煤岩类型对煤储层吸附/解吸特征影响及实践意义-以保德区块为例

侯 伟，徐凤银，张 雷，张 伟，孟艳军，刘其虎，李永臣，樊洪波，王虹雅，张双源，张 文

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028；3.太原理工大学 矿业工程学院 山西 太原 030024)

煤层气吸附/解吸特征及其影响因素的研究对于煤层气高效开发具有重要意义。煤层气吸附理论研究表明，煤对甲烷的吸附能力，除受外部因素(如压力、水分、温度等)的影响外，还受煤自身特性(如煤的物质组成、变质程度)的影响[1-3]。在物质组成方面，P.J.Crosdale 等[4]对澳大利亚鲍恩盆地煤吸附性能与组分关系的研究认为，在大多数情况下，亮煤(富含镜质组)的吸附能力高于暗煤(富含惰质组)。张群等[5]实验研究表明，在平衡水分条件下，煤的Langmuir 体积与镜质组含量成正比，与惰质组成反比，镜质组的吸附能力大于惰质组，这与M.N.Lamberson 等[6]对加拿大煤样的研究结果相吻合。在变质程度方面，孙丽娟[7]发现煤的吸附能力随变质程度升高呈现出“低-高-低”的变化规律，煤对甲烷的吸附速率随变质程度的升高也呈现出“高-低-高”的变化趋势。陈振宏等[8]研究不同变质程度煤的煤层气解吸特征及解吸速率差异，认为差异来源于煤基质收缩效应和自调节效应，本质为分子结构、孔裂隙发育特征及显微组分差异。在含水率方面，J.I.Joubert 等[9]认为煤对甲烷的吸附能力随水分的增加逐渐降低，但当水分含量超过临界值后将不再对甲烷吸附能力产生影响。B.M.Krooss 等[10]研究发现煤中水分子和含氧官能团之间存在着很强的相互作用，从而导致煤吸附甲烷分子的能力随煤中水分含量的增高而下降。

宏观煤岩类型是煤整体外观光亮程度的综合体现，是按照同一变质程度煤的平均光泽强度所划分的，依次分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四类。煤润湿性是指煤体界面由煤-气界面转变为煤-水界面的现象，它是煤吸附液体的一种能力。在煤矿注水抑尘领域，国内外学者对煤润湿性开展了大量研究并给出了煤润湿性的定量判定标准-接触角[11-12]。不同煤样的润湿性存在很大差异，主要源于不同煤岩类型煤物质组成、含量和结构差异。

以上研究成果表明，水分对煤层气的吸附/解吸具有重要影响，但目前直接关于煤岩类型及其润湿性对煤层气吸附/解吸影响的实践应用研究甚少。煤的润湿性会影响其含水率、水的分布、煤层气吸附/解吸特征和排水降压难易程度，进而影响煤层气的产出效率。以往煤层气井取心样品的等温吸附实验通常采用综合样，忽略了煤层垂向煤岩类型非均质性对煤层气吸附/解吸特征及煤层气井产能的影响，这也是煤岩实验分析参数与煤层气井生产参数存在一定差别的重要原因之一。

基于以上问题，笔者以我国中-低阶煤煤层气开发热点地区保德区块为例，基于该区块新实施并即将投产的BX-2 煤层气井8+9 号煤层的不同宏观煤岩类型煤心样的煤岩煤质实验、甲烷等温吸附/解吸实验、润湿性实验分析，研究宏观煤岩类型及其润湿性对煤层气吸附/解吸的影响及其机制；同时结合该井的解吸参数与解吸阶段分析，提出该井煤层气排采阶段划分及生产制度优化建议，以期为该区块新区煤层气的高效开发提供理论依据。

1 地质特征及煤岩类型

1.1 煤层气地质特征

保德区块位于山西省保德县和陕西省府谷县(图1)，地势东高西低，区块面积为476.46 km2，地表高程为800～1 250 m。构造位置位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带北段、吕梁山西侧，总体构造形态简单，表现为向西倾的单斜构造，走向近南北，断层和褶皱不发育。

图1 保德区块地理位置[13]Fig.1 Geographic location map of Baode Block[13]

