煤储层的吸附特征实验综合分析

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.01.001 第25卷第4期 北京科技大学学报 Vol.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 煤储层的吸附特征实验综合分析 马东民 西安科技大学地质与环境工程系，西安710054 摘要对我国不同地区、不同煤盆、不同变质程度煤的等温吸附实验进行综合分析结果表 明，煤的吸附性能受到煤的变质程度、储层温度、储层压力以及煤中水分类型及水分含量等 多方面因素的影响，实践证明实验结果接近现实·本实验获得的参数对煤层气资源的选区、 勘探、开发提供重要依据 关键词煤煤层气；吸附能力：影响因素 分类号P968 赋存状态有三种：吸附态、游离态、溶解态 煤的吸附能力是随着煤化作用的增加而增 饱含水的煤储层在不同温度、压力、含盐度条件 大.不同变质程度煤在45℃时的等温吸附曲线见 下，其溶解度符合亨利定律；煤储层中游离态的 图1，成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其 煤层气符合气体状态方程；而煤储层中吸附态的 它各变质阶段的煤，长焰煤至肥煤3个煤阶吸附 煤层气占煤层气总量的95%以上，赋存机理十分 量增加缓慢，焦煤之后，煤的吸附量开始快速增 复杂，前人对煤的吸附能力研究主要建立在单因 加，无烟煤2号的吸附能力最强， 素（煤变质程度、煤岩组分等）影响的实验分析基 14.3% 础之上，但是由于实验条件与原地煤储层状态差 异很大，因此不适应煤层气勘探开发的需要.含 0 气量作为煤层气资源选区评价、勘探开发需要的 20 首要参数，受煤的吸附性能所制约，对煤的吸附 2 ........ 特征进行深入研究就显得尤其重要.煤层气资 源评价和开发工作需要获得一套能适应煤层气 10 开发需要的参数，本文采用来源于中国不同煤田 7-1.1% …-…8—1.0% —=—90.8% (晋城、阳泉、新集、抚顺、恩洪等勘探区)、不同 9-100.0% 1 变质程度（褐煤M至无烟煤2号WYM-Ⅱ）的 2 4 6 8 10 100个煤样，完成了等温吸附实验，尝试对煤吸 P/MPa 附能力的影响因素进行分析，进一步拓深煤层气 图1不同变质程度（亿）煤在45℃时的等温吸附曲线 形成、赋存、运移理论. Fig.1 Equi-temperature adsorbing curves of coal under different metamorphoses (R)at 45'C 1煤阶对吸附能力的影响 2储层温度对吸附能力的影响 煤对甲烷的吸附是一种发生在煤孔隙内表 面上的物理过程，吸附能力受孔隙特征的影响. 不同煤阶煤的吸附常数平均值见表1，等温 在煤变质过程中，孔隙发生着变化，影响着煤的 吸附实验一般采用的温度是30℃或煤储层温度. 吸附能力4”. 选择了两个具有代表性的煤样（其中A煤样R 为0.88%，B煤样R为2.69%)，分别在25℃， 收稿日期2002-12-24马东民男，35岁，副教授，博士 ★国家“973”科技攻关项目No.2002CD211708) 35℃，45℃和50℃条件下进行等温吸附实验，结

第 2 5 卷 第 4 期 2 003 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n vi e r s yit o f s e i e n ec a n d l七c h n o ol yg B e ij ni g M 】1 . 2 5 N 0 . 4 A u g . 2 0 03 煤储层 的吸附特征 实验综合分析 马 东民 西安科 技 大学 地质 与环境 工程 系 , 西 安 7 10 0 54 摘 要 对 我 国不 同地 区 、 不 同煤 盆 、 不 同变质 程度 煤的等 温 吸附 实验 进行 综合 分 析 . 结果 表 明 , 煤 的 吸附 性能 受 到煤 的变 质程 度 、 储层 温 度 、 储 层 压力 以及 煤 中水 分类 型 及水 分含 量 等 多方 面 因素 的影 响 , 实践 证 明实 验结 果接 近现 实 . 本 实验 获得 的参 数 对煤 层气 资源 的选 区 、 勘 探 、 开发 提供 重 要依 据 . 关键 词 煤; 煤 层 气 ; 吸 附能 力 : 影 响 因素 分类 号 P 9 6 8 赋 存 状 态有 三 种 : 吸 附态 、 游 离态 、 溶解态 . 