储层压力与吸附性PPT学习教案

1、会计学1储层压力与吸附性储层压力与吸附性第一节第一节 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( (包括水压和气压包括水压和气压) )，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（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

2、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、静水柱压力静水柱压力和和构造应力构造应力。 第1页/共46页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，即储层压力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。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不能自由流动。

3、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。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，由于岩性不均而形成局部半封闭状态。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：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3页/共4

4、6页超压超压煤层气井喷煤层气井喷第4页/共46页三、储层压力的地质控制三、储层压力的地质控制 1、埋深、埋深y = 0.0114x - 1.4369r= 0.82142345678910111250060070080090010001100煤层埋深m储层压力/MPa线性 (实测压力)线性 (正常压力)第5页/共46页 2、地应力、地应力 构造应力增加，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压以及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集。构造应力增加，有利于煤储层压力的

5、保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压以及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集。 不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔裂隙被压缩，体积变小，储层压力变大；当地应力变小，孔裂隙体积变大，储层压力则变小。因此，地应力与储层压力存在相关性。不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔裂隙被压缩，体积变小，储层压力变大；当地应力变小，孔裂隙体积变大，储层压力则变小。因此，地应力与储层压力存在相关性。第6页/共46页 煤层气井的注入/压降试井的微型压裂法可测到煤储层的闭合压力，最小

6、主应力实际上是指煤体被压开的裂缝开启后闭合时的闭合压力。 煤储层压力与闭合压力的关系煤储层压力与闭合压力的关系 第7页/共46页 储层压力与最小主应力之间的这种规律，对于煤层气开采是一对矛盾：储层压力与最小主应力之间的这种规律，对于煤层气开采是一对矛盾： 储层压力大，容易排水降压，形成压力差，气体易解吸；储层压力大，容易排水降压，形成压力差，气体易解吸； 最小主应力对煤层气开采有负面影响，应力对孔裂隙起着闭合作用，应力越大，孔裂隙的开启程度越小，对流体的渗流通道有影响，降低了煤储层的渗透率，也就影响到产气量。最小主应力对煤层气开采有负面影响，应力对孔裂隙起着闭合作用，应力越大，孔裂隙的开启程度

7、越小，对流体的渗流通道有影响，降低了煤储层的渗透率，也就影响到产气量。 因此，因此，煤层气开采应选择应力小的区域和储层压力高的区域煤层气开采应选择应力小的区域和储层压力高的区域。第8页/共46页注：注： 我国晚古生代、中生代煤储层为无水煤层或弱含水煤层，只有新生代个别煤层为含水层，试井方法以水流体为载体得出的煤储层压力，很难反映我国煤储层压力的全貌，因为煤储层压力中包括水压和气压，对应于煤储层三元结构系统，实际上存在三级压力场。我国晚古生代、中生代煤储层为无水煤层或弱含水煤层，只有新生代个别煤层为含水层，试井方法以水流体为载体得出的煤储层压力，很难反映我国煤储层压力的全貌，因为煤储层压力中包括

8、水压和气压，对应于煤储层三元结构系统，实际上存在三级压力场。 第9页/共46页pp3、水文地质、水文地质开放体系开放体系第10页/共46页第11页/共46页第12页/共46页4、煤层气（瓦斯）压力、煤层气（瓦斯）压力 煤层气煤层气(瓦斯瓦斯)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。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

9、含气饱和度、煤层风化带的深度有关。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 42号煤样012345678024681012p /MPaVL,daf / m3t-1304050LLmpppVbpabpbpbpVV11VL

10、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 第14页/共46页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。 第15页/共46页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

11、；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； 第16页/共46页 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/解吸仪解吸仪第17页/共46页数据采集系统恒温水浴煤样过滤器 温度探头压力传感器到色谱仪氦或甲烷气源加湿器水浴温度显示器C DAFvB Sc T IS-100IS-100仪器结构框图仪器结构框图第18页/共46页pV气体在固体表面上吸附等温线的不同类型气体在固体

12、表面上吸附等温线的不同类型 三、等温吸附曲线类型三、等温吸附曲线类型第19页/共46页四、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0 6 12 18 24 30 p/MPa 24 16 8 0 Q/cm3g-1 N2 CH4+N2 CH4 CH4+CO2+N2 CH4+CO2 CO2 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第20页/共46页（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 0246810121401234567p /MPaV

13、L,daf / m3 t-1Mad=0.00%Mad=0.56%Mad=1.26%Mad=2.08%Mad=2.66%Mad=5.10%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第21页/共46页2、煤级变化对、煤级变化对CH4的吸附特征的吸附特征 6050403020100.5123456 7 8 9Ro,max/%a/cm .g值3-1不同煤级煤的干燥样最大吸附量与Ro,max的关系 第22页/共46页y1 = 7.9593x + 3.9913r= 0.89y2= -6.5863x + 61.122r= 0.970510152025303540012345678

