过干燥和氧化作用对低煤阶煤岩含气性及吸附能力的影响

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邓 泽 孙粉锦 李贵中 陈振宏 庚 勐 杨 泳 曾良君 刘 萍

( 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

摘 要: 低阶煤岩在空气中暴露时间过长致使有机质和矿物质氧化和过干燥，造成含气性与吸附能力偏离真实值，影响地质评价和煤层气资源计算。为定量研究氧化和过干燥现象对低煤阶煤岩含气性及吸附特征的影响，择取了 4 块吐哈盆地某井低阶新鲜煤岩样品，分别在空气中暴露 1 天、7 天、15 天和30 天后进行测试。分析认为: ( 1) 低阶煤样干燥时间越长，水分损失越大，平衡水分含量无法恢复至初始状态，导致原位基含气量和原位基密度计算结果偏大，资源量被高估; ( 2) 过干燥和氧化作用导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔、大孔比例相对变大，降低了煤岩吸附能力，但同时水分的减少又增强了煤岩吸附能力，二者综合效应使得煤岩吸附能力总体偏大，导致吸附饱和度与降压解吸前景被低估。据此提出两点建议: ( 1) 对于低煤阶勘探的取心和测试的每一个过程，应建立严格的样品处理、制备和储存规范，坚决防止煤岩氧化和过干燥; ( 2) 进行低煤阶地质评价和煤层气资源计算时应全面了解煤岩测试的全过程，辨别数据真伪与可靠性，慎重取值。

关键词: 低煤阶煤岩测试 氧化和过干燥 地质评价 煤层气资源计算

基金项目: 国家科技重大专项课题 33 《煤层气富集规律研究及有利区块预测评价》 ( 项目编号:2011ZX05033) 下属 05 课题 《中国煤层气有利区块评价与勘探部署建议》( 课题编号: 2011ZX05033 － 005) 。

作者简介: 邓泽，1982 年生，男，工程师，山西运城人，2008 年获得中国石油 ( 大学) 地质工程硕士学位，主要从事煤层气地质评价与实验研究工作。E-mail: dengze@ petrochina. com. cn. Tel: ( 010) 69213353.

Uncertainty on Low Rank Coal Test and Resource Assessment-Case Study from Tuha basin，China

DENG Ze SUN Fenjin LI Guizhong CHEN Zhenhong GENG Meng LIU Ping YANG Yong ZENG Liangjun LIU Ping

( Research Institue of Petroleum Exploration and Development，Langfang Branch，PetroChina，Lan fany HeBei，065007，China)

Abstract: Low rank coal is more sensitive to drying and oxidation，which may influence the accuracy of test result such as proximate，isotherm adsorption，surface area test and so on，causing dramatic misunderstanding of CBM resource. To investigate the effect quantitatively，four low rank coal samples form Tuha Basin in China were air dried for 24 hours，7 days，15 days and 30 days respectively . The results revealed that: ( a) it is impossible to re-equillibrate back to the initial value when the low rank coal when moisture loss exceed the minimum value ( equilibrium moisture) ，causing the increase of in-situ gas content，in-situ density，decrease of surface area of coal and uncertainty of proximate and ultimate anaysis. ( b) resource would be overestimated for the longer time without protection procedure and desorption capacity would be underestimated because of higher adsorption capacity and lower saturation estimation. These results remind to use strict coal protection procedure in low rank coal sam- pling，preparation，and conservation，and carefully select data in resource assesment.

Keywords: Low rank; Drying; Oxidation; Resource Assesment

1 前言

目前我国的煤层气开发已经从试验阶段进入了小规模商业化生产阶段，但大部分勘探开发工作都集中在沁水盆地和鄂尔多斯东缘中高煤阶地区，低煤阶地区的勘探开发尚处于起步阶段。而低煤阶地区煤层厚度大、渗透性好、资源量大以及常规油气与煤层气共生的特点，加之美国粉河盆地、澳大利亚苏拉特盆地等国外低煤阶盆地成功的勘探开发经验，使得低煤阶煤层气发展前景更为广阔，有望成为我国煤层气下一步勘探开发重点^［1～4］。正确认识低煤阶煤储层特征和煤层气资源是低煤阶取得突破的前提和基础。由于低煤阶煤岩热演化程度低、水分含量高、易氧化等特点，采用常规测试流程可能导致有机质和矿物质氧化和过干燥，造成含气性与吸附能力偏离真实值，影响地质评价和煤层气资源计算^［5］。目前人们普遍意识到低煤阶煤岩测试的特殊性，但关于测试结果不确定性的研究却鲜有报道。因此，急需定量研究和评价氧化和过干燥作用对低煤阶煤岩含气性及吸附能力的影响，并以此为依据建立起严格的实验测试流程和规范，提高低煤阶煤岩测试准确性。

