煤階對煤的吸附能力的影響

第25卷第1期天然氣工業(yè)地質(zhì)與勘探煤階對煤的吸附能力的影響”蘇現波'張麗萍2林曉英'(1.河南理工大學(xué)2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所)蘇現波等.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。文章根據相關(guān)文獻中的吸附資料和實(shí)測數據,系統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(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)現當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(zhì)的影響存在較大根據實(shí)測和收集的數據,建立的吸附能力與煤爭議。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)。所有測試均為平衡水分煤樣,實(shí)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)。本文根據前人的測試數據(1~13)3和作者的實(shí)測數據,著(zhù)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晚古生界主采煤層,并收集了西北和華北部分地區煤的吸附測試資料。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(chǎn)的IS- 100等溫吸附儀上進(jìn)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(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(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目“中國煤層氣成藏機制及經(jīng)濟開(kāi)采基礎研究"(2002CB11700)資助。作者簡(jiǎn)介:蘇現波,1963年生,教授;長(cháng)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世紀大道2001號河南理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院。電話(huà):(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,%。根據煤的吸附能力隨煤階增加的變化速率可區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，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(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?？梢?jiàn)在當R。<1.3%時(shí)控制二、煤階對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(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完全對應，顯然受煤化作用的控時(shí),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(gè)方增大,排列逐漸有序。煤的微孔隙增多、比表面積顯面:①煤層氣儲存空間,即煤的基質(zhì)孔隙和比表面著(zhù)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、分子結構,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R。介于2.5%大孔隙,且含有大量羥基和羧基官能團“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(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()。量表達為圖2.3所示的公式。R:鏡質(zhì)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(guò)大量實(shí)驗數據分析發(fā)現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。根據吸附能°個(gè)234↓R。(%)力隨煤階的變化速率可區分出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應?？梢?jiàn)煤階對吸附能力的影響實(shí)質(zhì)上縣世化你田引起的煤的孔隙、結(圖3)。當R。介于0.6%~1.3%時(shí),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(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(shí);孔隙度和比表面親甲烷能力顯著(zhù)增加,同時(shí)熱變氣孔的大量形成為積是主要因素。乃方數據第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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