地层条件下基于纳米级孔隙的煤层气扩散特征.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 0 8年 6月 煤 炭 学 报 J OURNA L OF CHI N A C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 33 No． 6 J u n e 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 6 0 6 5 7 0 4 地层 条件下基 于纳米 级孑 L 隙的煤层气 扩散特征 闫 宝 珍， 王延 斌， 倪小明 中国矿业 大学 北京 资源与安全工程学 院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要 通过分析 自由甲烷气体在地层条件下特性的变化 ，计算确定了甲烷不同扩散模式的孔径 分布范围，并结合前期煤储层孔 隙 自然分类成果 ，就基于储层甲烷扩散的纳米级孔隙进行 了初步 划分，计算 了不 同扩散模式的扩散 系数．研 究表 明，储层条件下，煤纳米级 孔隙中甲烷存在 3种 扩散模式，且 3种模式的扩散 系数差别不大 ，比地表条件下扩散 系数低 1 2个数量级． 关键词 地层条件 ；纳米级孔隙；煤层气；扩散特征 中图分类号 P 6 1 8 ． 1 1 文献标识码 A Co a i b e d m e t ha n e d i ffus i o n c ha r a c t e r s ba s e d o n na n o- s c a l e d p o r e s un de r f o r ma t i o n c o nd i t i o ns YAN Ba o z he n，W ANG Ya n b i n，NI Xi a o mi n g S c h o o l o fR e s o u r c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，C h i n a e ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y z i ng t he c ha n g e o f f r e e me t h a n e g a s c h a r a c t e r s un d e r f o r ma t i o n c o n di t i o n s，c a l c u l a t e d a n d d e t e r mi n e d t h e p o r e s i z e di s t r i b ut i o n o f d i f f e r e n t me t h a n e d i f f us i o n mo d e l s ．Co mbi n i n g t he e a r l y n a t u r e c l a s s i fic a t i o n o f c o a l p o r e s t r uc t u r e，a p r e l i mi n a r y n a no s c a l e d p o r e d i v i s i o n wa s d e v e l o p e d b a s e d o n r e s e r v o i r me t h a n e d i f f u s i o n a n d t h e c o e f fic i e n t o f d e f e r e n t d i f f us i o n mo de l wa s c a l c u l a t e d．Th e r e s u l t c o me s t o t ha t t h e r e a r e 3 d i f f u s i o n mo d e l s o f me t h a n e i n n a n o s c a l e d p o r e s a n d t h e r e i s n o s i g n i fic a n t d i f f e r e n c e a mo n g t h e 3 d i f f u s i o n c o e ffic i e nt ，wh i c h i s 1 ～ 2 ma g n i t u d e s l o we r t h a n t ha t o f n e a r s u r f a c e c o n d i t i o n s ． Ke y wo r d s f o r ma t i o n c o n d i t i o n；na n o s c a l e d po r e；d i f f u s i o n c h a r a c t e r ；c o a l b e d me t h a n e 在漫长的地质历史时间效应作用下 ，扩散作用成为煤层气体在地下运移散失 的重要机制 ，同时也是原 始地层条件下煤层气富集成藏 的重要途径之一 l J ． 