储层压力与吸附性资料课件

第四章第四章 煤储层压力及吸附煤储层压力及吸附/解吸特征解吸特征第一节第一节 煤储层压力煤储层压力第二节第二节 煤储层的吸附特征煤储层的吸附特征第三节第三节 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用第四节第四节 影响煤的吸附性因素影响煤的吸附性因素第五节第五节 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第一节第一节 煤储层压力煤储层压力一、定义一、定义 指作用于煤孔隙指作用于煤孔隙裂隙空间上的流体压力裂隙空间上的流体压力(包括水包括水压和气压压和气压)，故又称为，故又称为孔隙流体压力孔隙流体压力。多通过试井获取。多通过试井获取.煤储层压力与煤层含气性密切相关，它与吸附性煤储层压力与煤层含气性密切相关，它与吸附性（特别是临界解吸压力）之间的相对关系直接影响采气（特别是临界解吸压力）之间的相对关系直接影响采气过程中排水降压的难易程度。因此，煤储层压力的研究，过程中排水降压的难易程度。因此，煤储层压力的研究，不仅对煤层含气性和开采地质条件的评价十分重要，同不仅对煤层含气性和开采地质条件的评价十分重要，同时也可为完井工艺提供重要参数。时也可为完井工艺提供重要参数。煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括上覆岩上覆岩层静压力层静压力、静水柱压力静水柱压力和和构造应力构造应力。1、开放体系、开放体系 煤储层渗透性较好并与地下水连通。煤储层渗透性较好并与地下水连通。孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压力，即孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压力，即储层压力储层压力=静水压力。静水压力。2、封闭体系、封闭体系 若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体被封闭而若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体被封闭而不能自由流动。不能自由流动。储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，这时储层储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，这时储层压力压力=上覆岩层压力。上覆岩层压力。3、半封闭体系、半封闭体系 在煤储层渗透性很差且与地下水连通性不好的条件下，在煤储层渗透性很差且与地下水连通性不好的条件下，由于岩性不均而形成局部半封闭状态。由于岩性不均而形成局部半封闭状态。上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担：上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担：VP V上覆岩层压力，MPa；P煤储层压力，MPa；煤储层骨架应力，MPa。二、储层压力状态二、储层压力状态压力系数压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比即实测储层压力与同深度静水压力之比，%超压超压：压力系数：压力系数1，压力梯度，压力梯度0.98 MPa/100m；正常压力正常压力：压力系数：压力系数=1，压力梯度，压力梯度=0.98 MPa/100m;欠压欠压：压力系数：压力系数1，压力梯度，压力梯度、=或淡水静水压力梯度来判定的。因此，地下水矿化度是影响储层压力状态的重要因素：地下水矿化度越高其比重越大，在相同的压力水头高度下，高矿化水比低矿化水的水头压力要大。因此，在封闭、滞流、地下水补排条件较差的高矿化度水分布区段，往往出现储层压力的高压异常状态。4、煤层气（瓦斯）压力、煤层气（瓦斯）压力 煤煤层层气气(瓦瓦斯斯)压压力力是是指指在在煤煤田田勘勘探探钻钻孔孔或或煤煤矿矿矿矿井井中中测测得得的的煤煤层层孔孔隙隙中中的的气气体体压压力力。煤煤储储层层试试井井测测的的储储层层压压力力是是水水压压，二二者者的的测测试试条条件件和和测测试试方方法法明明显显不不同。同。煤煤层层气气（瓦瓦斯斯）压压力力梯梯度度值值的的变变化化幅幅度度很很大大，介介于于1.213.4kPa/m之之间间，抚抚顺顺矿矿区区的的气气压压最最低低，天天府府矿矿区区的的气气压压最最高高。