该区主要含煤地层为二叠系山西组和石炭-二叠系太原组(图2)，山西组沉积环境以河流三角洲相为主，地层厚度60～90 m，太原组沉积环境以海陆交互相为主，地层厚度50～90 m。主要煤层气勘探目的层为山西组4+5 号煤层和太原组8+9 号煤层；4+5 号煤层埋深为300～1 200 m，8+9 号煤层埋深比4+5 号煤层增加50～90 m，煤层埋深适中[13-15]。主力煤层宏观煤岩类型为半暗-半亮煤，宏观煤岩组分以暗煤和亮煤为主。煤岩镜质体反射率在0.71%～1.22%，属于低、中变质程度烟煤，渗透率为(2～10)×10-3μm2，压力系数为0.65～1.10，属于欠压-常压储层[16]。煤层含气量为0～12 m3/t，自东向西含气量有逐渐增高的趋势[13]。

图2 保德区块煤系综合柱状图(据文献[15]，修改)Fig.2 General stratigraphic column of coal-measure strata in Baode Block (Modified from Reference [15])

1.2 宏观煤岩类型精细描述

为查明不同煤岩类型煤样的等温吸附/解吸特征差异，本次对保德区块BX-2 井太原组8+9 号煤层煤心开展分层观察描述、岩心归位校正和样品采集工作，煤层分层描述结果见表1，其中宏观煤岩类型的划分标准遵照GB/T 18023-2000《烟煤的宏观煤岩类型分类》执行。BX-2 井8+9 号煤心样的净煤层总厚度为15.3 m，煤层宏观煤岩类型以光亮和半亮煤为主，其次为半暗煤和暗淡煤，煤体结构以原生结构煤为主，煤层顶板为泥岩(厚度1.8 m)，中上部和底部分别发育0.8 m和1.0 m 厚的泥岩夹矸，煤层底板为粉砂质泥岩(厚度1.5 m)。

根据煤心宏观煤岩类型分层数据(表1)，BX-2 井太原组8+9 号煤层中光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤的各分层厚度占总净煤层厚度比依次约为22%、48%、22%和8%。

2 样品采集、实验方法及基础参数特征

2.1 样品采集

本次研究中，煤岩类型分析、煤岩煤质分析、煤润湿性实验和煤等温吸附/解吸实验所用样品均采自保德区块BX-2 井太原组8+9 号煤层的连续煤心。以往基于煤岩类型差异分析的煤矿井下分层采样工作，受限于煤层厚度大、井下光线差、煤壁粉尘多等原因，很难进行全层段准确描述，且所采样品多为混合样。与以往煤矿井采样相比，本次研究采用煤层气井煤心样，在采样条件、采样过程及样品挑选方面，最大程度提高了采样精度，足以保证取样的精确性、代表性及实验结果的可靠性。

本次研究所用实验煤样的取样位置均为该井8+9号煤层的不同宏观煤岩类型分层(表1)，所取样品煤级均为气煤。

鉴于本次研究主要强调宏观煤岩类型的差异，且煤层厚度较大，因此在样品遴选上尤为慎重。具体样品采集和处理步骤如下：①基于全段煤心整体宏观煤岩类型描述结果，初步筛选取样层段；② 在各初选层段内精确选取典型的不同宏观煤岩类型层段(每段厚度约为0.3 m)(表1)；③将步骤②中所取各段样品分别粉碎均匀制样备用。

表1 保德区块BX-2 井太原组8+9 号煤层宏观煤岩描述Table 1 Description of No.8+9 Coal Seam of Taiyuan Formation in Well BX-2 of Baode Block

所有煤样经现场描述和采集后立即装入采样袋内，将袋口扎紧，防止污染与氧化，并及时运回实验室开展相关实验测试工作。为保证各项实验结果的可对比性，同一宏观煤岩类型样品的系列实验，均将该类型煤样粉碎搅拌均匀后再进行制样测试。

2.2 实验方法

1) 煤岩等温吸附/解吸实验

等温吸附实验是表征煤吸附气体能力的主要方法[17-18]，本次对不同煤岩类型样品开展甲烷等温吸附/解吸实验，遵照GB/T 19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》执行。

2) 煤岩润湿角测定实验

接触角法测量煤表面的润湿性，就是将煤样进行压片处理，然后测出液体在煤压片上的接触角值，进而根据接触角的大小来判断煤样的润湿性。接触角越大，煤的亲水性越弱，疏水性越强。

本次研究采用座滴法来测量煤的接触角，具体操作步骤如下：将砂纸研磨后的煤样放在载物台上，并保证煤样表面水平；取模拟地层水3 μL，然后使其轻轻与煤样表面接触；待水滴稳定后，利用软件分析求得水在煤样表面的接触角。实验中，待测液体在每个煤样表面的不同位置连续测试5 次，取其平均值。