前人 曾从宏观研究 、微观分析以及数值模拟等角度就煤层气扩散 问题进行过大量卓 有成效 的研究 工 作 。 ．但众多研究成果中 ，由于研究 目的、研究手段的不同或实验条件的限制 ，未考虑到煤层气在地层 条件下气体特性的变化 ，导致一些研究结论不能准确地反映实际地层条件下 的扩散特性．本文试 图通过地 层条件下煤层气体特性 的分析 ，从煤基块纳米级孔 隙尺度 ，就煤层气扩散作用进行理论分析与计算 ，以期 获得煤层气在原始地层条件下的扩散运移特征 ，为煤层气的富集机理研究提供支持． 1 煤层气 的一般扩散模 式 结合前人研究成果 ， 依据煤层气的相态以及在煤体中不同的扩散位置，将煤层气在煤层中的扩 收稿 日期 2 0 0 7 0 6 0 7 责任编辑 毕永华 基金项 目教育部博士科研基金资助项 目 2 0 0 6 0 2 9 0 0 0 3 作者简介 闫宝珍 1 9 8 O 一 ，男 ，山东兖 州人 ，博士研究生．T e l 0 1 0 5 1 7 3 3 0 4 3 ，Ema i l b o j u ms o h u ． t o m 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 散分为气相扩散、吸附相扩散 、溶解相扩散和 固溶体扩散．气相扩散是指气体在煤层孔隙中的扩散 ；吸附 相扩散即通常所说 的表面扩散 ，是指处于吸附态的气体在煤颗粒外表面和孔隙内表面上的扩散 ；溶解相扩 散是指气体在煤体 自由水 中的扩散 ；固溶体扩散则是指煤层气体 以固溶体 的形式在煤体中的扩散． 其中气相扩散根据气体分子平均 自由程 A 与孔 隙直径 d 相 对 大小 的关 系_ 3 ，细 分 为 一般 F i c k型 扩 散 d 1 0 A 、 K n u d s e n型扩散 d 。 0 ． 1 A 和过渡型扩散 0 ． 1 A d p 1 5 n m， 2 n m d 1 5 n m，1 ． 2 n md p 2 ． 0 n m的范围内依次发生一般 F i c k型扩散、过渡型扩散和 Kn u d s e n型扩散． 4 煤纳米级孑 L 隙分类探讨 4 ． 1 纳米级孔隙的自然分类 通常所指的纳米级孔 隙即直径介于 0 ． 1～1 0 0 n m的微孔 隙，它们是煤基质 吸附煤层气 的主要空间 ，也 是煤层气进行扩散运动的主要场所．国内外研究者基于不 同研究 目的和测试仪器精度 ，对煤的孔 隙结构 自 维普资讯 第 6期 闫宝珍等地层条件下基于纳米级孔隙的煤层气扩散特征 6 5 9 然分类做过大量的研究 ，其 中比较有代表性 的针 对纳米级孔径段 的划分界线 表 1 ． 傅雪海等 2 0 0 5 基 于煤层 甲烷运移特征 ， 运用分形手段将煤孔隙 依半径划分为小于 6 5 n m的扩散孔隙和大于 6 5 n m 的渗透孔 隙，扩 散孔隙又划分为小于 8 n m的微孔、8～2 0 n m的 表 1 纳米级 子 L 径段子 L 隙 自然分类界 线 n m Ⅲ Ta b l e 1 S o m e n a t u r a l c l a s s i fic a t i o n s a b o u t n a n o - s c a l e d p o r e s 过渡孔和 2 0～ 6 5 n m的小孔 3类 ] ．琚宜文 等 2 0 0 5 则通过构造煤纳米 级结构 自然分类的实验研究 ， 划分为过渡孔 1 5～1 0 0 n m 、微孔 5～1 5 n m 、亚微孔 2 ． 5～ 5 n m和极微孔 2 ． 5 n m4类 ． 由上可见 ，关 于纳米级孔 隙的 自然分类界线因研究范 围、研究 目的以及研究手段的不 同而不同，这种分类 标准的不一致性和非专门性给煤层气地质规律的研究带来 了困难 ，因此有必要从煤层气与孔隙结构关系的 角度来研究煤储层 的孔隙分类． 4 ． 