煤的吸附性能影響因素分析

摘要：本文通過對煤層氣的組分、形成原因分析了影響煤層氣吸附性能的因素，為下一步開發利用煤層氣資源、有效增加潔凈能源供給、改變目前不合理的能源結構提供了技術指導。關鍵詞：吸附態；煤；影響因素引言煤是一種復雜的高分子多孔材料，具有不同的組成成分和孔結構。在前人的工作中，已大量研究了溫度、壓力、煤級、顯微組分和水分含量等因素對煤吸附煤層氣的影響。但是，煤對煤層氣的吸附能力不僅依賴于煤的孔結構，煤的表面特性也影響其對CH4的吸附能力。因此，本文對煤層氣的組分和形成原因進行概述，分析了煤層氣吸附性能的影響因素，并對煤吸附性進行研究與應用展望。1煤層氣的組分和形成原因（1）煤層氣的組成。按煤層氣的存儲形式，可將煤層氣分為吸附狀態、自由狀態和溶解狀態。煤層氣的主要成分是CH4，其余為其它烴類氣體和CO2，包括煤化作用過程中生成的氣體：CH4、濕氣（C2H6、C3H8等）、N2、H2、H2S等。其中，CH4占93%，CO2占3%，濕氣占3%，N2占1%，煤層氣干燥系數占0.77～1.0。（2）煤層氣形成原因。煤層氣的成因具有明顯的階段性和復雜性，不同地區、不同地質背景煤層氣成因類型不同。結合近期完成的實際測試數據，提出了煤層氣成因分為4類：生物成因、熱成因、混合成因和無機成因。2煤層氣吸附性能的影響因素2.1煤級和煤體結構煤的變質程度直接影響著煤的結構及化學組成，并嚴重制約著煤的吸附能力。在一般情況下，煤對氣體吸附能力隨著煤階變化有兩種趨勢：吸附能力隨煤階的增加而增大；“U”型變化，即吸附量在高揮發分煙煤A階段附近存在一個最小值。鏡質體最大反射率在1.2%~4%時，吸附量隨著煤化程度增加而增加。2.2吸附膨脹應力和滲透率的關系煤吸附氣體必然會產生膨脹變形，煤粒變形向孔隙空間發展必然會受到有限空間的限制而產生一種力，即吸附膨脹應力。而煤的吸附能力越強，吸附的瓦斯越多，發生的膨脹變形越大，使滲透孔隙通道減小的越多。因此，尋找由吸附膨脹變形而滋生的吸附膨脹應力和滲透率的關系，也顯得十分重要。氣體在煤層中主要呈吸附態，其對煤的力學作用主要是吸附氣體引起的。吸附能使煤產生膨脹變形，在約束條件下產生膨脹應力，而煤粒接觸點處相當于單向受壓狀態，所以吸附膨脹應力與吸附膨脹變形服從Ｈｏｏｋｅ定律。2.3孔隙結構隨著煤體結構破壞程度的增強(原生結構煤–碎裂煤–碎粒煤–糜棱煤)，胡襄煤田煤樣中總孔體積先減小后增大，其孔隙率和總孔比表面積均呈高–低–高的變化規律，與總孔體積變化趨勢相一致。煤吸附氣體的過程中，在孔徑大小允許氣體分子通過的前提下，孔徑越小，孔隙內表面能疊加的表面勢能也越大，對氣體的吸附能力也就越大，氣體分子在多孔介質運移過程中，優先吸附在微孔，其后隨著流體壓力的增大，氣體分子在較大孔隙中吸附。因此，變質程度低的煤，煤層壓實、收縮尚不夠強烈，結構疏松，大孔含量高，微孔、過渡孔含量相對較低，飽和吸附量也相對較低；而隨著煤變質程度的增加，煤層經歷了劇烈的構造應力作用(碎粒煤、糜棱煤)，微孔、過渡孔含量明顯增高，隨之微孔比表面積也增加，吸附性測試結果(屬于焦煤)顯示，吸附在其孔隙表面的煤層氣含量也相對增大。2.4溫度游離氣越多，吸附氣就越少，吸附作用還和溫度有密切關系。實驗數據顯示：溫度每提高1℃，煤吸附瓦斯的能力減少約7%。因為溫度的增加，瓦斯的活性變高，使得煤體吸附困難，與此同時甲烷分子獲取了能動性，從而離開煤體表面。