气气压压高高低低与与煤煤层层含含气气饱饱和和度度、煤煤层层风化带的深度有关。风化带的深度有关。吸附方式：吸附方式：物理吸附，范德华力物理吸附，范德华力吸附模型：吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论单层吸附，多层吸附，容积充填理论一、吸附理论模型一、吸附理论模型1 1、LangmuirLangmuir模型模型第二节第二节 煤储层的吸附特征煤储层的吸附特征VL或或V Vm m或或a最大吸附量；最大吸附量；VL 、P PL L朗格缪尔体积朗格缪尔体积 和压力，和压力，P PL L等于等于1 1b b 2 2、BETBET多分子层吸附模型多分子层吸附模型V吸附量（吸附量（m3/g）；）；P平衡气体压力（平衡气体压力（MPa）；）；Vm单分子层达到饱和的吸附量（单分子层达到饱和的吸附量（m3/g）；）；P0实验温度下吸附质的饱和蒸气压（实验温度下吸附质的饱和蒸气压（MPa）；）；C与吸附热和吸附质液化有关的系数。与吸附热和吸附质液化有关的系数。3 3、吸附势理论、吸附势理论Vo微孔体积，微孔体积，m3/g；吸附质的亲和系数；吸附质的亲和系数；K与孔隙结构有关的参数；与孔隙结构有关的参数；R普氏常数，普氏常数，8.314J/(mol*K)；Po实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力；实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力；T平衡温度，平衡温度，K；p 吸附平衡时的气体压力，吸附平衡时的气体压力，MPa；二、二、平衡水等温吸附实验平衡水等温吸附实验IS-100型气体等温吸附型气体等温吸附/解吸仪解吸仪IS-100IS-100仪器结构框图仪器结构框图pV气体在固体表面上吸附等温线的不同类型气体在固体表面上吸附等温线的不同类型 三、等温吸附曲线类型三、等温吸附曲线类型四、多相介质煤岩体的吸附特征四、多相介质煤岩体的吸附特征（一）（一）气相多组分吸附特征气相多组分吸附特征单组分和多组分混合气体等温吸附曲线单组分和多组分混合气体等温吸附曲线（二）（二）多相介质的吸附特征多相介质的吸附特征 1、煤对水和单组分气体、煤对水和单组分气体CH4的吸附的吸附 不同含水条件下的不同含水条件下的CHCH4 4等温吸附曲线等温吸附曲线2、煤级变化对、煤级变化对CH4的吸附特征的吸附特征 不同煤级煤的干燥样最大吸附量与Ro,max的关系 不同煤级煤的平衡水样最大吸附量与Ro,max的关系 认识：1）对于干燥煤样，随煤级的增高，朗缪尔体积分别在R0 max 1.3%和1.5%附近达到极小值和极大值，具有“三段式”的演化模式，至无烟煤中-晚期阶段吸附性消失。2）平衡水条件下，朗缪尔体积仅在R0max为4.5%附近达到最大值，实际呈现为“两段式”演化模式。这一发现，为合理评价煤储层的吸附性与含气性提供了重要科学依据。在煤层气研究工作中，煤的等温吸附曲线在煤层气研究工作中，煤的等温吸附曲线主要应用于以下三方面：主要应用于以下三方面：1、确定煤储层中的煤层气临界解吸压力；、确定煤储层中的煤层气临界解吸压力；2、估算煤储层的理论含气量和确定煤层气、估算煤储层的理论含气量和确定煤层气 的饱和状态；的饱和状态；3、预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的、预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的 采收率或可采资源量。采收率或可采资源量。第三节第三节 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用一、理论饱和度或实测饱和度一、理论饱和度或实测饱和度 含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含量等含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。在实际操在实际操作中，常用作中，常用吸附气饱和度吸附气饱和度来近似表示来近似表示煤储层含气饱和度煤储层含气饱和度。应。应当指出：等温吸附曲线和煤层含气量均应校正为干燥无灰基，当指出：等温吸附曲线和煤层含气量均应校正为干燥无灰基，才能进行对比。才能进行对比。