2 基于扩散的纳米级孔隙划分 不 同地层条件和孔隙结构时刻影响着煤层气扩散特性．这里为研究储层条件下甲烷扩散特征的方便 ， 就纳米级孔 隙进行简单 划分．针 对 1 5 n m 以上 的 孔 ，采用一个综合的 自然分类成果 ；而对于 1 5 n m 以下 的孔 ，则 根据 甲烷 气 相扩 散 模 式 进行 划 分 表 2 ．这里 扩散孔径 的最小 值取 0 ． 4 n m，即大 约能容纳下一个 甲烷 气体分子 大小 ，与美 国学 者 H ． G a n 1 9 7 2 采用的基质孔隙底界一致 ；扩散孔 径的最大值则采用分形孔 隙理论所确定的孔容分形 与孔 比表 面积 的分形 界 线 1 3 0 n m_ 6 ， ” ， J ，即文献 [ 6 ] 中的扩散孔 隙和渗透孔 隙的分界线．依表 2 ， 储层条件下，甲烷气体在大孔和中孔中扩散模式为 表 2 Ta bl e 2 基 于储层 甲烷扩散的煤纳米级子 L 隙划分 Cl a s s i fic a t i o n o f n a n o - s c a l e d p o r e s b a s e d o n r e s e r v o i r m e t h a n e d i f f u s i o n 一 般 F i c k型扩散 ；在小孔中为过渡型扩散 ；在微孔 中为 K n u d s e n型扩散 ；在亚微孔 中，甲烷气体受较强 的吸附作用，主要以单层吸附相存在，属吸附孔隙，仅发生吸附相表面扩散及固溶体扩散，扩散作用很 小．并借此可将扩散孔 隙直径范围介定为 1 ． 2～1 3 0 n m． 5 煤基块扩散特征 煤基块是指煤体中由面割理和端割理切割成的煤基质块体，煤基块孔隙主要由基质孔隙特别是纳米级 孔隙及尺度较大的微裂隙孔隙构成 ，割理构成煤基块的边界并与微裂 隙一同连通纳米级基质孔 隙．对于不 同扩散模式 ，甲烷气体的扩散速度不同，在浓度差一定的情况下 ，扩散速度则取决于扩散 系数 的大小． 5 ． 1 扩散系数计算 大孔和中孔 中的甲烷扩散均为一般 F i c k型扩散 ，其 自扩散系数 主要取决于扩散体系的温度和压 力 ，与孔径 大小无关 ；微孔中的 甲烷扩散为 K n u d s e n型扩散 ，其 自扩散系数 D 与孔隙直径及温度有关 ， 与压力无关 ；小孔 中甲烷扩散为过渡型扩散 ，其扩散系数 D 为一般 F i c k型扩散系数 与 K n u d s e n型扩散 系数的调和平均，故 D 受到扩散体系温度、压力及孔径的共同作用． Df1 ／ 3, ／ 8 k T ／ w m k T ／ d o p2 ． 1 9 6 X 1 0 T。 P～， 1 Dk1 ／ 3 d 8 m1 2 ． 1 2 5 T 1 ／ 2 d ， 2 D 1 ／ Df 1 ／ Dk ～， 3 这里取地表条件为标准状态 2 5℃ ，1 0 1 ． 3 2 5 k P a ，储层条件取 3 5℃，4 ． 5 0 M P a ．分别依式 1 ～ 3 计算出储层条 件下 扩散孔 隙 中的扩 散 系数 D f ，D ，Dk为 2 ． 6 4 X 1 0～，1 ． 6 3 X 1 0～ ～2 ． 4 4 X 1 0 ～， 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 2． 5 5 X 1 0～ ～4 ． 2 6 X 1 0～ m ／s ． 5 ． 2 储层条件下的扩散特征 由以上可知 ，储层条件下 甲烷气体的扩散系数在不同的纳米级孔隙中差别不大 ，但 比地表条件下的甲 烷扩散系数要低 1～ 2个数量级．并且在纳米级孔 隙中的扩散存在 3种扩散模 式 ，而不是通常所认为 的 2种 ；另外 ，一般 F i e k型扩散系数与 K n u d s e n型扩散系数差别微乎其微 ，很多情况下甚至出现后者大于前 者的情况 ，这是 由储层条件下 甲烷气体分子特性的变化引起 的．然而 ，甲烷在煤基块 中的有效扩散系数则 还要考虑到微孔隙表面孔隙率的大小 以及微孔隙在 甲烷分子扩散方 向上 的孔隙曲折因子． 6 结 论 甲烷作为一种真实气体与理想气体之 问是存在差别的 ，本文在误差允许的情 况下近似处理为理想气 体．同时，储层条件 中只考虑 了温度和压力 因素 ，而忽略了水的因素以及少量 的其他气体 ，有待改进． 1 煤层气在煤层中的扩散主要分 为 4类 ，即气相 扩散 、吸附相扩散 、溶解相 扩散 和固溶体扩散 ， 以气相扩散为主，细分为一般 F i c k型扩散、K n u d s e n型扩散和过渡型扩散． 