2.3 煤岩煤质特征

保德区块8+9 号煤样的工业分析遵照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》执行，显微组分组含量测定遵照GB/T 8899-2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》执行，测试结果见表2。工业分析测试结果表明，8+9 号煤不同煤岩类型样品的水分(Mad)、灰分(Ad)、挥发分(Vdaf)、固定碳(FCd)含量存在差异，其中，暗淡煤灰分含量最高，而光亮煤灰分最低；显微组分测试结果表明，8+9 号煤，暗淡煤矿物质含量最高，镜质组含量最低，而光亮煤矿物质含量最低，镜质组含量最高。

表2 保德区块8+9 煤样的工业分析和显微组分测试结果Table 2 Proximate and maceral analysis of the results of coal samples in Baode Block

2.4 煤湿润性特征

保德区块8+9 号煤样的润湿接触角测试结果见表3。从表中可以看出，不同煤岩类型煤样润湿性存在很大差异，接触角由大到小顺序依次为光亮煤＞半亮煤＞半暗煤＞暗淡煤，暗淡煤的亲水性最强，光亮煤亲水性最弱。煤样所表现出来的润湿性差异源于不同煤岩类型煤物质组成、含量和结构差异。

结合煤的工业分析及煤岩组分及润湿性分析结果(表2、表3)可知，煤的物质组成对其润湿性具有显著影响。无机矿物(灰分)具有亲水性，灰分越高，煤的亲水性越强；而挥发分通常具疏水性，挥发分越高，煤的亲水性越弱。相对于暗煤，镜煤的灰分更低，挥发分更高，因而亲水性更弱。

表3 不同煤岩类型煤样的接触角测试结果Table 3 Contact angle test results of coal samples of different coal lithotypes

3 不同宏观煤岩类型煤吸附/解吸特征差异

3.1 Langmuir 常数

基于保德区块8+9 号煤不同宏观煤岩类型样品等温吸附/解吸实验数据，采用Langmuir 方程拟合计算得到保德不同煤岩类型煤样等温吸附常数，见表4，从表中可以看出，光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤样品的Langmuir 体积依次呈逐渐降低趋势，Langmuir 压力则没有明显规律；表明光亮煤和半亮煤相对于半暗煤和暗淡煤更利于煤层气吸附。

表4 保德区块不同宏观煤岩类型煤样Langmuir 等温吸附常数Table 4 Isothermal adsorption parameters of coal samples with different coal lithotypes in Baode Block

对比不同宏观煤岩类型煤样的等温吸附/解吸曲线(图3，图4，其中，Vg为吸附解吸气体量)，也可以发现，暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的吸附能力和解吸潜力总体依次均呈增大趋势。

图3 保德区块不同宏观煤岩类型煤样等温吸附/解吸曲线Fig.3 Isothermal adsorption curves of coal samples in Baode Block

结合煤岩润湿性测试结果可知，不同煤岩类型煤样的润湿性特征与等温吸附/解吸特征具有很好的相关性(表3，表4，图4)。暗淡煤亲水性最强，吸附能力最弱和解吸潜力最小；光亮煤亲水性最弱，吸附能力最强和解吸潜力最大；半暗煤和半亮煤介于两者中间。

图4 保德区块不同煤岩类型样品等温吸附/解吸差异Fig.4 Isothermal adsorption/desorption curves of samples of different lithotypes in Baode Block

3.2 启动压力、转折压力和敏感压力

为定量分析煤层气解吸过程特征对煤层气井产能的影响，孟艳军等[19]提出基于Langmuir 方程的煤层气解吸阶段划分理论，分别定义了启动压力(pst)、转折压力(ptu)和敏感压力(pse)3 个节点压力。其中，启动压力是Langmuir 方程曲率曲线的拐点压力，当压力降至该压力点以下时，煤层气解吸效率由基本不变转化为缓慢增大，该点煤层气解吸效率为0.55 (m3/t)/MPa。转折压力是Langmuir 方程曲率曲线的一个驻点压力，当压力降至该压力点以下时，煤层气解吸效率由缓慢增大转化为快速增大，该点煤层气解吸效率为1.0 (m3/t)/MPa。敏感压力是Langmuir 方程曲率曲线的另一个驻点压力，当压力降至该压力点以下时，煤层气解吸效率由快速增大转化为急速增大，该点煤层气解吸效率为2.59 (m3/t)/MPa。3 个节点压力的计算公式如下：