2.5有機顯微組分由各樣品顯微組分與吸附能力關系來看，煤的吸附能力與煤中鏡質組和惰質組含量總和呈一定正相關，隨著二者組分含量的增加，煤的吸附能力逐漸增強。研究表明，煤變質程度對煤吸附能力影響較大，而煤顯微組分的含量又隨煤變質程度變化而變化，為分析鏡質組與惰質組含量對煤吸附能力的影響，必須排除煤變質程度對二者的干擾，故分別做出其隨煤變質程度變化的關系。隨煤變質程度的增高，煤中鏡質組與惰質組含量呈階段性變化，在Ｒo＜2．0%時，煤的吸附能力隨鏡質組含量升高而變大，隨惰質組含量升高而變小，且隨著Ｒo的增大變化速率逐漸減小，曲線斜率降低;當Ｒo＞2．0%時，鏡質組含量持續升高，惰質組含量變化趨于平穩，吸附能力與鏡質組相關性降低，表現出與惰質組的較好相關性。中低煤變質階段，煤的吸附能力隨鏡質組含量增高而增強的規律較為明顯，二者總是分別在同時取到高值和低值，說明鏡質組在該階段對煤的吸附能力影響較大，這是由于隨著鏡質組含量增加，儲層內微孔體積變大，而煤中以甲烷為主的氣體優先吸附于孔徑較小的孔隙中導致。隨著煤變質程度的增高，其吸附能力與惰質組含量的相關性變大，蘭氏體積隨惰質組含量增加而增大，這一現象與惰質組中絲質體的含量有關。絲質體是由植物的根莖葉經絲炭化作用而形成，其內多保存了植物細胞孔，可作為氣體吸附空間，且親甲烷能力強于鏡質組，當含量較低時對煤的吸附能力影響不明顯，隨著煤變質程度升高，絲質體含量上升，進而導致煤吸附能力增強。上述分析表明，隨著煤變質程度的增高，孔隙度、微孔體積與比表面積均呈現U型變化，鏡質組含量升高，惰質組含量下降，孔隙形態也發生了一些變化。當煤變質程度較低時，孔隙度與比表面積較大，氣體吸附空間較大，但由于該階段儲層內氣體主要以游離態賦存于大中孔之中，易于擴散，且孔隙形態以開放性連通孔為主，使得其吸附能力較低;隨著煤變質程度的增高，孔吸度與比表面積有所下降，但在該階段微孔所占比例上升，鏡質組含量升高，惰質組中絲質體含量亦有所上升，并伴隨有墨水瓶孔的出現，使得煤樣吸附能力變強，蘭氏體積變大;到達高變質程度階段，煤樣孔隙與比表面積變大，微孔體積增加，惰質組含量升高，在中等變質程度出現的墨水瓶孔成為主要孔隙類型，進而導致蘭氏體積變大，吸附能力增強。3煤吸附性研究與應用展望煤的吸附性研究現在主要集中在對氣體分子如CH4、CO2、N2、O2，水分、一些伴生礦物和重金屬離子，而研究目的也主要集中在了煤炭開采危險性、煤炭自燃危險性及風化速度、煤炭燃燒值降低和運輸成本升高問題、煤炭燃燒后的污染，其他方面的研究相對較少。盡管煤的吸附性能與非金屬礦物如沸石、膨潤土、麥飯石等相比還有很多不足，并且吸附性能與煤的種類及煤階高低、產地等因素有很大關系，但我們相信將來對于煤吸附性的研究會擴展到表面活化與鈍化、煤吸附有害物質、煤中有害物質的分離等方面。總之煤的吸附性是煤各種特性中尚未完全開發利用的領域，必將成為未來研究的重要課題之一。結語煤的吸附能力作為影響煤層含氣量的關鍵因素之一，直接影響到煤層氣井的產能。對于煤吸附特征及其影響因素的研究，國內外研究者從煤階角度對煤吸附能力進行了研究，認為煤階是控制煤吸附能力的主要因素之一，但對其余因素均有不同見解。所以，對比同一盆地不同變質程度煤吸附能力控制因素及差異，對整合煤層氣富集機制具有重要的科學意義和實踐意義，而且對指導不同煤階煤層氣藏勘探開發理念也有十分重要的意義。參考文獻[1]鐘玲文.煤的吸附