2 实验

2.1 实验方案

本次实验样品取自吐哈盆地沙尔湖地区某井的一个解吸样品，煤阶为褐煤(见表1)。待自然解吸完毕后，将该样缩分至5份，取其中1份作为参考样品(样品编号为CS3A－0h)，放置于实验室惰性气体干燥器中干燥，直到肉眼观测表面无自由水即可;其余4份分别在实验室环境进行空气干燥1天、7天、15天和30天(样品编号为CS3A－24h，CS3A－7d，CS3A－15d，CS3A－30d)，之后进行煤岩测试分析。通过对比测试结果，定量分析氧化和过干燥作用对含气量、密度、孔隙结构、发热量、吸附能力等关键参数的影响程度，为建立更加完善低煤阶煤岩测试流程和体系提供依据。

2.2 实验结果

(1)平衡水分Em(最高内在水分)

平衡水分Em(最高内在水分)是指在温度为30℃、相对湿度为96%的条件下，煤样与环境气氛达成平衡时所保持的内在水分，是将其他基准下的测试数据结果转化为原位基准(in－situ)的关键^［6，7］。低煤阶煤岩孔隙度大、水分含量高以及水分的散失和再平衡的非可逆性，决定了平衡水分测试的敏感性与不稳定性。如图1，平衡水分Em与干燥时间呈负相关关系，与参考样品相比，随着空气干燥时间的持续，平衡水分Em测试结果逐渐低于理论值，变化率即实验测试误差为5.07%～18.82%。

表 1 CS3A-0h 详细参数

* ad: 空气干燥基; daf: 干燥无灰基; mmmf: 含水无矿物基; in － situ: 原位基。

图 1 氧化和过干燥作用对最高内在水分的影响

(2)含气量

含气量数据是煤层气测试的核心数据之一，煤层气含气量的确定是通过对钻井取芯、绳索取芯煤样或录井煤屑的测试获得，测试方法具体可分为直接法和间接法两大类。本次测试采用美国矿务局提出的USBM直接法。氧化和过干燥作用影响含气量的不确定性主要体现在水分蒸发以及饱和最高内在水分共同作用下的煤样质量变化。从图2可以看出，空气干燥时间越长，空气干燥基与原位基含气量越大。原位基含气量变化率为1.36%～5.03%，呈先快后慢的变化趋势，说明空气干燥初期含气量变化大、误差增长快，因此合理控制初期干燥时间可有效提高数据准确度。

(3)真视密度

据测定方法不同，密度可分为视密度和真密度两种表示方法。测定视密度时体积包括内部毛细孔和裂隙体积，真密度则相反。实际工作中，视密度应用广泛，如计算煤和煤层气储量时就必须用到该参数。利用公式(1)可将空气干燥基密度转换为原位基密度。如图3所示，

图2 氧化和过干燥作用对不同基准含气量的影响

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

其中:ρ_in－situ为原位基密度，g/cm³;ρ_ad为空气干燥基密度，g/cm³;M_ad为空气干燥基水分;Em为平衡水分。

从图3可以看出，空气干燥时间越长，由于水分的持续蒸发，空气干燥基视密度不断减小，相反原位基视密度却呈现不断增大的趋势，这主要是由空气干燥基水分与平衡水分Em的差值增大不断增大引起的。原位基视密度变化率为1.70%～4.23%，呈对数增长趋势。

图3 氧化和过干燥作用对密度的影响

(4)原位资源量

采用体积法计算原位资源量，公式如下:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

其中:GIP为原位资源量，10⁸m³;A为面积，km²;h为煤层厚度，m; 为平均视密度，g/cm³; 为平均含气量，m³/t。

需要说明的是公式(2)的各参数应选择或换算为同一基准条件下的测试数据，如空气干燥基、干燥无灰基或原位基。为对比方便，本文均选择原位基数据参与计算。从图4可以看出，干燥氧化作用对低煤阶煤层气资源计算的影响较大，资源量变化率呈对数增长趋势。假设区块面积1000km²，煤层厚度20m，密度与含气量如上文，计算的资源量变化范围为3.1%～9.5%，其本质是密度和含气量不确定性的综合。