依据这3 个节点压力，可将煤层气的理论解吸阶段划分为低效、缓慢、快速和敏感解吸阶段[19]。其中，低效解吸阶段和缓慢解吸阶段解吸效率较低，对煤层气井产能贡献较小，可视为无效阶段；快速和敏感解吸阶段解吸效率较高，对煤层气井产能贡献较大，可视为有效阶段。

基于上述煤层气解吸阶段划分理论，本次研究计算得到了保德区块BX-2 井太原组8+9 号层不同煤岩类型煤样的3 个节点压力，将各煤样理论解吸阶段划分为3 个阶段，如图3 所示。从图中可以发现，当宏观煤岩类型由暗淡煤向光亮煤过渡时，对应的启动压力、转折压力和敏感压力均逐渐增大(表5，图5)，各解吸阶段范围也逐渐向高压区间方向(右侧)偏移(图3)；在相同临界解吸压力下，解吸过程中光亮煤和半亮煤对应的有效阶段区间宽度明显要大于半暗煤和暗淡煤。因此，从解吸阶段产能贡献角度来讲，光亮煤和半亮煤有利于煤层气开发，而暗淡煤和半暗煤则不利于煤层气开发。

图5 BX-2 井8+9 号煤层不同煤岩类型煤样不同解吸阶段划节点压力Fig.5 Node pressure of coal samples of different lithotypes in No.8+9 Coal Seam of Well BX-2 at different desorption stages

表5 BX-2 井太原组8+9 号煤层吸附/解吸特征参数Table 5 Adsorption/desorption characteristic parameters of No. 8+9 Coal Seam in Taiyuan Formation of Well BX-2

3.3 煤岩类型对吸附/解吸特征的影响机制

煤储层煤岩类型及其润湿性对煤层气吸附/解吸特征存在一定影响[20-23]。煤岩类型对煤样甲烷吸附/解吸特征的影响机制主要体现在：不同煤岩类型煤的物质组成和润湿性的差异对吸附/解吸特征的影响。

煤中镜质组含量增加会增强煤储层甲烷吸附能力，而无机矿物(灰分)的存在会导致煤储层甲烷吸附能力的降低。光亮煤和半亮煤的镜质组含量高于半暗煤和暗淡煤，而灰分含量低于半暗煤和暗淡煤。因此，从煤的物质组成角度可以解释光亮煤和半亮煤吸附能力大于半暗煤和暗淡煤。此外，由于煤与水分子间的作用力远大于煤与甲烷分子间的作用力，故三者共存的情况下，水分子与甲烷分子在煤体表面产生竞争吸附，水分子会置换出来部分吸附甲烷，导致煤储层甲烷吸附能力降低。不同宏观煤岩类型煤的润湿性不同，半暗煤和暗淡煤亲水性更强，水分含量更高，水锁效应更强，从而抑制了煤储层甲烷吸附/解吸能力。Zhou Juan 等[20]通过分子模拟技术研究证实，含水率的增加会导致干酪根对甲烷的吸附能力明显降低(图6)；因为水分子占据了干酪根基质中的部分吸附位点，阻止甲烷进入纳米孔，而导致甲烷吸附能力下降。

图6 不同含水率干酪根甲烷分子模拟等温吸附曲线(温度338.15 K)(据文献[20]，修改)Fig.6 Molecular simulation isothermal adsorption curves of kerogen methane with different moisture contents (temperature 338.15 K) (Modified from reference [20])

本次研究中保德区块煤样对甲烷的吸附能力和解吸潜力均随着宏观煤岩类型由光亮煤到暗淡煤而降低的结果，与前人关于煤岩组分和水分对煤层气吸附/解吸影响的实验结果与理论模拟研究的认识相吻合。这也指示在煤层气的储量评估和开发效果预测时不能忽略煤岩类型及润湿性差异带来的影响。

4 实践意义

本文实验煤样采自保德区块BX-2 井太原组8+9 号煤层。2022 年1 月底，该井已经完成钻完井工作，即将进入排采阶段，亟需给出排采阶段的划分和排采制度的优化建议。

以往煤层气井等温吸附参数取值多采用煤层分层采样测试数据的算术平均值，往往忽略了煤层垂向宏观煤岩类型非均质性对等温吸附参数的影响，从而导致取值存在一定程度的失真。为此，本次研究依据本文第2 节中BX-2 井8+9 号煤层宏观煤岩类型描述数据计算得到的光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤的分层厚度占比参数，将不同煤岩类型煤样的各项解吸特征参数进行加权平均计算，得到了该井8+9 号煤层的吸附/解吸特征参数的加权平均值(表6)。