饱 含 水 的煤储 层 在 不 同温度 、 压力 、 含 盐度 条 件 下 , 其 溶 解度 符 合 亨 利定 律 ; 煤储 层 中游 离态 的 煤层 气 符合 气体状 态方 程 ; 而 煤储 层 中 吸 附态 的 煤层 气 占煤层气 总量 的 95 % 以上 , 赋 存机理 十分 复 杂 . 前人 对煤 的吸 附能 力研 究 主要 建立 在 单 因 素 ( 煤变质 程度 、 煤岩 组分 等 ) 影 响 的实验 分 析基 础 之上 , 但 是 由于实验 条 件与 原 地煤储层 状态差 异 很 大 , 因此 不适 应 煤 层气勘 探 开 发 的需 要 . 含 气 量作 为 煤层 气 资源 选 区评价 、 勘探 开 发需 要 的 首 要 参 数 , 受 煤 的 吸 附性 能所 制 约 , 对 煤 的吸 附 特 征进 行 深入 研究就 显得 尤其 重 要” , 21 . 煤层 气 资 源 评 价 和 开 发 工 作 需 要获 得 一 套 能 适 应 煤层气 开发 需要 的参 数 , 本 文采用 来源 于 中 国不 同煤 田 ( 晋 城 、 阳泉 、 新 集 、 抚 顺 、 恩 洪等 勘 探 区 ) 、 不 同 变 质 程 度 ( 褐 煤 1」M 至无 烟 煤 2 号 W丫 M 一 11) 的 10 个 煤样 , 完成 了等温吸 附实验 `3 , , 尝 试对 煤吸 附能 力 的影 响 因素进行 分析 , 进 一步 拓深 煤层 气 形成 、 赋 存 、 运 移 理论 . 煤 的 吸 附能 力是 随 着煤 化 作 用 的增 加 而 增 大 . 不 同变质 程度煤在 45 ℃ 时 的等 温吸 附 曲线见 图 1 . 成 岩 作用 阶 段 褐煤 的吸 附 能 力 明显 低 于其 它各 变 质 阶段 的煤 , 长 焰 煤至 肥煤 3 个 煤阶 吸 附 量增 加 缓 慢 , 焦煤之 后 , 煤 的吸 附量 开始 快速增 加 , 无 烟 煤 2 号 的吸 附能力最 强 . 矛 , 尹 一 一一 一 ~ 一 今 / 一 也二二扭二 多 , J 二 ` 洲, 犷声 , 碑 尸 - . ù . ;护 ǎ 下m己、咧普督钟日 %.081/ ~ ~ 叫卜- , 7一1 . . … , . 8一1 . 9一刀 0一刃 0 。 昌一一一一一一一` - 一- , - ` 一 一 ~ 0 2 4 6 8 1一0 月M P a 图 1 不 同变质程 度 (R . 习煤在 4 5 ℃ 时 的等 温 吸附 曲线 F 啥 . 1 E q u i- t e m P e r a t u re a ds o r b i n g c u vr es o f c o a l u n d e r d i们re re n t m d a m o r P h o s e s (R 。刁 a t 4 5 oC 1 煤 阶对 吸 附 能 力 的影响 煤对 甲烷 的吸 附 是 一 种发 生 在 煤孔 隙 内表 面 上 的物 理 过程 , 吸 附能 力受 孔 隙特 征 的影 响 . 在 煤 变质 过 程 中 , 孔 隙 发 生着变 化 , 影 响着 煤的 吸 附 能 力阳, . 收 稿 日期 2 0 -2 12一4 马东 民 男 , 35 岁 , 副 教授 , 博 士 * 国家 ’, 9 7 3 ,, 科技攻 关项 目困 o . 2 0 0 2 C D 2 11 70 8 ) 2 储层 温 度对 吸 附能 力 的 影响 不 同煤阶 煤 的 吸 附常 数 平均 值见 表 1 . 等 温 吸 附实验一 般 采用 的温度 是 30 ℃ 或 煤储层温度 . 选择 了两 个 具 有代 表 性 的煤样 ( 其中 A 煤样天~ 为 0 . 8 8 % , B 煤样 R~ 为 .2 69 % ) , 分 别 在 25 ℃ , 35 ℃ , 45 ℃ 和 50 ℃ 条 件 下进 行 等温 吸 附实验 , 结 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 04. 001