理论饱和度理论饱和度:实际含气量与兰氏体积之比值实际含气量与兰氏体积之比值 S理理=V实实/VL S理理理论饱和度，理论饱和度，%；V实实实测含气量，实测含气量，m3/t；吸附等温线吸附等温线:V=/（P+）/实测饱和度实测饱和度:实测含气量与实测储层压力投影到吸附等温实测含气量与实测储层压力投影到吸附等温 线上所对应的理论含气量的比值。线上所对应的理论含气量的比值。S实实=V实实/V V=VLP/(P+PL)V实实实测甲烷含量；实测甲烷含量；S实实含气饱和度。含气饱和度。V理论含气量，理论含气量，m3/t VLLangmuir体积，体积，m3/t；PLLangmuir压力，压力，MPa；P煤储层压力，煤储层压力，MPa；吸附状态：吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和过饱和，饱和，欠饱和说明：说明：1 1）理论饱和度为）理论饱和度为100%100%时，则为气饱和储层；时，则为气饱和储层；100%100%100%时，则为过饱和储层，说明时，则为过饱和储层，说明 煤储层内存在较多游离态和水溶态气体。煤储层内存在较多游离态和水溶态气体。2 2）实测饱和度的可靠程度虽然远高于理论饱和度，但）实测饱和度的可靠程度虽然远高于理论饱和度，但 因吸附等温线是在实验室内通过气压实验得出的，储因吸附等温线是在实验室内通过气压实验得出的，储 层压力又是通过试井得出的水压，而煤储层原位流体层压力又是通过试井得出的水压，而煤储层原位流体 压力是气压与水压的综合。因此，计算的饱和度误差压力是气压与水压的综合。因此，计算的饱和度误差 较大，因实测的煤层含气量中包括有游离气，使不同较大，因实测的煤层含气量中包括有游离气，使不同 煤级煤计算的饱和度误差不同，低煤级煤误差更大。煤级煤计算的饱和度误差不同，低煤级煤误差更大。二、临界解吸压力二、临界解吸压力 指指解解吸吸与与吸吸附附达达到到平平衡衡时时对对应应的的压压力力，即即压压力力降降低低使使吸吸附附在在煤煤微微孔孔隙隙表表面面上上的的气气体体开开始始解解吸吸时时的的压压力力。其其与与煤煤储储层层含含气气量量及及吸吸附附/解解吸吸特特性性呈呈函函数数关关系系，是是估估算算煤煤层层气气采采收收率率的的重重要要参数。参数。临储压力比临储压力比：临界解吸压力：临界解吸压力/储层压力。往往决定了地面煤层储层压力。往往决定了地面煤层 气开采中排水降压的难易程度。气开采中排水降压的难易程度。临界解吸压力临界解吸压力：在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力：在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力 三、理论采收率三、理论采收率 煤层甲烷采收率不仅取决于煤层的含气性、吸附煤层甲烷采收率不仅取决于煤层的含气性、吸附/解吸特解吸特性以及煤层所处的原始压力系统，且相当程度上受控于煤层气性以及煤层所处的原始压力系统，且相当程度上受控于煤层气的钻井、完井和开采工艺，即煤层被打开后储层压力所能降低的钻井、完井和开采工艺，即煤层被打开后储层压力所能降低的程度和压降的大小。的程度和压降的大小。据美国的经验可降至的最低储层压力，即枯竭压力，约为据美国的经验可降至的最低储层压力，即枯竭压力，约为0.7MPa，由临界解吸压力和朗缪尔常数可计算出理论采收率：，由临界解吸压力和朗缪尔常数可计算出理论采收率：Pcd临界解吸压力；临界解吸压力；Pad枯竭压力，约为枯竭压力，约为0.7MPa矿区矿区煤层煤层煤层埋煤层埋深深/m含气量含气量(m3/t)实测饱和实测饱和度度/%临界解吸压力临界解吸压力Pcd/MPa理论采收率理论采收率/%实测实测饱和饱和韩城韩城363010.3721.248.91.231.2256624.7219.224.60.810.24铁法铁法13,148248.8532.427.30.510峰峰峰峰25809.8326.315.80.776.7阳泉阳泉-寿阳寿阳343610.1221.746.61.0424.0155539.5421.444.60.9620.6淮南谢李淮南谢李1375014.8820.962.31.0327.9大城大城4119013.6716.483.36.5170.2开滦开滦5,8,98004.6410.046.40.50淮北芦岭淮北芦岭8,961013.3120.265.95.9876.5平顶山平顶山二二19006.8724.428.21.7451.7 我国部分矿区煤层气实测饱和度及临界解吸压力我国部分矿区煤层气实测饱和度及临界解吸压力 一般而言，由等温吸附曲线和含气量计算的临界解吸一般而言，由等温吸附曲线和含气量计算的临界解吸压力值普遍偏低，一些煤层气试验井的排采资料表明，气压力值普遍偏低，一些煤层气试验井的排采资料表明，气井的实际临界解吸压力要高于等温吸附曲线所计算的值。