表6 BX-2 井太原组8+9 号煤层吸附/解吸特征参数Table 6 Adsorption/desorption characteristic parameters of No. 8+9 Coal Seam of Taiyuan Formation in Well BX-2

表6 显示，该井8+9 号煤层敏感压力、转折压力、启动压力分别为0.99、3.19、5.25 MPa。依据这3 个节点压力，可将该井的理论解吸阶段划分为低效解吸、缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸4 个阶段(图7)。但实际生产中，由于吸附能力、储层压力和含气饱和度等的差异，多数井不会经历全部低效和缓慢解吸阶段，因为在漫长的地质演化史中，煤层可能已经历部分解吸阶段[19]。根据BX-2 井试井结果和邻井生产数据，8+9 号煤层的储层压力为4.71 MPa，临储比为0.73，临界解吸压力为3.44 MPa。该井临界解吸压力高于转折压力(3.19 MPa)，低于启动压力(5.25 MPa)，所以该井投入生产后将不经过低效解吸阶段，而是从缓慢解吸阶段开始，经历缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸3 个阶段(图7)。参考前人划分方案[24]，本次研究将保德区块BX-2 井的排采阶段划分为排水降压阶段(未解吸)、不稳定产气阶段(缓慢或快速解吸阶段)、稳定产气阶段(快速或敏感解吸阶段)和产气衰减阶段(敏感解吸阶段)(表7)。

图7 BX-2 井8+9 号煤层解吸阶段划分Fig.7 Schematic diagram of desorption stage division of No.8+9 Coal Seam in Well BX-2

表7 保德区块煤层气井排采阶段划分及其特征对比(据文献[24]，修改)Table 7 Division and characteristic comparison of CBM well drainage and production stages in Baode Block (Modified from reference[24])

在排采阶段划分基础上，本次研究从吸附/解吸特征及其对渗透率动态变化影响的角度，提出了保德区块BX-2 井生产过程中不同排采阶段的排采制度优化建议：该井排水降压阶段要适当控制排水速度，缓慢降低动液面，减少应力敏感效应对煤层渗透性的伤害；不稳定产气阶段要适当控制套压和产气增速，尽量扩大煤层气的解吸半径；稳定产气阶段和产气衰减阶段应适当增大生产压差，利用这2 个阶段煤层气解吸效率高的优势尽量延长产气高峰期和稳产期，有效提高煤层气井的最终采收率。

5 结 论

a.保德区块8+9 号煤层暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的润湿角分别为61.2°、63.7°、67.8°和79.3°。润湿角由大到小顺序为光亮煤＞半亮煤＞半暗煤＞暗淡煤，暗淡煤的亲水性最强，光亮煤亲水性最弱。煤样润湿性差异源于不同宏观煤岩类型煤物质组成、含量和结构差异。

b.暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的吸附能力和解吸潜力均依次呈增大趋势。煤润湿性影响含水率，间接影响煤层气吸附/解吸特征。煤岩类型对吸附/解吸特征的影响机制主要体现在不同煤岩类型煤物质组成和润湿性的差异。在煤层气的储量评估和开发效果预测时不能忽略宏观煤岩类型及润湿性差异带来的影响。

c.保德区块BX-2 井8+9 号煤层光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤的厚度占比分别约为22%、48%、22%和8%。解吸阶段划分理论计算表明：该井光亮煤和半亮煤对应的启动压力、转折压力和敏感压力均高于暗淡煤和半暗煤；在相同的临界解吸压力下，解吸过程中光亮煤和半亮煤对应的有效阶段区间宽度明显要大于半暗煤和暗淡煤。从解吸阶段产能贡献角度来讲，光亮煤和半亮煤更有利于煤层气开发。

d.基于保德区块BX-2 井8+9 号煤层中不同煤岩类型煤分层的厚度占比参数，计算得到了解吸特征参数的加权平均值，该井敏感压力、转折压力、启动压力分别为0.99、3.19、5.25 MPa，结合储层压力为4.71 MPa，可将该煤层气井的解吸阶段划分为缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸3 个阶段。

e.BX-2 井排采阶段可划分为排水降压、不稳定产气、稳定产气和产气衰减4 个阶段。单相排水阶段要控制排水速度，减少应力敏感效应对渗透性的伤害；不稳定产气阶段要适当控制套压，尽量扩大解吸半径；稳定产气和产气衰减阶段应适当增大生产压差，利用解吸效率高的优势延长产气高峰期和稳产期。