·292· 北京科技大学学报 2003年第4期 表1不同煤阶煤的吸附常数平均值(T=30℃，含平衡 生产问题，进行了大量的吸附实验，但是不能准 水分) 确地反映原地煤储层的真实情况，列.本次实验把 Table I Average values of the adsorbing constant of coal 制备好的煤样首先进行平衡水分处理，将湿度平 under different metamorphoses 衡样装入吸附罐中在储层温度条件下进行吸附 煤阶 Langmuir体积/cm3g压力MPa样品数 实验.平衡后湿度保持在0.44%~8.14%.结果发 褐煤 12.17 8.31 6 长焰煤 6.39 现，煤样的平衡水分与煤变质程度有关，褐煤的 17.22 26 气煤 17.66 3.63 o 平衡水分含量最高，从褐煤、长焰煤至焦煤阶段， 肥煤 18.43 3.47 10 煤的平衡水分随变质程度增加而减少，瘦煤至无 焦煤 21.45 2.12 烟煤2号阶段煤的平衡水分随着煤变质程度增 瘦煤 25.27 1.62 高而增大，这种变化趋势和煤分析基水分与煤变 贫煤 28.33 1.98 10 质程度的关系相同.湿度平衡后煤样的总水分含 无烟煤3号 40.92 2.55 量为分析基水分加上平衡水分（如图3所示），吸 无烟煤2号 43.49 2.51 7 附实验样的总水分含量为1.2%~17%. 果见图2.可以看出：P<8MPa不同温度下煤的吸 。总水分 附能力有变化.随着温度的升高，煤对甲烷的吸 16 ·水分 附量呈规律性降低；当P≥8MPa吸附性能相当接 12 近，这为预测深部煤层吸附气含量提供了实验基 础.应用Langmuir方程，根据不同温度下获得的 Langmuir体积和Langmuir压力，分别计算2MPa, 作 8MPa,12MPa,20MPa压力下的吸附量，建立压 力、温度与吸附量的关系，利用线性回归方法可 0.1 1.0 10.0 以得到温度一吸附量的经验公式 Rma/%o 图3吸附试验煤样的分析基水分、总水分与R关系 六30 (a) ◆ Fig.3 Relation of analyzing moisture and total moisture 20 with R of coal used adsorbing testing 25℃ -0-35℃ 10 可以看出：煤样在吸附CH前孔隙中已吸附 或凝聚了1.2%~17%的水分，水分占据了煤中 孔隙，降低了煤吸附CH的能力.干燥煤样中不 P/MPa 含水分，煤中孔隙完全吸附的是CH. 30 (b) 在低煤化阶段，煤分子结构单元上的极性基 ◆25℃ 团较多，具有亲水性而且煤中总水分含量高.褐 20 -0-35℃ 煤、气煤水分最高（达1699%），长焰煤次之 闻 这溢二早远为 …k…45℃ 10 -50℃ (439%~8.85%),气煤(1.57%12.9%)，水分含 量高就降低了煤对CH的吸附量，这就是煤化作 0 6 用越低（中低变质煤阶段）吸附量越小的原因之 P/MPa 一.而中变质煤（肥煤、焦煤、瘦煤）的有机结构中 图2A煤(a)和B煤(b)不同温度下的等温吸附实验曲线 含有较多的稠环结构（聚六碳环），这种含氢较多 Fig.2 Adsorbing curves of coal A (a)and coal B(b)at dif- 的稠环结构具有憎水性，因而煤中总水分含量明 ferent temperatures 显偏低(1.34%~4.36%).水分含量低，煤的吸附 量相对于分析基降低的幅度小 3储层水分对吸附能力的影响 煤的内表面上可供甲烷气体分子“滞留”的 煤层气勘探开发以前，为了解决煤矿的安全 有效吸附点位是一定的，煤中水分越高，可能占

北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 3年 第 4期 表 1 不 同煤 阶煤 的 吸附 常数 平均 值 ( T = 30 ℃ , 含 平衡 水 分 ) aT b l e 1 vA e ar g e v a l u e s o f ht e a d s o br in g c o n s t a n t o f e o a l u n d e r d i们er er n t m e t a m o r P h o s e s 煤 阶 L an gm iu r 体积 c/ m , · g 一 , 压 力 /M p a 样 品数 褐 煤 12 . 1 7 8 . 3 1 6 长焰 煤 17 . 2 2 6 . 3 9 2 6 气 煤 17 . 6 6 3 . 6 3 19 肥 煤 1 8 . 4 3 3 . 4 7 10 焦 煤 2 1 . 4 5 2 . 12 14 瘦 煤 2 5 . 2 7 1 . 6 2 4 贫 煤 28 . 33 1 . 9 8 1 0 无烟 煤 3 号 4 0 , 9 2 2 . 5 5 4 无 烟 煤2 号 4 3 . 4 9 2 . 5 1 7 生 产 问题 , 进 行 了大 量 的吸 附 实验 , 但 是不 能准 确 地反 映 原地 煤储 层 的真 实 情况 `氏 ” . 本次 实验 把 制 备好 的煤 样 首先 进 行平 衡 水分 处 理 , 将湿 度 平 衡 样装 入 吸 附罐 中在 储 层 温度 条 件 下 进 行 吸 附 实验 . 