于2.5%大孔隙,且含有大量羥基和羧基官能團“5。這時的~4. 0%時,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,中孔、微孔的體積達到極大值0652,相應煤的吸10%)(圖2)以及煤的吸附能力較低(小于10m2'/t)附能力也達到極大值。當R.> 4%時,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系同樣也可定M:平衡水分()。量表達為圖2.3所示的公式。R:鏡質體反射三、結論煤階是控制煤的吸附能力的主要因素之一-。通過大量實驗數(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力經歷了由低到高又到低的變化過程。根據(jù)吸附能°個234↓R。(%)力隨煤階的變化速率可區(qū)分出4個階段,這4個階圖2平衡水分與 煤階的關系段與4次煤化作用躍變完全對應?？梢娒弘A對吸附能力的影響實質上縣世化你田引起的煤的孔隙、結(圖3)。當R。介于0.6%~1.3%時,即處于第一和構、階的MH中國煤化工果。平衡水分隨煤第二次煤化作用躍變之間時，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%時煤的親甲烷能力是控制吸附能官能團大量脫落,平衡水分降至4%左右。造成煤的力的主要因素;而當R.> 1.3%時;孔隙度和比表面親甲烷能力顯著增加,同時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)地質與勘探9 Lamberson M N, Bustin R M. 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