煤中残余气含量及其影响因素

2005/10/14 11:19:02

摘要：煤中残余气是煤层气的一个组成部分，其含量直接影响到煤层气含量和煤的含气饱和度。本文对不同地区、各种煤级的近100个煤心煤样的残余气含量测试结果进行了综合分析研究，找出了煤中残余气含量的分布变化规律，探讨了其影响因素。结果表明：不同煤的残余气含量不相同，变化范围为0～3 m³/t；残余气在煤层气中占的比例变化很大，为1.5%～30.0%；残余气含量的高低受煤级、灰分和煤样粒度等因素影响，煤级和灰分越高，残余气含量亦越高。
关键词：煤　残余气含量　煤级　灰分
中国图书资料分类法分类号：P618.11

Residual Gas In Coals And Control Factors

Zhang Qun　Yang Xilu
(Xian Branch of China Coal Research Institute)

Abstract　Residual gas is one part of coalbed gas and has an impact on gas saturation in coal.This paper has analyzed and researched residual gas,proximate analysis and coal petrology measurements of approximat 100 coal core samples with different rank and from, different places.It has been concluded that residual gas contents in coals are different with wide range from 0 to 3 m³/t.The ratios of residual gas content to coalbed gas content are greatly variable from 1.5% to 30.0% .Residual gas content is controlled by coal rank,ash content,coal core size and so on.It is directly proportional to coal rank and ash content.
Keywords　coal;residual gas content;coal rand;ash constituent

1　引言
　　煤层气含量是评价煤层气储层特征的重要参数之一，是决定一个地区煤层气资源能否进行商业化勘探开发的先决条件。根据目前煤层气勘探中常用的取心方式，煤层气含量为损失气、解吸气和残余气含量三部分之和。关于煤层气含量，国内的工作主要着重于损失气和解吸气，而对不同煤残余气含量分布规律的研究工作开展很少。据美国报道的许多实例(GRI，1996)，残余气含量在煤层气含量中占有重要的比例，影响煤的含气饱和度，因此分析和研究残余气具有重要的意义。本文通过对采自不同地区、各种煤级近100个煤心煤样的残余气含量测试结果进行综合分析研究，找出了煤中残余气含量的分布变化规律，探讨了其影响因素。这项工作对于煤层气资源评价和实验室相关试验结果的质量评价具有一定的实用价值。
2　试验方法
　　残余气含量是指煤样在解吸罐中的常规解吸试验结束之后仍然残留在煤中的那一部分煤层气的含量。本文采用的煤层气含量测试方法是参照美国天然气研究所推荐的方法(GRI，1995)，与我国早年使用的煤矿瓦斯含量测试方法区别很大。残余气含量测试方法是：在解吸试验结束之后，选择有代表性的煤样400～500 g，装入球磨罐中密封，破碎到0.2464 mm(60目)以下。然后将球磨罐放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔，反复进行气体解吸，记录量筒中解吸出的气体体积，以及相应的大气温度、压力和解吸时间。当连续7天解吸的气体量平均小于或等于10 ml／d，则残余气测试工作结束。
　　同时，对煤样进行工业分析和镜质组反射率测定。
3　结果与讨论
　　95个煤心煤样的各种测试综合结果见表1。

表1　残余气含量、工业分析和煤岩测试综合结果

样品编号	样品数量	水分 M_ad/%	灰分 A_d/%	镜质组反射率 R_max%	残余气含量／m^3．t^-1		煤层气含量／m^3．t^-1
样品编号	样品数量	水分 M_ad/%	灰分 A_d/%	镜质组反射率 R_max%	G_r，ad	G_r，daf	G_ad	G_daf
1～12	12	3.52～5.12	11.36～30.20	0.56～0.60	0.15～0.71	0.18～1.08	2.65～6.95	4.53～8.90
13～23	11			0.85～0.98	0.18～0.28		2.05～3.69
24～35	12	1.00～1.96	7.38～34.00	0.88～0.91	0.8～1.48	1.10～1.93	3.82～9.49	6.77～10.61
36～43	12	0.50～0.70	6.84～32.20	1.46～1.70	0.75～1.40	1.19～1.56	8.86～13.25	10.44～14.92
44～48	5	0.50～0.70	6.84～32.20	1.95～2.09	1.36～2.09	1.50～2.46	9.06～9.62	10.10～11.45
49～51	3	1.10～1.18	9.91～11.40	2.14～2.25	0.76～1.09	0.90～1.25	6.38～12.02	7.54～13.74
52～58	7	1.02～1.19	6.41～21.10	2.06～2.09	1.73～2.32	1.93～2.54	5.96～9.29	6.66～10.11
59～76	18	0.76～0.94	7.39～24.30	2.21～2.23	0.60～1.11	0.69～1.38	8.16～11.88	10.59～13.88
77～79	3	0.48～0.55	21.5～38.6	2.12	1.13～1.51	1.45～2.48	12.63～13.06	16.76～20.72
80～95	16	0.48～1.16	8.71～38.60	2.12～3.01	1.13～2.55	1.45～2.48	12.63～21.85	16.76～25.30