平 衡 后湿 度 保 持在 .0 4 % 一 8 . 14 % . 结 果 发 现 , 煤样 的平衡 水 分 与煤变 质 程度 有 关 . 褐 煤 的 平 衡 水分 含 量最 高 , 从 褐煤 、 长 焰煤至 焦煤阶 段 , 煤 的平衡 水 分 随变 质程 度增 加 而减 少 , 瘦 煤至无 烟 煤 2 号 阶 段 煤 的平 衡 水 分 随 着煤 变质 程 度 增 高 而 增大 , 这种 变化 趋 势和 煤分 析 基 水分 与 煤变 质 程度 的关 系相 同 . 湿 度平 衡后 煤样 的 总水 分含 量 为 分析 基 水 分加 上 平衡 水 分 ( 如 图 3 所 示 ) , 吸 附实 验样 的总 水 分含 量 为 1 . 2 % 一 17 % . ` 总水分 · 水分 德 , 1 0 . 0 .A · " 夺 户 . 姗龙崎 `今`曰n ó 盛ú心愧r L冲闷 t姿气 . 叨式气: 勺- - 令 芝咧如众书 果 见 图 2 . 可 以看 出 : 尸< S M P a 不 同温度 下煤 的吸 附能力 有 变化 . 随着温度 的升 高 , 煤对 甲烷 的 吸 附量 呈 规律性 降低 ; 当尸全 S MaP 吸 附性 能相 当接 近 , 这 为预 测 深部 煤层 吸 附气 含 量提 供 了实 验基 础 . 应 用 L an g m u l r 方 程 , 根 据 不 同温度 下 获 得 的 L an g m u i r 体 积 和 L a n g m u i r 压 力 , 分 别 计算 2 M P礼 S M P a , 12 M P a , 2 0 M P a 压力 下 的 吸 附量 , 建立 压 力 、 温度 与 吸 附量 的 关系 , 利 用线 性 回归 方法 可 以得 到温度 一吸 附量 的经 验 公 式 . O 0 _ (a) 产下 R m . /% 图 3 吸附试 验煤 样 的分 析 基水 分 、 总 水 分 与R~ 关 系 F ig · 3 R e la iOt n o f a n a lyZ in g m o is tU er a n d t o t a l m o is ut er w i t h R 。 。 o f e o a l u s e d a d s o r bi n g t e s t in g 0 2 4 6 8 卿M P a 图 Z A 煤 (a) 和 B 煤 ( b )不 同温度 下 的等温 吸 附实验 曲线 F ig · 2 A d s o r b in g c u vr e s o f e o a l A ( a ) a n d c o a l B 伪) a t d i -f fe er n t t e m P e r a tU er s 户下 3 储层 水分 对 吸 附 能 力 的影 响 煤层气 勘 探 开发 以前 , 为 了解 决煤 矿 的安 全 可 以看 出 : 煤样 在 吸 附 C 凡 前孔 隙 中 已 吸 附 或 凝 聚 了 1 . 2 % 一 17 % 的水 分 , 水 分 占据 了煤 中 孔 隙 , 降低 了煤 吸 附 C凡 的能 力 . 干 燥 煤样 中不 含 水 分 , 煤 中孔 隙完 全 吸 附 的是 C凡 . 在 低 煤化 阶 段 , 煤 分 子结 构 单元 上 的极性 基 团较多 , 具 有 亲 水性 而 且 煤中 总水 分 含 量 高 . 褐 煤 、 气 煤 水 分 最 高 ( 达 16 .9 9 % ) , 长 焰 煤 次 之 (4 . 3 9 % 一 8 . 8 5 % ) , 气 煤 ( 1 . 5 7 % 一 1 2 . 9 % ) , 水 分 含 量 高就 降低 了煤对 C 玩 的吸 附量 . 这 就 是煤 化 作 用越低 ( 中低 变质 煤阶 段 ) 吸 附量 越 小 的原 因之 一 而 中变质 煤 (肥煤 、 焦 煤 、 瘦 煤 ) 的有 机 结构 中 含有 较 多 的稠环 结 构 ( 聚六 碳 环 ) , 这种 含氢 较 多 的稠 环 结构 具 有憎 水 性 , 因而煤 中总水 分含 量 明 显偏低 l( . 3 4 % 一 .4 3 6 % ) . 水分 含 量低 , 煤 的吸 附 量相 对 于 分析基 降低 的 幅度 小 . 煤 的 内表 面 上可 供 甲烷气 体 分 子 “ 滞 留 ” 的 有 效吸 附点位 是一 定 的 , 煤 中水 分越 高 , 可 能 占

