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第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY the experiments results also show that the adsorption quantity of low-rank coal increased rapidly under 55℃ and 12 MPa, with the increase of temperature and pressure, the mathematical model for the process was established based on tempera- ture-pressure-coal rank; the adsorption quantity present the trend of fast increase-slowly increase-slowly decrease with the increase of buried depth. There exists a critical depth belt for adsorption quantity, ranging from 1 400 m to 1 700 m. At the depth less than 1 400 m, the positive effect of pressure for the adsorption quantity was greater than the negative effect of temperature, the adsorption quantity increased with the buried depth, reached the limit in the critical depth belt and increased no longer. The negative effect of temperature was greater than the positive effect of pressure at depth more than than 1 700 m, the adsorption quantity decreased with depth. The experimental results provided the theoretical basis for assessment of CBM resources and the development potential of deep low rank coal. Key words Junggar basin; deep coal seam; low-rank coal; gas content; adsorption quantity; affecting factor 据全国新一轮油气资源评价结果[1]，我国低阶煤层气资源量约为 161012 m3，占全国煤层气资源 ChaoXing 第 2 期 陈刚 准噶尔盆地彩南地区深层低阶煤吸附特征及其影响因素 51 总量的 45.7。根据预测，准噶尔盆地煤层埋深 1 2003 000 m 煤层气总资源量约 4.571012 m3。我 国多数大型油气盆地为油、气、煤共生盆地[2-3]，具 有常规油气与非常规油气合采的先例[4]。1992 年对 准噶尔盆地彩 17 井八道湾组煤层上段射孔， 随后用 原油压裂，加石英砂 10 m3，最高泵压 35 MPa，最 高日产气 9 890 m3，平均日产气 9 000 m3。2013 年 对彩 512 井西山窑组煤层采用活性水加 35 m3砂进 行压裂改造，试采 1 个月获自喷日产气 4 420 m3。 上述试采说明准噶尔盆地深层煤层气具有较大的开 发价值。而目前除了在鄂尔多斯盆地东北部中低阶 煤及准南阜康等局部煤矿区 1000 m 以浅取得工业 产量外，尚无低阶煤区块进入勘探开发阶段。究其 原因，现有 1 000 m 以浅煤层气井测试含气量普遍 低于 2 m3/t 是其未突破的关键[5-11]。 准噶尔盆地深层 煤层气研究很少，无煤层含气量评价参数，因此有 必要开展深层煤层含气性物理模拟研究，建立深层 低阶煤含气性预测模型。 1 样品与实验 1.1 实验方案 为了更真实准确反映深层温压条件下煤层气成 藏过程，而又受原位实验条件的限制，现有途径参 考地层条件开展物理模拟[12-15]。模拟实验选择准噶 尔盆地彩南地区，该区含煤面积 7 380 km2，西山窑 组煤层埋深介于 1 0003 500 m。根据研究区煤层埋 深范围，按照静水压力梯度折算，地层流体压力介 于 1035 MPa；平均地应力梯度 1.8 MPa/hm，地应 力为 1863 MPa；恒温带深度 50 m，彩南地区平均 地面温度 10 ℃，地温梯度约 2.4 /hm℃，煤层现今 温度约 3494 ℃。 