2 煤层 甲烷在储层条件下 ，均处于超 临界温度状态 ，超临界 自由甲烷气体 的状态方程可近似处理 为理想气体状态方程，且甲烷气体在煤微孔直径分别为 1 5 B 1T I 以上、2～ 1 5 B 1T I 和 1 ． 2～ 2 ． 0 B 1T I 的范围内 依次发生一般 F i c k型扩散、过渡型扩散和 K n u d s e n型扩散． 3 储层条件下 ，基于甲烷气体分子的扩散特性 ，可将煤基块孔隙划分为 5 0～1 3 0 B 1 T I 的大孔 、1 5～ 5 0 B 1T I 的中孔 、2～1 5 B 1T I 的小孔 、1 ． 2～ 2 ． 0 n m的微孔 以及 0 ． 4～1 ． 2 n m的亚微孔．并介定煤基块扩散孔 隙的范围为 1 ． 2～1 3 0 B 1T I ． 4 储层条件下，煤纳米级孔 隙中的甲烷气相扩散存在 3种模式 ，且 3种模式的扩散 系数具有相同 的数量级 ，其总扩散系数约2 ． 6 X 1 0 。1T I ／ s ，比地表条件低 1 ～ 2个数量级． 参考文献 D e t l e v L e y t h a e u s e r ， R a i n e r G S c h a e r e r ，A r i f Y u k l e r ．R o l e o f d i f f u s i o n i n p r i m a r y m i g r a t i o n o f h y d r o c a r b o n[ J ] ．A A P G B u l - l e n t i n ，1 9 8 2 ， 6 6 4 4 0 8 4 2 9 ． 韦重韬，周荣福．煤层气多煤层扩散逸失地质历史模型及数值模拟 [ J ] ．高校地质学报 ，2 0 0 3 ，9 3 3 9 0～3 9 5 ． 何学秋，聂百胜．孔隙气体在煤层中扩散的机理 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 1 1 4 ． 聂百胜，何学秋，王恩元．瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式[ J ] ．中国安全科学学报， 2 0 0 0， 1 0 6 2 4 2 8 ． 曹成润，牛伟，张遂安，等．煤层气在煤储层 中的扩散及其影响因素 [ J ] ．世界地质，2 0 0 4 ，2 3 3 2 6 6 26 9． 傅雪海，秦勇，张万红，等．基于煤层气运移的煤孔隙分形分类及 自然分类研究 [ J ] ．科学通报，2 0 0 5 ，5 0 S 1 5 1 5 5 ． 叶建平，秦勇，林大扬．中国煤层气资源 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 8 ．1 1 31 1 6 ． 崔永君，杨锡禄 ，张庆铃．煤对超临界甲烷的吸附特征 [ J ] ．天然气工业 ，2 0 0 3 ，2 3 3 1 3 1 1 3 3 ． 降文萍，崔永君，张群 ，等．煤表面与 C H ，C O 相互作用的量子化学研究 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 6 ，3 1 2 2 3 7 2 40． 陈润，苏现波，刘国伟．煤层气吸附／ 解吸分馏的从头计算研究 [ J ] ．煤炭转化 ，2 0 0 7 ，3 0 2 5 76 0 ． 秦勇，徐志伟，张井．高煤级煤孔径结构的自然分类及其应用 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 5 ，2 0 3 2 6 62 7 1 ． 琚宜文，姜波，侯泉林 ，等．华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理 [ J ] ．地质学报，2 0 0 5 ，7 9 2 2 6 9 2 8 5 ． 管俊芳 ，侯瑞云．煤储层基质孔隙和割理孔隙的特征及孔隙度的测定方法 [ J ] ．华北水利水 电学 院学报，1 9 9 9 ， 2 0 1 2 3 2 7 ． 赵爱红，廖毅 ，唐修义．煤的孔隙结构分形定量研究 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 4 4 3 9～ 4 4 2 ． 1 j 1 J 1J ] ；] i] }} ；I 引 m B r }r }r }r }r L rL 维普资讯