VoL.25 No.4 马东民：煤储层的吸附特征实验综合分析 ·293· 据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子 开始产气量很小，产气高峰也来的晚：当储层压 “滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就 力小于20MPa之后吸附气才开始较多地解吸出 会降低.因而随着煤基质水分的增加，Langmuri 来.这就是目前技术条件下的煤层气开采深度主 体积呈减小趋势， 要集中在小于2km的浅煤层的原因. 4储层压力对吸附能力的影响 5结论 煤的等温吸附曲线及在不同压力下吸附量 本实验模拟地下储层条件，即在储层温度下 的统计结果表明：煤对甲烷的吸附量受压力控 对含平衡水分的煤样进行实验，其结果也更接近 制，随着压力增大而变大.当压力为0.5MPa时， 实际情况.尽可能结合我国煤层气勘探开发的现 其吸附量为Langmuir体积的10%~23%；在小于 实，实验对象涵盖了我国不同地区、不同时代采 10MPa压力条件下吸附气占总吸附量的55%~ 自不同煤盆地不同变质程度的煤，通过系统、全 85%:压力大于10MPa时随着压力增大吸附量的 面的实验研究表明： 增量已很小. (1)煤层气以吸附、游离和水溶三种状态赋 煤层气的赋存状态与天然气不同，天然气以 存于煤孔隙中，主要呈现吸附态，属于物理吸附. 游离态赋存岩层，在埋深较大(5km)的储气层 (2)煤的吸附性能受到煤的变质程度、储层 中，只要储层与井底间保持一定的压力差，游离 温度、储层压力以及煤中水分类型及水分含量多 的气体就可以流入井筒.而煤层气则不同，由表 方面因素的影响，煤的吸附能力随着煤化作用的 2可以看出：当煤储层埋深较大，相应的储层压力 强度增加而增大：褐煤的吸附能力低于各变质阶 段的煤：长焰煤、气煤、肥煤3个煤阶吸附量增加 表2煤层气吸附量与压力关系 Table 2 Relation of adsorbing quantity with the pressure 缓慢；焦煤阶段，煤的吸附量开始快速增加，无烟 of coal-bed methane 煤2号吸附能力最强.随着温度的升高，煤对甲 煤层气吸附量% 烷的吸附量呈规律性降低.煤中水分越高，可能 压力MPa 两极值 般值 占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子 0.5 3.67~34.82 10-23 “滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就 1.0 7.08~51.65 14~33 会降低.因而随着煤基质水分的增加，Langmuri 2.0 13.23-68.12 24-50 体积呈减小趋势，煤对甲烷的吸附量受压力控 3.0 18.61-76.22 26-60 制，随着压力增大而变大：当压力为0.5MPa时， 4.0 23.37-81.04 32-67 6.0 吸附量为Langmuir体积的10%~23%；低于10 3138~86.50 42~75 8.0 37.88-89.52 49-80 MPa压力条件下，吸附气占总吸附量的55%~85 10.0 43.26-91.44 55~83 %:高于10MPa时，随着压力增大吸附量的增量 12.0 47.77-92.76 59~86 已很小， 14.0 51.63-93.73 6388 16.0 54.9594.47 65.8289 参考文献 20.0 60.39-95.53 70~91 1叶建平.中国煤层气资源M刈.徐州：中国矿业大学 25.0 65.59-96.39 75-93 出版社，1998 30.0 69.58-96.97 78-94 2钱凯.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术 40.0 75.30-97.71 83~95 M.北京：石油工业出版社，1996 50.0 79.22~98.61 86-96 3全国煤层气综合规划研究R],北京中联煤层气公 司，西安科技学院.2000 较大，如埋深5km,压力约为50MPa:当压力降至 4黄运飞，孙广忠，成彬芳.煤瓦斯介质力学M.北 40M心Pa时，煤储层中的气体才可解吸出总吸附量 京：煤炭工业出版社，1993 的1%~4%：当压力降至20MPa时有3%~19%的 5文虎，徐精彩，葛岭梅，等.煤自然性测试技术及数 气解吸出来.在埋深较大、储层压力较大的煤储 值分析[).北京科技大学学报，2001,23(6)：499 层中开采煤层气，降低储层压力成为一大问题， 6徐精彩，文虎，张辛亥，等。综放面巷道煤层自然 危险区域判定方法[).北京科技大学学报，2003,25

