第1章-煤层气赋存、产出机理-6学时

1、采气工程采气工程第一章第一章 煤层气赋存、产出机理煤层气赋存、产出机理采气工程采气工程煤层气赋存、产出机理煤层气赋存、产出机理 煤储层的几何模型煤储层的几何模型 煤层气储集机理煤层气储集机理 煤层气吸附性能的主要影响因素煤层气吸附性能的主要影响因素 煤层气产出的先决条件煤层气产出的先决条件 煤层气产出机理煤层气产出机理 小小 结结内容提要内容提要采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型煤层气煤层气几何几何模型模型双重孔隙结构模型双重孔隙结构模型三元结构模型三元结构模型基质孔隙基质孔隙裂隙孔隙裂隙孔隙两级扩散两级扩散宏观裂隙宏观裂隙孔孔 隙隙煤储层的非均质性，很难用统一的模型来表

2、述。煤储层的非均质性，很难用统一的模型来表述。 双直径球型模型双直径球型模型适用中煤阶适用中煤阶分分I、类和类和、类类显微裂隙显微裂隙采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型RootRoot双重孔隙几何模型双重孔隙几何模型由该模型可知煤层气由基质孔隙由该模型可知煤层气由基质孔隙解吸扩散解吸扩散到割理系到割理系统，然后沿割理以统，然后沿割理以达西流达西流运移到井筒运移到井筒。采气工程采气工程根据根据RootRoot模型煤中孔隙分类模型煤中孔隙分类一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型XoXoo oT T依据工业吸附剂提出：依据工业吸附剂提出：微孔微孔构成煤的构成煤的吸附容积吸附

3、容积，小小孔孔构成煤层气的构成煤层气的毛细凝结和扩散区域毛细凝结和扩散区域，中孔中孔构成煤层气缓构成煤层气缓慢慢层流紊流区域层流紊流区域，大孔大孔则构成则构成剧烈层流渗透区域剧烈层流渗透区域。煤孔隙分类一览表研究者研究者级级 别别微孔微孔小孔小孔中孔中孔大孔大孔XooT（1961）1000Gan等（等（1972)30国际理论与应用化国际理论与应用化学联合会（学联合会（1972)50采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型根据根据RootRoot模型煤中孔隙分类模型煤中孔隙分类煤中基质孔隙的类型及特征类型类型孔径孔径孔隙结构特征孔隙结构特征油气运移和储集油气运移和储集气体扩散孔隙

4、类型气体扩散孔隙类型1000多以管状、板状孔多以管状、板状孔隙为主隙为主易于液态烃、气易于液态烃、气态烃储集和运态烃储集和运移，排驱效果好移，排驱效果好气体容积型扩散孔隙气体容积型扩散孔隙1000-100以板状、管状孔隙以板状、管状孔隙为主，间有不平行为主，间有不平行板状板状易于液态烃、气易于液态烃、气态烃储集和运态烃储集和运移移 100-10以不平行板状孔隙以不平行板状孔隙为主，有一部分墨为主，有一部分墨水瓶状孔隙水瓶状孔隙易于气体储集，但易于气体储集，但不利于重烃气体的不利于重烃气体的运移运移气体分子型扩散孔隙气体分子型扩散孔隙10具有较多的墨水瓶具有较多的墨水瓶孔隙和不平行板状孔隙和不平

5、行板状毛细管孔隙毛细管孔隙气体能储集，但气体能储集，但不利于运移不利于运移采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型裂隙裂隙外生裂隙外生裂隙 割理割理（内生裂隙）（内生裂隙）剪切外生裂隙剪切外生裂隙张性外生裂隙张性外生裂隙劈理劈理面割理面割理（主内生裂隙）（主内生裂隙）端割理（端割理（次内生裂隙）次内生裂隙）继承性裂隙继承性裂隙采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型直线型延伸的一组割理S型割理被方解石完全充填主外生裂隙，次外生裂隙面割理和限于面割理之间的端割理采气工程采气工程raRaraRiri一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型双直径球形几何模型双直径球形