基于上述对准噶尔盆地侏罗系煤层地质环境的 估算，设计温压条件下煤的等温吸附模拟实验温度 分别为 40 ℃、55 ℃、70 ℃、85 ℃和 100 ℃共 5 个 温度点，每个温度点依次测试 0.5 MPa、1.5 MPa、 2.5 MPa、4 MPa、6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、 19 MPa、23 MPa、26 MPa 和 30 MPa 共计 12 个压 力点，实验目的是研究煤对甲烷气体的吸附行为。 模拟实验采用美国 IS-300 型等温吸附仪， 在中国石 油勘探开发研究院廊坊分院天然气成藏与开发重点 实验室完成，经与实验人员沟通，受实验仪器的限 制最高温度为 96℃。实验过程按照 GB/T19560 2008煤的高压等温吸附试验方法进行。 1.2 样品信息 本次实验采集了彩南地区东部及南部矿区西山 窑组 7 组煤样，煤岩镜质体最大反射率介于 0.4 0.85，以低阶褐煤至气煤为主。样品基本性质见 表 1。 表 1 等温吸附实验样品参数表 Table 1 Parameters of samples for isothermal adsorption test 参数 采样矿点 Rmax / ω Mad/ ω Ad/ 呼图壁小西沟矿 0.85 1.69 7.69 玛纳斯天富煤业 0.78 1.59 6.85 米泉铁厂沟矿 0.67 2.51 7.25 阜康六运矿 0.65 2.24 9.67 吉木萨尔吉新矿 0.50 2.05 7.28 木垒老君庙矿 0.44 2.14 10.48 五彩湾天隆矿 0.40 2.14 11.39 2 温压条件下煤的吸附特征 实验结束后， 依据 Langmuir 等温吸附方程进行 数据处理，计算出 Langmuir 体积VL和 Langmuir 压力PL，拟合出等温吸附曲线[16]。上述 7 组样品 在温压条件下吸附模拟实验结果见表 2。从实验结 果看，实测数据基本符合 Langmuir 方程式。 表 2 煤等温吸附模拟实验 Langmuir 参数表 Table 2 Langmuir parameters for isothermal adsorption simulation test of coal 40℃ 55℃ 70℃ 85℃ 96℃ 样品矿点 VL/m3t–1 PL/MPa VL/m3t–1 PL /MPaVL/m3t–1PL/MPaVL/m3t–1PL/MPa VL/m3t–1PL/MPa 呼图壁小西沟矿 12.23 5.72 12.35 6.28 11.80 6.58 9.55 10.31 9.15 9.14 玛纳斯天富煤业 12.23 5.30 13.69 9.40 10.32 6.08 8.15 5.40 3.77 3.38 米泉铁厂沟矿 12.29 3.68 12.43 4.65 10.62 5.82 9.37 5.58 10.69 7.93 阜康六运矿 11.62 5.23 11.59 5.73 9.91 6.47 9.03 5.78 6.22 4.85 吉木萨尔吉新矿 4.08 4.34 4.02 4.59 4.14 6.57 3.94 8.23 3.04 5.44 木垒老君庙矿 3.96 4.41 3.74 4.58 3.69 6.02 3.85 6.12 2.84 6.04 五彩湾天隆矿 3.30 5.49 3.29 6.39 2.78 6.25 3.02 8.55 1.45 4.23 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 44 卷 2.1 Langmuir体积与煤阶的关系 Langmuir 体积与煤阶呈正相关关系[17]，同一温 度下，不同煤阶煤的吸附量随煤阶的增高而增大 图 1，最大 Langmuir 体积为 13.69 m3/t。当 Rmax0.5，煤的吸附能力显著增 强[18]，理论最大吸附量约是褐煤的 23 倍表 2） 。 图 1 同一温度不同煤阶等温吸附曲线以 70℃为例 Fig.1 Isothermal adsorption curves of various rank coal samples under same temperature70℃ 2.2 Langmuir体积与温压条件的关系 相同的煤样，在温度较低时吸附量大，随着温 度升高吸附量有减小的趋势。根据对比发现，随着 温度增加， 煤的吸附量逐渐降低， 其中当温度从 40℃ 升高至 55℃时煤的吸附量变化较小， 从 55℃升高至 96℃时煤的吸附量变化较大，说明在 55℃以下低阶 煤的吸附量随温度变化影响较小，主要受压力的控 制图 2、图 3。在相同温度下，当压力小于 12 MPa 时，吸附量随压力增加而增加较明显，当压力超过 12 MPa 时，吸附量随压力增加而增加较缓；当温 度超过 55℃时，温度对煤吸附量的影响开始逐渐 大于压力，而且随温度升高，吸附量降低较明显。 在等压条件下， 煤的甲烷吸附能力随温度升高呈线 性降低， 高温高压阶段温度升高引起的吸附量降低 更为显著。