3.1　煤中残余气含量与煤层气含量之间关系
　　由表1和图1可见，不同煤的残余气含量不相同，变化范围为0～3 m³／t。随着煤层气含量增加，残余气含量增高，两者呈正相关关系，相关系数r为0.790。残余气含量在煤层气含量中所占的比例，不同的煤变化很大，(图2)为1.5%～30.0%，但总体变化趋势是，在煤层气含量低的煤中，残余气占的百分含量较高，反之则较低。

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图1　残余气与煤层气含量的关系

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图2　残余气在煤层气含量中的比例

3.2　影响煤中残余气含量的地质因素
　　相关分析结果认为，煤中残余气含量大小受煤级、灰分和煤心尺度等因素影响，具体情况如下：
3.2.1　残余气含量与镜质组反射率之间的关系
　　图3显示，残余气含量随着煤的镜质组反射率增大而增高，两者呈良好的正相关关系，相关系数r为0.782，表明残余气含量受煤级影响，随着煤级增加，残余气含量增高。

图3　残余气含量与镜质组反射率的关系

　　根据Walker和Kini以及Gan等(1972)对煤的孔隙结构和比表面积研究结果，(图4和图5)笔者认为，煤中残余气含量与煤级之间存在的这种正相关关系主要是由于煤级增加导致煤的孔隙结构和比表面积发生相应变化产生的结果。煤是具有基质孔隙和裂隙的双重孔隙介质，煤层气主要以吸附状态赋存于煤基质孔隙中，以扩散方式在其中运移。低煤级煤，虽然比表面积大，但以大孔隙(＞30 nm)为主，气体在煤基质中运移受到的扩散阻力较小，容易从煤中解吸出来，因而残余气含量低。随着煤级的增加，煤中微孔隙(＜ 1 nm)数量增多，在孔隙中逐渐占主导地位，煤的比表面积增大，吸附储集气体的能力增加，但气体在煤基质中运移受到扩散阻力越来越大。随着常规解吸试验的进行，煤基质中气体浓度逐渐减小，产生扩散的驱动力——浓度梯度亦随之减小，越来越多的气体难以克服微孔隙产生的扩散阻力，不能从煤中解吸出来。因而随着煤级的增加，煤中的残余气含量逐渐增高。

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图4　煤的比表面积与碳含量的关系
(据Walker和Kini，1965)

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图5　煤中大孔隙和微孔隙相对含量与碳含量的关系
(据Gan等，1972)

3.2.2　煤中残余气含量与灰分之间的关系
　　图6表明，随着煤中灰分的增加，残余气含量逐渐增高，两者呈较好的正相关关系。相关程度随地点和煤级不同有所差异，在镜质组反射率为0.58%和2.20%的煤中，其相关系数分别为0.855和0.765。这些关系说明，煤中残余气含量不仅受煤级控制，也受煤中灰分影响。通过煤岩学和扫描电子显微镜研究，初步认为，这是因为煤中存在的细小矿物如粘土矿物等充填在煤的孔隙中，不同程度地阻碍了气体的运移通道，使气体在煤中扩散运移的能力减弱，不利于气体从煤中解吸出来所致。

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图6　残余气含量与灰分的关系

3.2.3　煤心煤样的尺度大小对煤中残余气含量的影响
　　在大量的解吸试验工作中发现，当煤心煤样破碎呈碎粒状或粉状时，煤的残余气含量都很低；而柱状或块状的煤心煤样，残余气含量明显较高。不论煤的煤级高低或煤层气含量高低，这一现象普遍存在，说明煤心煤样的尺度大小对残余气含量有一定影响。当煤样破碎呈粒状或粉状时，气体在煤中的扩散距离缩短，扩散阻力减小，使得在柱状和块状煤样情况下不能解吸出来的一些气体解吸出来，因而破碎呈粒状或粉状的煤样中残余气含量普遍较低。
　　另外，煤的显微组分组成对煤的残余气含量也可能有一定的影响，因为不同的显微组分，孔隙结构不同，扩散系数亦有差异。
4　结论
　　通过上述分析研究，获得如下结论：
　　a.　不同煤的残余气含量不相同，变化范围为0～3 m³/t。残余气在煤层气中占的比例变化很大，为1.5%～30.0%。
　　b.　煤中残余气含量的高低受煤级、灰分和煤心尺度等因素影响。煤级和灰分越高，残余气含量亦越高。
　　本文编写得到煤炭科学研究总院西安分院煤层气中心实验研究室和评价室的大力支持，在此深表谢意。

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