6、几何模型由该模型可知煤储层渗透性的主要贡献者为由该模型可知煤储层渗透性的主要贡献者为外生裂外生裂隙隙，在无烟煤中更是如此，割理的主要贡献是，在无烟煤中更是如此，割理的主要贡献是沟通沟通了基质块与外生裂隙的联系。了基质块与外生裂隙的联系。采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型 碎粒煤，焦作朱村煤矿山西组糜棱煤，巩义大峪沟煤矿山西组 糜棱煤，湖南红卫煤矿下石炭统受构造破坏严重的碎粒煤和糜棱煤采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型双直径球形几何模型双直径球形几何模型raRaraRiri由该模型可知：煤层气由基质微孔隙表面解吸由该模型可知：煤层气由基质微孔隙表面解吸

7、扩散扩散至至基质大孔隙中，继而由基质大孔隙基质大孔隙中，继而由基质大孔隙扩散扩散至井孔产出。至井孔产出。即在这类储层内不存在即在这类储层内不存在达西流达西流。采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型根据双直径孔隙结构模型煤中孔隙分类及成因根据双直径孔隙结构模型煤中孔隙分类及成因 由裂缝切割出的基质块内未被固态物质充填的空间称为基质孔隙，基质孔隙主要影响煤层气的赋存。基质孔隙按成因可将孔隙分为气孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔、原生粒间孔等。按孔径大小可分为微孔、小孔、中孔和大孔。气孔是指煤化作用过程中气体逸出留下的痕迹。残留植物组织孔是植物本身组织结构的继承。次生孔隙是煤中矿

8、物质，如黄铁矿、碳酸盐等在地下水循环过程中被溶蚀形成的。晶间孔是原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。原生粒间孔是各种成煤物质颗粒间的孔隙，是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型煤中孔隙分类及成因煤中孔隙分类及成因孔隙按孔径大小分类及流态特征孔隙分级孔隙分级孔隙分类孔隙分类孔径孔径/nm/nm煤层气储运煤层气储运特征特征吸附吸附微孔微孔2500紊流紊流采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型三元结构模型三元结构模型宏观裂隙宏观裂隙大、中、小、微大、中、小、微一级、二级、三级割理一级、二级、三级割理显微裂隙显微

9、裂隙阶梯状、雁列式、帚状、阶梯状、雁列式、帚状、X式式孔隙孔隙大孔、中孔、过渡孔、微孔大孔、中孔、过渡孔、微孔渗流孔、吸附孔渗流孔、吸附孔采气工程采气工程一、煤储层的几何模型一、煤储层的几何模型基于三元结构的煤中孔隙分类基于三元结构的煤中孔隙分类基于煤层气运移特征的煤孔隙分类 单位：nm孔隙分级孔隙分级孔隙分类孔隙分类孔半径孔半径煤层气流动特征煤层气流动特征扩散扩散微孔微孔1000紊流紊流认为：认为：65nm65nm65nm为为渗流通道渗流通道。采气工程采气工程 甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但溶解度很小。甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但溶解度很小。而煤层气储层多是饱含水的

10、，因此在一定的地层条件下，必定有一而煤层气储层多是饱含水的，因此在一定的地层条件下，必定有一部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述： 甲烷在水中的溶解度主要取决于水的温度、矿化度、环境压力和甲烷在水中的溶解度主要取决于水的温度、矿化度、环境压力和气体成分。气体成分。bcbCKp bcbcbpKpKC1二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理1.溶解态溶解态:采气工程采气工程二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理 游离气指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由移动的天然气，这部游离气指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由移动的天然气，这部分气体服从一般

11、气体方程，对于象煤层气这样的真实气体，可用范分气体服从一般气体方程，对于象煤层气这样的真实气体，可用范德华方程描述：德华方程描述： 游离气量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩游离气量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数。系数。2.游离态游离态:pVZnRT游离ZnRTVp游离 或或采气工程采气工程二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理3.吸附态吸附态:采气工程采气工程 1916 1916年，年，Langmuir Langmuir 在研究低压下气体于金属表面在研究低压下气体于金属表面上的吸附时，将所得数据处理后发现一些规律性的东西，上的吸附时，将所得数据处理后发现一些