井的实际临界解吸压力要高于等温吸附曲线所计算的值。主要原因在于主要原因在于煤储层压力的复杂性煤储层压力的复杂性，计算的临界解吸压力计算的临界解吸压力尤其是与气压较大的煤储层差别很大尤其是与气压较大的煤储层差别很大。一、压力一、压力 当温度与其它因素相同时，煤储层甲烷吸附量随压力的增当温度与其它因素相同时，煤储层甲烷吸附量随压力的增加而增大，但不同的压力区间，其增加的幅度是不同的。低加而增大，但不同的压力区间，其增加的幅度是不同的。低压时，吸附量随压力几乎呈线性增长，朗格缪尔方程可简化压时，吸附量随压力几乎呈线性增长，朗格缪尔方程可简化为享利（为享利（Henry）公式，即：）公式，即：第四节第四节 煤吸附性的影响因素煤吸附性的影响因素 由此可见，低压时吸附量与气体压力成简单的正比线由此可见，低压时吸附量与气体压力成简单的正比线性关系。在中性关系。在中高压时，吸附量增长率逐渐变小，至某一高压时，吸附量增长率逐渐变小，至某一极限压力，吸附达到饱和状态，吸附量不再增大。因此，极限压力，吸附达到饱和状态，吸附量不再增大。因此，深部煤储层压力对煤的吸附性影响不大。地层条件下，压深部煤储层压力对煤的吸附性影响不大。地层条件下，压力通常是煤层埋深的函数。力通常是煤层埋深的函数。理论上，VL不受温度的影响，在任何温度条件下，吸附质一定时，其极限吸附量都相同。但在未达到最大吸附量之前，由于吸附是放热过程，温度总是对脱附起活化作用，温度越高，吸附性越弱，越有利于解吸。二、温度二、温度 不同温度条件下的等温吸附实验成果不同温度条件下的等温吸附实验成果地点样号Ro,max煤级朗格缪尔体积、朗格缪尔压力304050MeVL,dafPL,dafMeVL,dafPL,dafMeVL,dafPL,daf孤南40.86气煤2.8511.150.502.539.60.972.538.670.49坊子13-10.88气煤2.8110.250.613.238.350.413.237.620.43庄古90.95肥煤5.148.870.423.3910.930.473.399.480.47王庄12-11.23焦煤5.9411.880.202.809.030.222.808.430.24坊子131.38焦煤3.8511.600.462.6110.530.152.6112.250.26王庄122.57无烟煤6.6718.500.583.0716.930.663.0715.390.75三、煤层埋深三、煤层埋深 煤层埋深是温度和压力的间接反映，埋深增大，压力和温度均增加。一般而言，煤层甲烷吸附量随埋深的增加而增大。从瓦斯风化带边界到400600m深度，甲烷含量增加最快；8001000m为缓慢增加的区段；10001500m压力增加使吸附甲烷含量增加很小，而此时温度较高，使吸附甲烷量减少较多，二者综合结果，吸附气量总体趋于减少。但不同煤级煤吸附甲烷含量随埋深的变化差异很大。四、煤级四、煤级 平衡水条件下煤的饱和吸附气量与煤阶呈两段式模式，平衡水条件下煤的饱和吸附气量与煤阶呈两段式模式，其拐点大约在其拐点大约在Ro,max=4.0%左右。当左右。当4.0，朗格缪尔体积，朗格缪尔体积随煤级的增加而增大，当随煤级的增加而增大，当4.0，朗格缪尔体积随煤级的增，朗格缪尔体积随煤级的增加而减少。加而减少。平衡水条件下，低煤阶煤（平衡水条件下，低煤阶煤（Ro,max0.65%），吸附气），吸附气量一般小于量一般小于18cm3/g，高煤阶的煤（，高煤阶的煤（Ro,max在在4.0%左右），左右），吸附气量可达吸附气量可达40cm3/g。干燥煤样条件下，饱和吸附气量与煤阶呈三段式演化，干燥煤样条件下，饱和吸附气量与煤阶呈三段式演化，即在即在Ro,max3.7%，呈现负相关关系，呈现负相关关系 五、煤孔隙结构对吸附的影响五、煤孔隙结构对吸附的影响 煤煤的的结结构构包包括括煤煤的的物物理理结结构构和和化化学学结结构构。其其中中化化学学结结构构指指煤煤的的分分子子结结构构；物物理理结结构构包包括括分分子子间间的的堆堆垛垛结结构构与与孔孔隙隙结结构构。与与其其它它多多孔孔吸吸附附质质一一样样，煤煤的的吸吸附附特特性性很很大程度上取决于其孔隙结构。大程度上取决于其孔隙结构。普普遍遍的的观观点点认认为为煤煤对对气气体体的的吸吸附附能能力力与与孔孔容容、比比表表面面积积呈呈正正相相关关关关系系，但但煤煤级级不不同同，不不同同孔孔径径段段的的不不同同孔孔隙结构参数的影响程度也不同。