图4 氧化和过干燥作用对资源量的影响

(5)吸附特征

煤岩等温吸附线是评价吸附能力、吸附饱和度和临界解吸压力的基础，通常采用朗格谬尔模型表征，其主要影响因素包括煤质特征、显微组分、孔隙结构、温度、压力等。本文讨论的低煤阶煤岩过干燥和氧化作用主要是通过改变平衡水分含量和孔隙结构来影响煤岩吸附特征。图5所示，过干燥和氧化时间越长，吸附能力越大，变化率为12%～72%。与此对应的吸附饱和度减小，变化率为7%～22%;临界解吸压力降低，变化率为11%～22%。

图5 氧化和过干燥作用对吸附能力的影响

3 讨论

3.1 过干燥作用是影响低煤阶煤岩测试的主要因素，氧化作用次之

低煤阶煤岩在空气中暴露时间过长会发生氧化和过干燥作用，使得测试结果误差较大。其中过干燥作用是主要影响因素，氧化作用仅对元素分析结果有较大影响。低煤阶煤岩以中孔、大孔为主，大量的毛细孔能吸附和凝聚较高的水分，空气干燥时间越长，水分的蒸发越大，平衡水分测试值与理论值偏差越大，导致原位基含气量与密度测试结果均偏大，含气量计算结果过于乐观。

低煤阶煤岩易与空气中的氧发生反应，大量化学实验证实，煤与氧接触过程中，煤分子的非芳香结构首先被遭到破坏，非芳香结构主要有桥键和侧链，此外还有环烷烃和杂环类。根据有机化学理论对煤分子非芳香结构进行分析，得知环烷烃和杂环类化学性质稳定，不易在常温常压条件下与空气中的氧发生反应;侧链与桥键相比较，因桥键受到芳环和其他基团或结构的影响较大，一般情况下比侧链更易氧化。据此推测，氧化作用对低煤阶煤岩显微组分、发热量等参数影响较大，但关于氧化作用这一单因素的影响本次研究涉及不多，有待日后进一步深入研究。

3.2 平衡水分变化是影响其吸附能力的主要因素，孔隙结构次之

通常认为在不考虑其它因素的情况下，煤岩吸附能力与平衡水分含量成反比，与比表面积成正比。样品在干燥和氧化的过程中，孔隙中水分丢失和氧化反应的共同作用改变了煤岩孔隙结构与形态，使得比表面积不断降低，<10nm的微孔比例逐渐减小，平均孔径逐渐增大，孔体积则变化不大(表2和图6)。但二者综合，如图5a所示，煤岩吸附能力呈增大趋势，说明平衡水分的减小在此过程中起主导作用，孔隙结构的改变引起的比表面降低为次要因素。

表2 对比样品比表面测试结果

图6 氧化和过干燥作用对孔径分布的影响

4 结论

过干燥和氧化作用对低煤阶煤岩含气性及吸附能力影响较大，主要表现在:

(1)煤表面分子中非芳香结构的某些烷基侧链、桥键和含氧官能团容易与空气中的氧发生氧化放热，破坏了煤分子原生结构，使得煤岩煤质特征与孔隙特征发生变化。

(2)低阶煤样干燥时间越长，水分损失越大，导致原位基含气量和原位基密度计算结果偏大，资源量被高估。

(3)过干燥和氧化作用导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔、大孔比例相对变大，降低了煤岩吸附能力，但同时水分的减少又增强了煤岩吸附能力，二者综合效应使得煤岩吸附能力总体偏大，导致吸附饱和度与降压解吸前景被低估。

为提高低煤阶煤岩测试准确性，建议:

(1)对于低煤阶勘探的取心和测试的每一个过程，应建立严格的样品处理、制备和储存规范，坚决防止煤岩氧化和过干燥。

(2)进行低煤阶地质评价和煤层气资源计算时应全面了解煤岩测试的全过程，辨别数据真伪与可靠性，慎重取值。

参考文献

［1］钱凯，施振生，林世国，张光武.2009.中国煤层气的产业化进程与发展建议［J］.天然气地球科学，(06)

［2］王红岩，刘洪林，赵庆波等.2005.煤层气富集成藏规律［M］.北京:石油工业出版社

［3］叶欣，陈纯芳，姜文利，邓虎成，许春花.2009.我国低煤阶煤层气地质特征及最新进展［J］.煤炭科学技术，(08)

［4］赵庆波等.1999.煤层气地质与勘探开发技术.北京:石油工业出版社［M］

［5］ Diamond W P and Levine J R. 1981. Direct Method Determination of the Gas Content of Coal: Procedures and Re- sults. Report of Investigations 8515，United States Department of the Interior，Bureau of Mines，Washington，D. C. ，

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