12、规律性的东西，并从动力学的观点出发，提出了固体对气体的吸附理论，并从动力学的观点出发，提出了固体对气体的吸附理论，这个理论常称为单分子层吸附理论。这个理论常称为单分子层吸附理论。二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理采气工程采气工程二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理a a 单个煤体单个煤体“球形球形”吸附层结构示意图吸附层结构示意图b b煤孔隙三元结构吸附煤层气示意图煤孔隙三元结构吸附煤层气示意图图图 煤孔隙系统吸附煤层气情况示意图煤孔隙系统吸附煤层气情况示意图煤核心煤核心煤表面煤表面内生裂隙内生裂隙外生裂隙外生裂隙宏观裂隙宏观裂隙稳定吸附层稳定吸附层平衡吸附层平衡吸附层自由气体层自由

13、气体层CH4 煤基质 面裂隙 端裂隙 H24O显微裂隙孔隙H2OCH4煤基质吸附气吸附特征吸附气吸附特征不饱和力场不饱和力场德拜诱导力和德拜诱导力和伦敦色散力伦敦色散力吸附势阱吸附势阱 捕获分子捕获分子采气工程采气工程二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理采气工程采气工程煤层气与常规油煤层气与常规油气开发方法差异气开发方法差异游离气游离气吸附气吸附气水溶气水溶气煤层气：煤层气：项目 常规油气 煤层气储层 孔隙裂隙 基质表面及割理成藏 游离型 自生自储吸附型勘探 圈闭、岩性 承压水、高饱和试气 单井 短期 大井组长期产出 初期产量高 中期产量高开采 注水保压 排水降压二、煤层气的储集机理二、煤

14、层气的储集机理采气工程采气工程赋存状态的转化赋存状态的转化吸附气吸附气溶解气溶解气游离气游离气温度不变情况下转化关系温度不变情况下转化关系压压力力升升高高压压力力升升高高压力压力降低降低条条 件件甲烷气体浓度甲烷气体浓度溶溶解度解度甲烷气体浓度溶甲烷气体浓度溶解度解度原始赋存原始赋存状态状态 吸附气吸附气+溶解气溶解气 吸附气吸附气+溶解气溶解气 +游离气游离气图图 煤层气在煤储层中赋存状态及转化关系煤层气在煤储层中赋存状态及转化关系二、煤层气的储集机理二、煤层气的储集机理采气工程采气工程吸附性能影响因素吸附性能影响因素内部因素内部因素外部环境外部环境物质组成物质组成孔隙特征孔隙特征灰分水分灰

15、分水分温温 度度压压 力力三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素1.压力压力图图 瓦斯压力吸附瓦斯量关系曲线瓦斯压力吸附瓦斯量关系曲线 吸附是气体与固体表面之间未达热力学平衡时发生的，达到平衡是“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累实现的。 实验表明，在给定的温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大，并且将超于某个定值。采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素2.温度温度图图 温度对瓦斯吸附量的影响曲线温度对瓦斯吸附量的影响曲线温度

16、总是对脱附起活化作用，温度越高，游离气越多，吸附气越少。 实验研究结果表明，温度每升高1，煤吸附瓦斯的能力降低约为8%，其原因是温度升高时，瓦斯活性增大，难于被煤体吸附，同时己被吸附的瓦斯分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来。采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素3.水分含量水分含量图图 水分对瓦斯吸附量的影响曲线水分对瓦斯吸附量的影响曲线 水分和气体分子与煤之间具有相似的特性，水与煤之间都不存在共价键，都是以较弱的范德华力吸附在煤中。 只有在未达到临界水分含量时，它的增加使甲烷的吸附量降低，超过临界水分含量的部分只覆盖煤颗粒表面，不影响吸附过程，甲烷