V b L2 5 N 0 . 4 马东 民 : 煤 储层 的吸 附特征 实验综 合 分析 据 的有 效 吸 附点 位 就越 多 , 相对 留给 甲烷 分子 “ 滞 留 ” 的有效 点位就 会 减少 , 煤 的饱 和吸 附量就 会 降低 . 因而 随着 煤 基质 水 分 的增 加 , L an g m u n 体 积呈 减 小趋 势 . 开始 产气 量 很 小 , 产 气高 峰 也来 的晚 ; 当储层 压 力 小于 2 0 M P a 之 后 吸 附气才 开 始 较 多地解 吸 出 来 . 这就 是 目前技 术条件下 的煤 层气 开采 深度 主 要 集 中在 小 于 Z k m 的浅 煤层 的原 因 . 4 储层 压 力对 吸 附能力 的 影 响 煤 的 等温 吸 附 曲线 及 在 不 同 压 力下 吸 附量 的统计 结 果 表 明 : 煤 对 甲烷 的吸 附量 受压 力 控 制 , 随着压 力 增 大而 变大 . 当 压力 为 .0 5 M P a 时 , 其 吸 附量 为 L an g m iur 体 积 的 10 % 一 23 % ; 在小 于 10 M P a 压 力 条件 下吸 附气 占总 吸 附量 的 5 % 一 85 % ; 压 力 大于 10 M p a 时 随着压 力增 大吸 附量 的 增量 已 很小 . 煤层气的赋 存状 态 与天 然气不 同 . 天然 气 以 游离 态 赋存岩层 , 在 埋 深较 大 (5 k m ) 的储 气 层 中 , 只 要储 层 与井 底 间保 持一 定 的压 力差 , 游 离 的气 体就 可 以流 入井 筒 . 而 煤 层气 则 不 同 , 由表 2 可 以看 出 : 当煤储 层埋 深较 大 , 相应 的储层 压 力 表 2 煤层 气 吸附最 与压 力 关系 aT b le 2 R e la it o n o f a d s o r b i n g q u a n 6 yt 初ht t h e P esr s u er o f e o a -l be d m e t h a o e 压 力迎吐P a 煤 层气 吸 附量 o/ 两 极值 0 . 5 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 6 . 0 8 , 0 10 . 0 12 . 0 14 . 0 1 6 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 3 . 6 7 ~ 3 4 . 8 2 7 . 0 8 ~ 5 1 . 6 5 1 3 . 2 3 ~ 6 8 . 1 2 18 . 6 1 一 7 6 . 2 2 2 3 . 37 ~ 8 1 . 0 4 3 1 . 3 8 ~ 8 6 . 5 0 3 7 . 88 一 8 9 . 5 2 4 3 . 2 6 ~ 9 1 . 4 4 4 7 . 77 一 9 2 . 7 6 5 1 . 6 3 ~ 9 3 . 7 3 54 . 9 5 ~ 9 4 . 4 7 6 0 . 3 9 ~ 9 5 . 5 3 6 5 . 5 9 ~ 9 6 . 3 9 6 9 . 5 8 一 9 6 . 9 7 7 5 . 3 0 ~ 9 7 . 7 1 79 . 2 2 ~ 9 8 6 1 一般 值 1 0 ~ 2 3 1 4 ~ 3 3 2 4 ~ 5 0 2 6 ~ 6 0 3 2 ~ 6 7 4 2 一 7 5 4 9 ~ 8 0 5 5 ~ 8 3 5 9 ~ 8 6 6 3 一 8 8 65 . 82 ~ 89 7 0 一 9 1 7 5 一 9 3 7 8 ~ 9 4 8 3 ~ 9 5 8 6 ~ 9 6 较大 , 如 埋深 s km , 压 力 约为 50 M P a ; 当压 力 降至 40 M P a 时 , 煤 储层 中 的气 体才可 解 吸 出总吸 附量 的 1 % 一 4 % ; 当压 力 降至 2 0 M P a 时 有 3% 一 19 % 的 气解 吸 出来 . 在埋 深较 大 、 储 层 压 力较 大 的煤 储 层 中开 采煤层气 , 降低储 层 压 力成 为一 大 问题 , 5 结论 本 实验 模拟 地下 储 层条 件 , 即在储 层温 度 下 对含 平衡 水 分 的煤 样 进行 实验 , 其 结 果也 更接近 实 际情 况 . 尽 可 能结合 我 国煤层 气 勘探 开 发的现 实 , 实验 对 象涵 盖 了我 国不 同地 区 、 不 同 时代 采 自不 同煤盆 地 不 同变 质程 度 的煤 . 