储层压力与吸附性实用教案

1、第一节第一节 煤储层压力煤储层压力(yl)(yl)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(yl)(yl)(包括水压和气压包括水压和气压) )，故又称为孔隙流体压力，故又称为孔隙流体压力(yl)(yl)。多通过试井获取。多通过试井获取. . 煤储层压力煤储层压力(yl)(yl)与煤层含气性密切相关，它与与煤层含气性密切相关，它与吸附性（特别是临界解吸压力吸附性（特别是临界解吸压力(yl)(yl)）之间的相对关）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，系直接影响采气过程中排水降压的难易程度。因此，煤储层压力煤储层压力(yl)(yl)

2、的研究，不仅对煤层含气性和开采的研究，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。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，包括上覆岩层静压力上覆岩层静压力(yl)(yl)、静水柱压力、静水柱压力(yl)(yl)和构造应和构造应力。力。 第1页/共46页第一页，共47页。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(zyu)流动。

3、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： VP V上覆岩层压力，MPa；P煤储层压力，MPa； 煤储层骨架应力，MPa。 第2页/共46页第二页，共47页。二、储层压力状态二、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压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，比，% % 超压：压力系数超压：压力系数11，压力梯度，压力梯度0.98 MPa/100m0.98 MPa/100m； 正常压力：压力系数正常压力

4、：压力系数=1=1，压力梯度，压力梯度=0.98 MPa/100m;=0.98 MPa/100m; 欠压：压力系数欠压：压力系数11，压力梯度，压力梯度0.98 MPa/100m、=或淡水静水压力梯度来判定的。因此，地下水矿化度是影响(yngxing)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。第12页/共46页第十二页，共47页。4、煤层气（瓦斯、煤层气（瓦斯(w s)）压）压力力 煤层气(瓦斯)压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得

5、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，介于之间，抚顺矿区的气压最低，天府(tin f)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。第13页/共46页第十三页，共47页。吸附方式(fngsh)：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模型第二节第二节 煤储层的吸附煤储层的吸附(xf)(xf)特征特征LLmpppVbpabpbpbpVV11VL或Vm或a最大吸附量； VL 、PL朗格缪尔体积 和压力(yl)，PL等于1b 第14页/

6、共46页第十四页，共47页。2 2、BETBET多分子层吸附(xf)(xf)模型V吸附量（m3/g）；P平衡气体压力（MPa）；Vm单分子层达到(d do)饱和的吸附量（m3/g）；P0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。 第15页/共46页第十五页，共47页。3 3、吸附(xf)(xf)势理论Vo微孔(wi kn)体积，m3/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)；Po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； 第16页/共46页第十六页，共47页。 二、 平衡(

7、pnghng)水等温吸附实验IS-100型气体等温吸附(xf)/解吸仪第17页/共46页第十七页，共47页。IS-100IS-100仪器仪器(yq)(yq)结构框结构框图图第18页/共46页第十八页，共47页。pV气体气体(qt)(qt)在固体表面上吸附等温线的不同类型在固体表面上吸附等温线的不同类型 三、等温吸附(xf)曲线类型第19页/共46页第十九页，共47页。四、多相(du xin)介质煤岩体的吸附特征（一） 气相多组分吸附(xf)特征单组分和多组分混合气体等温吸附单组分和多组分混合气体等温吸附(xf)曲线曲线第20页/共46页第二十页，共47页。（二） 多相介质的吸附(xf)(xf)

8、特征 1 1、煤对水和单组分气体CH4CH4的吸附(xf) (xf) 不同含水不同含水(hn shu)(hn shu)条件下的条件下的CH4CH4等温吸附曲线等温吸附曲线第21页/共46页第二十一页，共47页。2、煤级变化(binhu)对CH4的吸附特征 不同煤级煤的干燥样最大吸附(xf)量与Ro,max的关系 第22页/共46页第二十二页，共47页。不同煤级煤的平衡(pnghng)水样最大吸附量与Ro,max的关系 第23页/共46页第二十三页，共47页。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，

9、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(chngxin)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。 第24页/共46页第二十四页，共47页。 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(yc)煤储层在降压解吸过程中煤层气的 采收率或可采资源量。第三节第三节 等温吸附曲线等温吸附曲线(qxin)(qxin)的应用的应用第25页/共46页第二十五页，共47页。一、理论