隙结构参数的影响程度也不同。六、其他六、其他 另外煤的另外煤的化学组成化学组成、煤岩学组成煤岩学组成及及水分含量水分含量对煤的对煤的吸附型也有一定的影响。吸附型也有一定的影响。解吸：解吸：当煤储层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲当煤储层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始与微孔表面分离的过程。烷开始与微孔表面分离的过程。解吸是煤中吸附气由于储层压力降低而转变成游解吸是煤中吸附气由于储层压力降低而转变成游离气体的过程，在压降过程中，吸附离气体的过程，在压降过程中，吸附/解吸动态平衡结解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。果是造成吸附量减少。煤储层解吸特性常用煤储层解吸特性常用可解吸率可解吸率或或可解吸量可解吸量和和解吸解吸速率速率来衡量，解吸总量由阶段解吸量组成，解吸速率来衡量，解吸总量由阶段解吸量组成，解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。往往采用吸附时间来定量表示。第五节第五节 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征一、解吸量与解吸率一、解吸量与解吸率 我我国国煤煤层层气气井井和和美美国国煤煤层层气气解解吸吸资资料料由由3部部分分构构成成，即即逸逸散散气气量量、解解吸吸气气量量(解解吸吸至至一一周周内内平平均均每每天天小小于于10cm3时时为为止止)、残残余余气气量量。逸逸散散气气量量、解解吸吸气气量量之之和和为为理理论论可可解解吸吸量量，其与总含气量之比称为，其与总含气量之比称为理论可解吸率理论可解吸率。我我国国前前期期煤煤田田地地质质勘勘探探资资料料，瓦瓦斯斯解解吸吸资资料料多多由由四四部部分分构构成成，即即损损失失气气量量、现现场场两两小小时时解解吸吸量量、真真空空加加热热脱脱气气量量和和粉粉碎碎脱脱气气量量。通通常常，将将损损失失气气量量与与解解吸吸气气量量之之和和与与总总气气量量之之百百分分比比称称为为解解吸吸率率，损损失失气气量量与与现现场场两两小小时时解解吸吸气气量之和量之和为为解吸量解吸量。我国部分矿区煤层甲烷平均解吸量统计结果我国部分矿区煤层甲烷平均解吸量统计结果沁水盆地中南部解吸率与煤层埋深的关系沁水盆地中南部解吸率与煤层埋深的关系 东北铁法和西北宝积山等中生界煤储层埋深增大，煤层甲烷解吸东北铁法和西北宝积山等中生界煤储层埋深增大，煤层甲烷解吸 率却有降低的明显趋势，最佳解吸深度在率却有降低的明显趋势，最佳解吸深度在400600m之间。由此来看，之间。由此来看，不同地区和不同时代煤储层甲烷解吸率与埋深之间关系往往大相径庭不同地区和不同时代煤储层甲烷解吸率与埋深之间关系往往大相径庭。二、吸附时间二、吸附时间 定定义义：实实测测解解吸吸气气体体体体积积累累计计达达到到总总解解吸吸气气量量 （STP：标准温度、压力）的：标准温度、压力）的63%时所对应的时间。时所对应的时间。吸吸附附时时间间与与产产能能达达到到高高峰峰的的时时间间有有关关，与与煤煤层层气气长长期期的的产产能能关关系系不不密密切切。吸吸附附时时间间短短，则则煤煤层层气气井井有有可可能能在在短短期期内内达达到到产产能能高高峰峰，有有利利于于缩缩短短开开发发周周期期，但但不不利利于于气气井井的长期稳产。的长期稳产。通常由煤样的通常由煤样的自然解吸实验自然解吸实验来确定吸附时间。来确定吸附时间。我国煤储层吸附时间在数小时至我国煤储层吸附时间在数小时至20d之间，沁水盆地之间，沁水盆地石炭石炭-二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有120d。三、解吸速率三、解吸速率 定义定义：单位时间内的解吸：单位时间内的解吸 气量。气量。它它受受控控于于煤煤的的组组成成、煤煤基基块块大大小小、煤煤化化程程度度及及煤煤的的破破碎碎程程度度。自自然然解解吸吸条条件件下下解解吸吸速速率率总总体体表表现现为为快快速速下下降降，但但初初始始存存在在一一个个加加速速过过程程，中中间间可可能能受受煤煤孔孔径径结结构构的的影影响响，解解吸吸速速率率出出现现跳跳跃跃性性变变化化。储储层层条条件件下下的的解解吸吸速速率率因因压压降降不不同同将将变得更加复杂。变得更加复杂。