通 过 系统 、 全 面 的实 验研 究 表 明 : ( l) 煤层 气 以吸 附 、 游 离 和 水溶 三种 状 态 赋 存于 煤孔 隙 中 , 主 要呈 现吸 附态 , 属 于物理吸 附 . (2 ) 煤 的吸 附性 能受 到 煤 的变 质程 度 、 储 层 温度 、 储 层压 力 以及煤 中水分类 型 及水 分含 量 多 方面 因素 的影 响 . 煤 的吸 附能 力随着 煤化 作用 的 强度 增加 而增 大 : 褐煤 的吸附 能力 低于 各变质 阶 段 的煤 ; 长 焰煤 、 气 煤 、 肥 煤 3 个 煤 阶吸 附量增 加 缓慢 ; 焦煤 阶段 , 煤的 吸 附量 开始快速 增加 , 无 烟 煤 2 号 吸 附能 力 最强 . 随着 温 度 的 升高 , 煤对 甲 烷 的吸 附量 呈规 律 性 降低 . 煤 中 水分 越 高 , 可 能 占据 的有 效吸 附点位 就越 多 , 相 对 留给 甲烷分 子 “ 滞 留 ” 的有效点位 就会 减 少 , 煤 的饱和 吸附量 就 会 降低 . 因而 随着 煤基 质 水分 的增加 , L an 目叮 u n 体 积 呈 减 小 趋 势 . 煤 对 甲烷 的吸 附量 受 压 力 控 制 , 随着 压 力增 大 而变 大 : 当压 力 为 .0 5 M P a 时 , 吸 附量 为 L an gm iur 体 积 的 10 % 一 23 % ; 低 于 10 M P a 压 力条 件 下 , 吸附 气 占总 吸 附量 的 5 % 一 85 % ; 高 于 10 M P a 时 , 随着压 力增 大 吸 附量 的增 量 已很 小 . 参 考 文 献 1 叶 建平 . 中国煤层 气 资源 [M l . 徐 州 : 中 国矿 业大 学 出版社 , 1 9 9 8 2 钱 凯 . 煤层 甲烷气 勘探 开 发理 论与 实验 测 试技 术 [明 . 北 京 : 石 油工业 出版社 , 19 % 3 全 国煤层 气综 合规 划研 究 汇jR . 北京 中联 煤层气 公 司 , 西安 科技学 院 . 2 0 0 4 黄 运飞 , 孙广 忠 , 成 彬 芳 . 煤 瓦斯介 质力 学【M ] . 北 京 : 煤 炭工业 出版 社 , 19 93 5 文 虎 , 徐 精彩 , 葛 岭梅 , 等 . 煤 自然 性 测试 技术及 数 值 分析 IJ ] . 北 京科技 大 学学 报 , 2 0 0 1 , 2 3 ( 6 ) : 4 9 9 6 徐精 彩 , 文虎 , 张 辛亥 , 等 . 综 放面 巷道 煤层 自然 危 险 区域判 定方 法 IJ . 北 京科 技大 学学报 , 2 0 03 , 2 5

·294· 北京科技大学学报 2003年第4期 (1):9 Technol Beijing,2003,10(2):16 7张建良，杨天钩，高征铠，等。高炉喷煤过程煤粉分 9 Liu Jianhua,Zhang Jianyun.Assessment of the apparent 解热确定的新方法[)】.北京科技大学学报，2001,23 activation energies for gas/solid reactions-Carbonate de- (4):308 composition [J].JUniv SciTechnol Beijing,2003,10(2): 8 Jin Longzhe,Ni Wen,Wang Qingsong,et al.A penetrative 25 addictive for water infusion in coal seams [J].J Univ Sci Synthetical Analysis on Adsorbing Characteristic Experiment of Coal Seams MA Dongmin Department of Geological and Environmental Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China ABSTRACT The isothermal adsorbing experiment of coal collected in different areas and coal basins with different metamorphose degrees was synthetically analyzed.It is indicated that the adsorbing capability of coal relates to many factors including the metamorphose degree of coal,temperature and pressure of the coal-bed methane-stored layer,and moisture type and content of coal etc.This experimental result was verified in practice. KEY WORDS coal;CBM(coal-bed methane);adsorbing capability;affecting factor