17、的吸附量不再减少。采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素4.煤阶煤阶采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素5.煤的显微组分煤的显微组分 在瘦煤之前，煤的吸附能力是:惰质组(指有胞腔结构无充填物的丝质体)镜质组惰质组(粗粒体和有胞腔结构但被充填的丝质体)，原因是在煤变质较低的煤中惰质组中有大量的纹孔，而镜质组孔隙和内表面积纹孔少，造成惰质组比镜质组吸附能力强。在无烟煤3号变质阶段，煤的吸附能力是:镜质组惰质组，原因是在高变质阶段，镜质组中有更多的挥发物质产出，引起微孔增多之故。采气工程采气工程三、煤层气吸附性能的

18、主要影响因素三、煤层气吸附性能的主要影响因素6.煤孔隙特征煤孔隙特征 煤岩比表面积的大小取决于微孔体积的大小，与中孔体积大小关系不明显；孔隙平均直径越大，总比表面积越小；煤对甲烷吸附能力与总孔体积、总孔比表面积、微孔比表面积呈正相关关系。煤的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。采气工程采气工程四、煤层气产出的先决条件四、煤层气产出的先决条件 煤层气的产出条件可从物质基础、流动通道及能量系统等三个方面进行阐述。产出的先决条件产出的先决条件 一定的资源量是进行煤层气开采的基础 渗透能力的大小是连接气体赋存空间与外部环境 的重要纽带 解吸能力的强弱将直接影响煤层气的

19、开采难易 程度及采收率资源量资源量 运移通道运移通道渗透能力渗透能力解吸能力解吸能力采收率采收率开采效果开采效果经济效益经济效益采气工程采气工程四、煤层气产出的先决条件四、煤层气产出的先决条件图图 煤层气产出先决条件及控制因素框图煤层气产出先决条件及控制因素框图煤层煤层气产气产出先出先决条决条件及件及控制控制因因 素素人为难改变因素人为难改变因素人为较易改变因素人为较易改变因素 原始含气量原始含气量 煤层总厚度煤层总厚度 资源丰度资源丰度 资源量资源量 储层本身条件储层本身条件 临界解吸压力临界解吸压力 解吸时间解吸时间 连通程度连通程度 含气饱和度含气饱和度 原始储层压力原始储层压力 物质基

20、础物质基础 裂隙间距裂隙间距 渗透率渗透率 解解 吸吸 扩散渗流扩散渗流 排采制度排采制度 排采强度排采强度 排采时间排采时间 运移产出运移产出 产出的主控因素产出的主控因素采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理图中图中: :A(PL,VL)-最大吸附点; B(P1,V1)-理论吸附点; C(P1,V2)-实际吸附点; D(Pi,Vi)-采收过程吸附点; E(Pn,Vn)-枯竭吸附点; C(P2,V2)-临界解吸吸附点. 压力/P吸附体积/V0ABCDEPLVLP1V1V2PiViPnVnLangmuirLangmuir吸附等温线吸附等温线CP2曲线方程：V=VL*P/(PL+P

21、)采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理uVL:煤岩的最大吸附能力煤岩的最大吸附能力(这时这时P),简称兰氏体积简称兰氏体积. PL:吸附量吸附量V达到达到VL/2时所对应的压力值时所对应的压力值,简称兰氏压力简称兰氏压力.影响吸附等温线的形态参影响吸附等温线的形态参 数数,反映煤层气解吸的难易反映煤层气解吸的难易,值越低值越低,脱附越容易脱附越容易,开发越有利开发越有利.V1:当前地层压力下的煤岩理论含气量当前地层压力下的煤岩理论含气量. P1:储层压力储层压力,即当前煤储层压力即当前煤储层压力.V2:当前地层压力下的实际含气量当前地层压力下的实际含气量. P2:临界解吸压力临

22、界解吸压力,甲烷开始解吸的压力点甲烷开始解吸的压力点.Vi:排采过程中含气量排采过程中含气量. Pi:排采过程中的储层压力排采过程中的储层压力.Vn:煤层残留含气量煤层残留含气量. Pn:煤层气井的枯竭压力煤层气井的枯竭压力.Langmuir吸附等温线物理意义吸附等温线物理意义:Langmuir吸附等温线生产中的意义吸附等温线生产中的意义:uV2/V1含气饱和度含气饱和度. (V2-Vn)/V2理论最大采收率理论最大采收率. (V2-Vi)/V2生产过程中动态采收率生产过程中动态采收率.l根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动态根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动

