4 储层压力与吸附性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 煤储层压力及吸附,/,解吸特征,第一节 煤储层压力,第二节 煤储层的吸附特征,第三节 等温吸附曲线的应用,第四节 影响煤的吸附性因素,第五节 煤储层的解吸特征,第一节 煤储层压力,一、定义,指作用于煤孔隙,裂隙空间上的流体压力,(,包括水压和气压,),，故又称为,孔隙流体压力,。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（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，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。,煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括,上覆岩层静压力,、,静水柱压力,和,构造应力,。,1,、开放体系,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，即储层压力,=,静水压力。,2,、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，这时储层压力,=,上覆岩层压力。,3,、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，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：,V,P,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,压力系数,：,即实测储层压力与同深度静水压力之比,，,%,超压,：压力系数,1,，压力梯度,0.98 MPa/100m,；,正常压力,：压力系数,=1,，压力梯度,=0.98 MPa/100m;,欠压,：压力系数,1,，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,),压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。煤储层试井测的储层压力是水压，二者的测试条件和测试方法明显不同。,煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大，介于,1.213.4kPa/m,之间，抚顺矿区的气压最低，天府矿区的气压最高。气压高低与煤层含气饱和度、煤层风化带的深度有关。,吸附方式：,物理吸附，范德华力,吸附模型：,单层吸附，多层吸附，容积充填理论,一、吸附理论模型,1,、,Langmuir,模型,第二节 煤储层的吸附特征,V,L,或,V,m,或,a,最大吸附量；,V,L,、,P,L,朗格缪尔体积,和压力，,P,L,等于,1,b,2,、,BET,多分子层吸附模型,V,吸附量（,m,3,/g,）；,P,平衡气体压力（,MPa,）；,V,m,单分子层达到饱和的吸附量（,m,3,/g,）；,P,0,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。,3,、吸附势理论,V,o,微孔体积，,m,3,/g,；,吸附质的亲和系数；,K,与孔隙结构有关的参数；,R,普氏常数，,8.314J/(mol*K),；,P,o,实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力；,T,平衡温度，,K,；,p,吸附平衡时的气体压力，,MPa,；,二、 平衡水等温吸附实验,IS-100,型气体等温吸附,/,解吸仪,IS-100,仪器结构框图,p,V,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,四、多相介质煤岩体的吸附特征,（一） 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,（二）,多相介质的吸附特征,1,、煤对水和单组分气体,CH,4,的吸附,不同含水条件下的,CH,4,等温吸附曲线,2,、煤级变化对,CH,4,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,R,0 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,R,0max,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；,2,、估算煤储层的理论含气量和确定煤层气,的饱和状态；,3,、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。,第三节 等温吸附曲线的应用,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、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。,在实际操作中，常用,吸附气饱和度,来近似表示,煤储层含气饱和度,。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，才能进行对比。,理论饱和度,:,实际含气量与兰氏体积之比值,S,理,=,V,实,/,V,L,S,理,理论饱和度，,%,；,V,实,实测含气量，,m,3,/t,；,吸附等温线,:,V=,/,（,P+,）,/,/,/,实测饱和度,:,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。,S,实,=V,实,/V,V=V,L,P/(P+P,L,),V,实,实测甲烷含量；,S,实,含气饱和度。,V,理论含气量，,m,3,/t,V,L,Langmuir,体积，,m,3,/t,；,P,L,Langmuir,压力，,MPa,；,P,煤储层压力，,MPa,；,吸附状态：,过饱和，饱和，欠饱和,说明：,1,）理论饱和度为,100%,时，则为气饱和储层；,100%,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。,2,）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,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,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。,二、临界解吸压力,指解吸与吸附达到平衡时对应的压力，即压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力。其与煤储层含气量及吸附,/,解吸特性呈函数关系，是估算煤层气采收率的重要参数。,临储压力比,：临界解吸压力,/,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。,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,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,/,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。