褐煤阶段，温度低于 70℃时吸附量随 温度的变化影响较小图 3，而超过 85℃时吸附量 随温度增加降低明显， 认为高温对褐煤吸附量的影 响大于压力的影响。 3 深层低阶煤吸附临界深度探讨 3.1 建立深层低阶煤饱和吸附模型 根据前述温压条件下煤岩吸附物理模拟实验， 拟合彩南地区深层低阶煤层饱和吸附气量预测模 型。根据模拟实验结果可知VL与 Rmax呈正线性相 关关系，与温度呈负指数关系；PL与 Rmax呈负指数关 系，与温度呈正指数关系[12,19]。 图 2 六运矿不同温压条件下煤等温吸附曲线 Fig.2 Isothermal adsorption curves of same rank coal under various pressure and temperature in Liuyun mine 图 3 天隆矿不同温压条件下煤等温吸附曲线 Fig.3 Isothermal adsorption curves of same rank coal under various pressure and temperature in Tlianlong mine ChaoXing 第 2 期 陈刚 准噶尔盆地彩南地区深层低阶煤吸附特征及其影响因素 53 综合煤阶、地温场、流体压力场等因素相关关 系，利用回归方法，建立了低阶煤 Langmuir 干燥无 灰基参数预测模型 （）（） Lmax 0.950.230.1936.56VRT- - 1 （）（） 2 Lmaxmax 0.60113.280.160.080PTRR- -- 2 将式1与式2代入 Langmuir 等温吸附模型， 建立了低阶煤饱和吸附气量预测模型 （）（） （）（） L L max 2 maxmax 0.950.230.1936.56 0.60113.280.160.080 - - -- PV V PP PRT PTRR 3 式中 P 为地层压力，MPa；PL为 Langmuir 压力， MPa；VL为 Langmuir 体积，m3/t；Rmax最大镜质体 反射率，；T 为地层温度，℃。 3.2 深层低阶煤饱和吸附临界深度 随着埋藏深度的增加煤层含气量如何变化根 据准噶尔盆地东部彩南地区煤层展布特征及深层低 阶煤饱和吸附模型，结合彩南地区地温梯度及压力 梯度关系式，换算成地层埋深并拟合出相应的埋深 值。从埋深与吸附量关系看图 4，低阶煤吸附量呈 现出随深度的增加先增加然后减小的趋势[20]。具体 为当煤层埋深浅于 1 400 m 时，煤吸附量随深度增 加快速增大，此阶段地层压力正效应大于温度负效 应。最大饱和吸附量所对应的深度区间为 1 400 1 700 m，即为“临界深度带”，在此深度范围内煤吸 附量随深度增加变化较小[13,21]。当煤层埋深超过 1 700 m 时，煤吸附量随深度增加而减小，温度负效 应大于压力正效应，即地层温度超过 55 ℃时，气 体分子变得异常活跃，突破了范德华力，使得一部 分吸附气体变成游离状态的气体，从而导致吸附气 量降低。 此外据低阶煤吸附量与煤层埋深关系来看， 在深层较高地层温度和地层压力条件下，煤岩热演 化程度对煤吸附性的影响相对较小，但褐煤阶段煤 吸附量明显低于气煤、肥煤等，显示煤化作用对煤 吸附能力的控制作用较明显。因此在分析评价深层 煤层含气性时不能简单采用浅部煤层含气梯度类推 深层煤层含气量，综合考虑煤阶、温度及地层压力， 参考式3进行评价深层低阶煤层含气量。 4 结 论 基于深层低阶煤高温高压等温吸附实验，建立 了煤阶-温度-压力条件下的饱和吸附模型，结合准 噶尔盆地彩南地区地温梯度及压力梯度，拟合饱和 吸附量与煤层埋藏深度关系式，取得了以下认识 a. 在相同温度条件下，低阶煤的吸附量随着压 图 4 准噶尔盆地低阶煤吸附量与煤层埋深关系 Fig.4 Relationship between adsorption quantity and depth of low rank coal in Junggar basin 力增加而增加；同时随着煤阶的升高煤岩吸附量显 著增加。褐煤的吸附能力最弱，长焰煤、气煤最大 吸附量约是褐煤的 23 倍。 b. 在煤阶相同条件下，温度较低时吸附量大， 随着温度升高吸附量有减小的趋势。长焰煤在 55℃ 以下、随着温度、压力增加吸附量快速增加，褐煤 随着温压的增加吸附量变化较小，85℃以上吸附量 随压力增加快速降低。此外，不同的样品表现为当 压力小于 12 MPa 时吸附量随压力增加而增加较快。 c. 低阶煤饱和吸附临界深度带介于 1 400 1 700 m，临界深度带以上，吸附量随深度增加而增 加，临界深度带内吸附量随深度增加处于最大饱和 吸附状态，临界深度带以下，吸附量随深度增加逐 渐减小。 参考文献 [1] 刘成林，朱杰，车长波，等. 新一轮全国煤层气资源评价方法 与结果[J]. 天然气工业，2009，2911130-132. 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