23、态.若煤层欠饱和若煤层欠饱和(V2PP表面表面PP微微PP裂缝裂缝PP井底井底二元解吸二元解吸采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理三层产出三层产出解吸机理解吸机理压 力/P吸 附 体 积/V0ABCDEPLVL/2P1V1V2PiViPnVnCP2曲线方程：曲线方程：V=VL*P/（PL+P）图 煤吸附甲烷气体的Langmuir等温吸附曲线示意图图中：图中：A（P PL L,V,VL L/2/2）兰兰氏吸附点；氏吸附点；B(PB(P1 1,V,V1 1) )-理论理论 吸附点；吸附点；C(PC(P1 1,V,V2 2)-)-实际吸附点；实际吸附点；D(PD(Pi i,V,Vi

24、i)-)- 采收过程吸附点；采收过程吸附点； E(PE(Pn n,V,Vn n)-)-枯竭吸附枯竭吸附 点；点；C(PC(P2 2,V,V2 2)-)-临界解吸吸附点临界解吸吸附点. .lV2/V1含气饱和度含气饱和度. (V2-Vn)/V2理论最大采收率理论最大采收率. (V2-Vi)/V2生产过程中动态采收率生产过程中动态采收率.l根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动态层气的早期排采动态.若煤层欠饱和若煤层欠饱和(V2V1),气体的解吸和流动受气体的解吸和流动受到抑制到抑制,煤储层压力煤储层压力P1须降低至临界解吸压力须降低至临界解吸压力

25、P2时才开始解吸时才开始解吸.当当V2V1时时,为过饱和状态为过饱和状态,这时这时C点位于点位于B点点的正上方的正上方, 当煤层压力降到接近当煤层压力降到接近P1点点时就有气时就有气体产出体产出.l随着枯竭压力随着枯竭压力Pn的降低的降低,最大采收率增加最大采收率增加;因因此排采过程中要尽可能的降低枯竭压力此排采过程中要尽可能的降低枯竭压力,以获以获得更高的采收率得更高的采收率.采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理三层产出三层产出扩散机理扩散机理 扩散是一种以分子形式进行的传质扩散是一种以分子形式进行的传质作用，作用，浓度差及能量差浓度差及能量差的客观存在是扩的客观存在是扩散得

26、以进行的散得以进行的源动力源动力；从；从高浓度区向低高浓度区向低浓度区浓度区运移是扩散的运移是扩散的主方向主方向，最终达到，最终达到浓度平衡。浓度平衡。努森扩散主要是分子与孔壁之间的相互作用。体积扩散主要是分子与分子之间的相互作用。表面扩散中，质量传递是经过吸附态流体运移进行的，没有自由态的质量传递。图图 基质内煤层甲烷基质内煤层甲烷 扩散示意图扩散示意图采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理三层产出三层产出扩散机理扩散机理 煤层气通过煤基质微孔隙系统的扩散，可以按非稳态扩散和拟稳态扩散两种模式进行处理。拟稳态扩散遵从Fick第一定律，非稳态扩散遵从Fick第二定律。22CCDt

27、X菲克第二定律菲克第二定律：表示客观，计算量大，反映时空变化。菲克第一定律菲克第一定律：假设煤基质块内，煤层气在扩散过程中每一个时间段都有一个平均煤层气浓度。采气工程采气工程五、煤层气产出机理五、煤层气产出机理煤层气的产出阶段煤层气的产出阶段影响半径/R储层压力/P0阶段一只有压降传递无水气流动CAB压降曲线阶段二饱和单相水流阶段三非饱和单相流少量气泡阶段四水气两相流水气混合阶段五水气两相流以气为主相对渗透率/K0.01.0气水两相流动区域水单相流区域水气静水区域煤层气的产出阶段煤层气的产出阶段采气工程采气工程u第一阶段第一阶段: 仅有压降传递仅有压降传递,无水气流动阶段无水气流动阶段 压降幅度比较小压降幅度比较小,还不足以使煤层中的水产生流动还不足以使煤层中的水