,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：,P,cd,临界解吸压力；,P,ad,枯竭压力，约为,0.7MPa,矿区,煤层,煤层埋深,/m,含气量,(m,3,/t),实测饱和度,/%,临界解吸压力,P,cd,/MPa,理论采收率,/%,实测,饱和,韩城,3,630,10.37,21.2,48.9,1.2,31.22,5,662,4.72,19.2,24.6,0.8,10.24,铁法,13,14,824,8.85,32.4,27.3,0.51,0,峰峰,2,580,9.83,26.3,15.8,0.77,6.7,阳泉,-,寿阳,3,436,10.12,21.7,46.6,1.04,24.0,15,553,9.54,21.4,44.6,0.96,20.6,淮南谢李,13,750,14.88,20.9,62.3,1.03,27.9,大城,4,1190,13.67,16.4,83.3,6.51,70.2,开滦,5,8,9,800,4.64,10.0,46.4,0.5,0,淮北芦岭,8,9,610,13.31,20.2,65.9,5.98,76.5,平顶山,二,1,900,6.87,24.4,28.2,1.74,51.7,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。主要原因在于,煤储层压力的复杂性,，,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,。,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为享利（,Henry,）公式，即：,第四节 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性关系。在中,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，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。,理论上，,V,L,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,不同温度条件下的等温吸附实验成果,地点,样号,R,o,max,煤级,朗格缪尔体积、朗格缪尔压力,30,40,50,M,e,V,L,daf,P,L,daf,M,e,V,L,daf,P,L,daf,M,e,V,L,daf,P,L,daf,孤南,4,0.86,气煤,2.85,11.15,0.50,2.53,9.6,0.97,2.53,8.67,0.49,坊子,13-1,0.88,气煤,2.81,10.25,0.61,3.23,8.35,0.41,3.23,7.62,0.43,庄古,9,0.95,肥煤,5.14,8.87,0.42,3.39,10.93,0.47,3.39,9.48,0.47,王庄,12-1,1.23,焦煤,5.94,11.88,0.20,2.80,9.03,0.22,2.80,8.43,0.24,坊子,13,1.38,焦煤,3.85,11.60,0.46,2.61,10.53,0.15,2.61,12.25,0.26,王庄,12,2.57,无烟煤,6.67,18.50,0.58,3.07,16.93,0.66,3.07,15.39,0.75,三、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,400,600m,深度，甲烷含量增加最快；,800,1000m,为缓慢增加的区段；,1000,1500m,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,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,R,o,max,=4.0%,左右。当,4.0,，朗格缪尔体积随煤级的增加而增大，当,4.0,，朗格缪尔体积随煤级的增加而减少。,平衡水条件下，低煤阶煤（,R,o,max,0.65%,），吸附气量一般小于,18cm3/g,，高煤阶的煤（,R,o,max,在,4.0%,左右），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，即在,R,o,max,3.7%,，呈现负相关关系,五、煤孔隙结构对吸附的影响,煤的结构包括煤的,物理结构,和,化学结构,。其中化学结构指煤的分子结构；物理结构包括分子间的堆垛结构与孔隙结构。与其它多孔吸附质一样，煤的吸附特性很大程度上取决于其孔隙结构。,普遍的观点认为煤对气体的吸附能力与孔容、比表面积呈正相关关系，但煤级不同，不同孔径段的不同孔隙结构参数的影响程度也不同。,六、其他,另外煤的,化学组成,、,煤岩学组成,及,水分含量,对煤的吸附型也有一定的影响。,解吸：,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。,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,/,解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。,煤储层解吸特性常用,可解吸率,或,可解吸量,和,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。,第五节 煤储层的解吸特征,一、解吸量与解吸率,我国煤层气井和美国煤层气解吸资料由,3,部分构成，即逸散气量、解吸气量,(,解吸至一周内平均每天小于,10cm,3,时为止,),、残余气量。逸散气量、解吸气量之和为,理论可解吸量,，其与总含气量之比称为,理论可解吸率,。,我国前期煤田地质勘探资料，瓦斯解吸资料多由四部分构成，即损失气量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎脱气量。通常，将,损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比,称为,解吸率,，,损失气量与现场两小时解吸气量之和,为,解吸量,。,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,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,400600m,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,。,二、吸附时间,定义：实测解吸气体体积累计达到总解吸气量 （,STP,：,标准温度、压力）的,63%,时所对应的时间。,吸附时间与产能达到高峰的时间有关，与煤层气长期的产能关系不密切。吸附时间短，则煤层气井有可能在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于气井的长期稳产。,通常由煤样的,自然解吸实验,来确定吸附时间。,我国煤储层吸附时间在数小时至,20d,之间，沁水盆地石炭,-,二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有,120d,。,三、解吸速率,定义,：单位时间内的解吸,气量。,它受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度及煤的破碎程度。自然解吸条件下解吸速率总体表现为快速下降，但初始存在一个加速过程，中间可能受煤孔径结构的影响，解吸速率出现跳跃性变化。储层条件下的解吸速率因压降不同将变得更加复杂。,