鄂尔多斯盆地深部煤层气吸附能力的影响因素及规律_工程实践

摘要

摘要：煤层气等温吸附实验结果表明，煤层对甲烷的吸附能力主要受储层压力、温度的双重影响，过去的研究主要关注煤层气吸附量随埋深(压力)的增大而增大的变化趋势，而对深埋带来的温

摘要：煤层气等温吸附实验结果表明，煤层对甲烷的吸附能力主要受储层压力、温度的双重影响，过去的研究主要关注煤层气吸附量随埋深(压力)的增大而增大的变化趋势，而对深埋带来的温度升高导致煤层气吸附量减少则关注不够。为此，以鄂尔多斯盆地某深部煤层为例，进行煤层气高温、高压吸附实验，以研究其吸附量随埋深的变化趋势，从而指导煤层气资源评价与目标优选。结果表明：①等压条件下，煤层的甲烷吸附量随温度增高呈线性降低，高温、高压阶段温度增加引起的吸附量降低更为显著；②受温度和压力的综合作用，在较低温度、压力条件下压力对煤层吸附能力的影响大于温度的影响，在较高温度、压力条件下温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响；③深部煤层气的吸附量随埋深增加呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势，最大吸附量深度为900～1600m。该认识有别于过去认为随深度增大煤层吸附量持续升高的传统观点。

关键词：鄂尔多斯盆地；深部；煤层气；吸附特征；解吸；等温吸附实验；深度

已有研究与实验表明，煤层气主要通过范德华力以吸附状态存在于煤的内表面，等温条件下，吸附量随储层压力的增大而增大^[1～3]；然而，煤层气的吸附量同样受到储层温度的控制，并随温度的升高而减少。实际上，煤层在地层条件下对甲烷的吸附能力主要体现为储层压力、温度的双重作用，即随埋深增大、储层压力增大带来的煤层气吸附量增大与储层温度升高带来的煤层气吸附量减小的综合作用结果。

以往研究主要关注煤层气吸附量随埋深的增大而增大的变化趋势，对埋深带来的温度升高导致的煤层气吸附量减少关注不够。笔者旨在通过对鄂尔多斯盆地深部煤层进行高温高压吸附实验，研究深部煤层气的吸附量随埋深的变化趋势，进而指导煤层气资源评价与目标优选。

1 深部煤层气吸附实验

1.1 煤层气的吸附原理

煤层具有庞大的微孔隙内表面积，一般可达数百平方米/克，具有很强的吸附性能^[4]。其吸附原理是由于煤体内部的碳原子为饱和状态而其表面的碳原子为不饱和状态，二者之间产生能量差，即吸附能(又称范德华力)。

当气体分子运动碰到煤体孔隙表面时，其中一部分就被吸附住，暂时停留在煤的内表面上。这种吸附属于物理吸附，吸附时是放热反应，但释放出的热量不足以克服吸附引力，所以气体分子就牢牢地吸附在煤体内表面上而不能自由运动，即呈吸附状态的气体。但是，当煤层温度升高或压力降低时，所产生的热量足以克服吸附引力时，被吸附的气体分子就会脱离煤体内表面而回到可以自由运动的游离状态的气体，这种现象称为解吸。煤层气的吸附与解吸在理论上具有可逆性，煤层内表面积越大，吸附能量越大，能被吸附的气体分子越多，即吸附量越大。

1.2 吸附实验

在煤层气测试实验中，常利用恒温下的吸附实验，做出等温吸附曲线，来直观地反应煤层气的吸附性能，即通过等温吸附线了解煤层气吸附能力与相应压力的对应关系。目前国内外煤层气开采深度大多浅于1200m，煤储层温度、压力条件一般在50℃、20MPa之内，吸附实验温度一般选定为恒温30℃。实验采用100g煤样，经破碎处理为大小介于0.2～0.25mm的样品后装入煤样压力罐，另一副压力罐充满甲烷气体，与煤样罐连通，均放入恒温水浴中，然后打开阀门使气罐中的甲烷气体充入煤样罐，测定不同压力点的相应甲烷吸附量，获得不同温度的等温吸附曲线。笔者针对1200～3000m埋深的深部煤层气储层条件，改进实验装置，将最大实验温度增加到100℃，压力增加到30MPa，以研究深部煤层气吸附规律。

2 深部煤层气吸附特征及最大吸附量变化规律

2.1 深部煤层气吸附特征

针对鄂尔多斯盆地深部煤层气等温吸附特征研究，选取了气、肥、焦、瘦煤不同煤阶(R_o介于0.68%～1.93%)，按40℃、55℃、70℃、85℃、100℃不同温度条件进行等温吸附实验，煤层气吸附特征如下：

2.1.1等温条件

等温吸附时，不同煤阶煤的甲烷吸附量随压力的增加而增加，低压阶段吸附量增加显著，高压阶段吸附量增加缓慢；同一压力下，高煤阶吸附量大于低煤阶(图1、2、3)。

2.1.2等压条件

已有研究表明，等压条件下不同煤阶煤的吸附量随温度增加均减小^[7～10]。鄂尔多斯盆地东部煤层气吸附实验显示，在等压条件下，煤的甲烷吸附量随温度增高呈线性降低，高温高压阶段温度增加引起的吸附量降低更为显著(图4)。

因此，在深部条件下，煤层气的吸附性能受到地层温度、压力的双重控制，在较低温度和压力条件下压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响，在较高温度和压力时温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响。

2.2 深部煤层气最大吸附量变化规律

根据鄂尔多斯盆地东部地层温度、压力情况，按照地温梯度2.8℃/100m、压力系数0.93MPa/100m，将上述不同温度、压力下的煤层气等温吸附曲线折算到相应的埋藏深度，得到煤层气吸附量随深度变化曲线(图5)。呈现如下变化规律：不同煤阶煤的吸附量随深度的增加呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势，最大吸附量深度介于900～1600m。其中，瘦焦煤(R_o介于1.21%～1.93%)煤层吸附量在900～1300m附近达到最大吸附量(16.5～17.2m³/t)，之后递减，在3000m附近吸附量降至14～16m³/t汽煤(R_o介于0.68%～0.78%)煤层吸附量在900～1600m附近达到最大吸附量(7.2～10.5m³/t)，之后递减，在3000m附近吸附量降至4～9m³/t。

3 结论

1) 煤层在地层条件下对甲烷的吸附能力主要体现为储层压力、温度的双重作用，即随埋深增大，储层压力增大带来的煤层气吸附量增大与储层温度升高带来的煤层气吸附量减小的综合作用结果。

2) 等压条件下，煤的甲烷吸附量随温度增高呈线性降低，高温高压阶段温度增加引起的吸附量降低更为显著；受温度和压力的综合作用，在较低温度和压力条件下压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响，在较高温度和压力时温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响。

3) 深部煤层气的吸附量随埋深增大呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势，最大吸附量深度为900～1600m。

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(本文作者：陈刚^1，2 李五忠² 1.中国矿业大学资源与地球科学学院；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)