14、9Ro，maxVL,dafm3 .t-1不同煤级煤的平衡水样最大吸附量与Ro,max的关系 第23页/共46页第24页/共46页第三节第三节 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用第25页/共46页一、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、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。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，常用在实际操作中，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。应当指出：等温吸附曲线和煤层含气量均应校正为干燥无灰

15、基，才能进行对比。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；第26页/共46页 p ad p ad 吸附等温线吸附等温线: V=/（P+） /第27页/共46页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；

16、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，欠饱和第28页/共46页第29页/共46页 实实VVPVPLLcd第30页/共46页三、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。解吸特性

17、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，由临界解吸压力和朗缪尔常数可计算出理论采收率：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；临界解吸压力； Pad枯竭压力，约为枯竭压力，约为)()(1adLcdcdLadPPPPPP第31页/共46页矿区矿区煤层煤层煤层煤层埋深埋深/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/

18、%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8,961013.3120.265.95.98

19、76.5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计算的临界解吸压力尤其是与气压较大的

20、煤储层差别很大。 第32页/共46页一、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（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：）公式，即： 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

21、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。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。 第33页/共46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HH平顶山二1,气煤干燥煤样0510152025300246压力（MPa）VL,daf / m3 t-13040平衡水煤样

22、Shannopin 2号矿Pittsburgh 煤层0481216202401234567压力（MPa）VL,daf / m3 t-103050第34页/共46页 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.

23、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；10001

24、500m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。第36页/共46页四、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，其拐点大约在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Ro,max=4.0%左右。当，朗格缪尔体积随煤级的增加而增大，当，朗格缪尔体积随煤级的增加而减少。左右。当，朗格缪尔体积随煤级的增加而增大，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（平衡水条件下，低煤阶煤（Ro,max0.65%），吸附气量一般小于），吸附气量一

25、般小于18cm3/g，高煤阶的煤（，高煤阶的煤（Ro,max在在4.0%左右），吸附气量可达左右），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，即在干燥煤样条件下，饱和吸附气量与煤阶呈三段式演化，即在Ro,max3.7%，呈现负相关关系，呈现负相关关系第37页/共46页 五、煤孔隙结构对吸附的影响五、煤孔隙结构对吸附的影响 煤的结构包括煤的煤的结构包括煤的物理结构物理结构和和化学结构化学结构。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。其中化学结构指煤的分子结构；物理结构包括

26、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。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吸附型也有一定的影响。对煤的吸附型也有一定的影响。第38页/共46页第五节第五节 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第39页/共46页一、解吸量与解吸率一、解吸量与解吸率

27、我国煤层气井和美国煤层气解吸资料由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解吸至一周内平均每天小于10cm3时为止时为止)、残余气量。逸散气量、解吸气量之和为、残余气量。逸散气量、解吸气量之和为理论可解吸量理论可解吸量，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

28、量。通常，将损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比称为称为解吸率解吸率，损失气量与现场两小时解吸气量之和损失气量与现场两小时解吸气量之和为为解吸量解吸量。 第40页/共46页 解吸量（cm3/g） 矿区 地层 时代 煤 层 编 号 反射率（%） V1+V2 总量 解吸率（%） 样本数 铁法 K1 12 0.56 1.96 5.23 37.5 123 辽河 E 0.54 1.78 7.86 22.6 2 靖远 J1+2 0.92 1.90 6.38 29.8 42 窑街 J1+2 煤 1,2 0.64 0.39 4.26 9.10 3 P1 3 2.12 5

29、.62 9.67 54.0 1 韩 城 C2 11 2.28 2.37 4.39 59.0 2 P2 13-1 0.87 1.59 5.40 29.4 12 淮南 新集 P1 11-2 1.04 1.43 5.15 27.8 14 徐州 P2 2 1.16 1.36 4.82 28.2 16 峰峰 P1 2 2.26 2.93 6.53 44.9 6 P1 3 1.86 4.48 12.51 35.8 61 潞 安 C2 15 1.92 3.96 11.81 33.5 14 P1 3 4.35 3.79 14.24 26.6 105 晋 城 C2 15 4.32 7.05 18.46 38.2

30、 90 P1 2 1.43 1.23 5.60 22.0 4 霍 州 C2 10 1.53 1.46 5.00 29.2 4 P2 9 JM,SM 5.76 10.82 53.2 5 恩 洪 P2 15 JM 5.59 10.63 52.6 9 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第41页/共46页28.527.638.436.238.149.101020304050603004005006007008003埋深/m3解吸率/%33.737.739.633.736.638.63032343638404230040050060070080015埋深/m15

31、解吸率/%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。 第42页/共46页二、吸附时间二、吸附时间 定义：实测解吸气体体积累计达到总解吸气量定义：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：标

32、准温度、压力）的63%时所对应的时间。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。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，沁水盆地石炭之间，沁水盆地石炭-二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有120d。 第43页/共46页表4-7 我国部分煤储层吸附时间统计表（据叶建平，有补充） 矿区 孔号 煤层 编号 埋深 /m 反射 率/% 吸附 时间/d 矿区 孔号 煤层 编号 埋深 /m 反射 率/% 吸附 时间/d