10、饱和度或实测饱和度 含气饱和度是指煤储层在原位温度(wnd)(wnd)、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 S理=V=V实/VL /VL S S理理论饱和度，% %； V V实实测含气量，m3/tm3/t；第26页/共46页第二十六页，共47页。吸附(xf)等温线: V=/（P+） /第27页/共46页第二十七页，共47页。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(du

11、yng)(duyng)的理论含气量的比值。 S S实=V=V实/V/V V=VLP/(P+PL) V=VLP/(P+PL) V V实实测甲烷含量； S S实含气饱和度。 V V理论含气量，m3/tm3/t VLLangmuir VLLangmuir体积，m3/tm3/t； PLLangmuir PLLangmuir压力，MPaMPa； P P煤储层压力，MPaMPa；吸附(xf)状态：过饱和，饱和，欠饱和第28页/共46页第二十八页，共47页。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

12、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）实测饱和度的可靠程度虽然(surn)(surn)远高于理论饱和远高于理论饱和度，但度，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

13、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。第29页/共46页第二十九页，共47页。二、临界解吸压力二、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煤储层含气量及吸附/解吸特性解吸特性(txng)呈函数关系，是估呈函数关系，是估算煤层气采收率的重要参数。算煤层气采收率的重要参数。临储压力比：临界解吸压力临储压力比：临界解吸压力/储层压力。往往决定了地面储层压力。往往决定了地

14、面煤层煤层 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：在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压临界解吸压力：在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力力 实实VVPVPLLcd第30页/共46页第三十页，共47页。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(d ki)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，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； Pad枯竭压力，约为)()(1adL

15、cdcdLadPPPPPP第31页/共46页第三十一页，共47页。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1375014.88

16、20.962.31.0327.9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 我国部分我国部分(b fen)(b fen)矿区煤层气实测饱和度及临界解吸压力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(q jn)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

17、吸压力尤其是与气压较大的煤储层差别很大。 第32页/共46页第三十二页，共47页。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(zn d)，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：第四节第四节 煤吸附性的影响煤吸附性的影响(yngxing)(yngxing)因素因素 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(bin xio)，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

18、埋深的函数。 第33页/共46页第三十三页，共47页。 理论上，VL不受温度的影响，在任何温度条件下，吸附质一定(ydng)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(wnd)HH第34页/共46页第三十四页，共47页。 不同温度不同温度(wnd)(wnd)条件下的等温吸附实验成果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.

19、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第35页/共46页第三十五页，共47页。三、煤层埋深 煤层埋深是温度和压

20、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(ji wn)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(ji wn)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(ji wn)含量增加很小，而此时温度较高，使吸附甲烷(ji wn)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(ji wn)含量随埋深的变化差异很大。第36页/共46页第三十六页，共47页。四、煤级 平衡水条件下煤的饱和吸附气量(qling)与煤阶呈两段式模式，其拐点大约在Ro,max=4.0%左右。当，朗格缪尔体积随煤级的增加而

21、增大，当，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（Ro,max0.65%），吸附气量(qling)一般小于18cm3/g，高煤阶的煤（Ro,max在4.0%左右），吸附气量(qling)可达40cm3/g。 干燥煤样条件下，饱和吸附气量(qling)与煤阶呈三段式演化，即在Ro,max3.7%，呈现负相关关系第37页/共46页第三十七页，共47页。 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(pbin)的观点认为煤对气体

22、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。第38页/共46页第三十八页，共47页。 解吸：解吸： 当煤储层压力降低到一定程度，煤中被吸附的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甲烷开始与微孔(wi kn)(wi kn)表面分离的过程。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，吸附游离气体的过程，在压降过程中，吸附/ /解吸动态平解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。衡

23、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。成，解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。 第五节第五节 煤储层的解吸煤储层的解吸(jix)(jix)特特征征第39页/共46页第三十九页，共47页。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(pngjn)每天小于10cm3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。 第40页/共46页第四十页，共47页。我国部分矿区煤层甲烷(ji wn)平均解吸量统计结果第41页/共46页第四十一页，共47页。沁水盆地中南部解吸(jix)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