. 2 9 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 3 年 第 4 期 ( l ) : 9 张建 良 , 杨天 钧 , 高征 恺 , 等 . 高 炉喷 煤过 程煤粉 分 解热确 定 的新 方法 切 . 北京 科技 大学 学 报 , 2 0 01 , 23 ( 4 ) : 3 0 8 Jin L o n g hz e , N i 节e/ n , W如9 Qi n g s o ng , e t a l . A P e n e t r a ti v e 目d i c iVt e fo r w a t e r in if 始 i o n in c o a l s e am s [ J ] . J U in v S e i eT c ho o l B e ij in g , 2 00 3 , 10 ( 2 ) : 16 9 L i u j ian h u a , Z h an g Jian y u n . A s s e s sm e nt o f ht e aP Par e n t ac ti v at ion e n e gr l e s fo r g as / s o li d er 叭i o n s一毛公 b o n at e de - e o m P o s i t ion [J ] . J U in v S c i eT c h n o l B e ij in g , 2 0 0 3 , 10 (2 ) : 2 5 S yn th e t i e a l nA a ly s i s o n A d s o ht i n g C h ar a c t e ir s t i e E x P e r im e n t o f C o a l S e am s 凡叼 刀口月g 阴 in eD P别由m 已n t o f G e o 1 igO cal an d Evn ~ 即 倒 E n g in e e inr g , X i , an U n i V ers ity o f S e i e n e e an d eT c ha o l o gy, iX , an 7 10 0 5 4 , C h i n a A B S T R A C T T h e i s o ht e rm a l ad s o r b ign e xP e r l n e in o f e o a l e o ll e ct e d in d i fe r e n t are as an d e o al b as ins w it h d i fe r e n t m e at m o rp h o s e d e gr e e s 、 v a s s y n ht iet e a l ly an a l y z e d . It 1 5 i n d i e at e d ht at ht e a d s o r b ign e aP ab ility o f c o al re l ate s ot m an y afC t o rs icn 】u id n g t h e m e at m o rp h o s e d e gr e e o f e o al , t e m P e r a tL ir e an d P er s s u丁e o f ht e e o a l 一 b e d m e th an e 一 st o r e d l a y e r, an d mo i s ot er ytP e an d e Ont ent o f e o al et e . Tb i s e xP e ir m e ant l er s u it w as v e ir if e d in P r aC t i e e . K E Y WO R D S e o ia : C B M ( e o al 一 b e d m e th an e ) ; a d s o r bign e ap ab ili yt : a fe ct ign af c tor