煤层气勘探与开发利用技术-第二章课件

煤层气勘探与开发利用技术亚美大陆煤层气有限公司张留子邮：zhangwei8365@163.com公共信箱：jcmeicengqi2011@163.com密码：555888煤层气勘探与开发利用技术亚美大陆煤层气有限公司1第二章煤储层及其基本物理性质问题：1、什么是煤储层？煤层气是怎样赋存在煤储层中的？2、煤储层的基本结构及组成？3、什么是吸附？吸附过程存在哪两种情况？第二章煤储层及其基本物理性质问题：2煤储层是指地层条件下储集煤层气的煤层。与常规天然气储层相比，具有双重空隙介质、渗透性较低、空隙比表面积较大、吸附能力极强、储气能力大等特点。煤储层是一种有机储层，这是煤储层有别于主要由矿物质构成的常规天然气储层的最根本区别。从而导致煤层气富集和开采中的一系列特有性质。煤储层是指地层条件下储集煤层气的煤层。与常规天然气储层相比，3第一节煤储层三相物质组成煤储层由固态、气态、液态三相物质所构成。1、固态物质是煤基质，2、液态物质一般是煤层中的水（有时也含有液态烃类物质），3、气态物质即煤层气。在地层状态下含有煤层气的煤层，才称为煤储层，否则都只是一般的煤层。第一节煤储层三相物质组成煤储层由固态、气态、液态三相物质4一、煤储层固态物质组成煤储层以固体有机质为主，含有数量不等的矿物质，它们共同构成了煤的固体骨架。固态物质成分，可从宏观、微观、大分子结构三个层面予以描述。固态物质组成的特性，一方面影响到煤储层储气空间发育特性，另一方面与煤的吸附/解吸性密切相关，此外很大程度上还会影响煤储层的渗透性和工程力学特性。一、煤储层固态物质组成51、宏观煤岩组成煤是一种有机岩类，包括三种成因类型，一是主要来源于高等植物的腐植煤，二为主要由低等生物形成的腐泥煤，三是介于前两者之间的腐植泥煤。自然界中以腐植煤为主，也是煤层气赋集的主要煤储层。煤岩类型（成分）包括镜煤、丝炭、亮炭和暗煤。2、显微煤岩组成显微煤岩组成包括显微组分和矿物质。在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，称为显微组分。显微组分的鉴别标志包括颜色、突起、反射力、光学各向异性，结构，形态等1、宏观煤岩组成6在腐泥煤中，藻类体和由低等生物源高度降解形成的腐泥基质是煤中的主要显微成分。显微组分种类和含量的不同，煤的生气、储集、渗透性能均有差别。煤中矿物质种类、含量、赋存形式等直接关系煤储层含气量高低，也涉及煤储层中裂隙发育特征和力学性质，对煤层气开采有显著影响。在腐泥煤中，藻类体和由低等生物源高度降解形成的腐泥基质是煤中73、煤的大分子结构煤中有机质大分子结构基本结构单元（BSU）的骨架结构由缩合芳环体系组成，其基本化学结构为芳香环。煤中有机质大分子基本结构单元的缩聚过程主要起源于三种反应机制，即芳结构作用、环缩合作用和拼叠作用。3、煤的大分子结构煤中有机质大分子结构基本结构单元（BSU）8二、煤储层液态物质组成煤储层中液态物质包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及煤基质中的束缚水。在煤化学中，将煤中水分划为三类，即外在水分，内在水分和化合水。平衡水分含量相当于工业分析中空气干燥基水分和煤样水平衡时吸附水分含量之和。二、煤储层液态物质组成煤储层中液态物质包括裂隙、大孔隙中的自9三、煤储层气态物质组成煤储层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气。其中甲烷在煤储层中的赋存方式有游离态、吸附态、固溶态和水溶态。三、煤储层气态物质组成煤储层中赋存的气态物质就是煤层气，主要10第二节煤储层多重孔隙结构煤储层是由孔隙和裂隙构成的多孔介质。才使得煤储层具有储气的功能和允许煤层气扩散---渗流---运移的能力。因此，了解煤储层的孔隙---裂隙系统及其特征，是进一步解决煤层气勘探开发中相关问题的重要基础。第二节煤储层多重孔隙结构煤储层是由孔隙和裂隙构成的多孔介11一、煤储层孔隙—裂隙系统1、一般认为煤储层具有由孔隙、裂隙组成的双重孔隙结构。2、P.Gamsonetal认为孔隙、裂隙之间还存在着一种过渡型。3、傅雪海提出：煤储层是由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔隙—裂隙介质。其中，孔隙是煤层气主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的较量。一、煤储层孔隙—裂隙系统124、英国理工学院Shietal认为，目前被广泛用来模拟气体在煤基质中运移的双重孔隙模型并不适合于所有煤基的煤储层。例如：低煤基煤大孔中世纪赋存着相当数量的游离气，但双重孔隙模型却假定气体在煤基质中仅以吸附相存在，对游离相忽略不计。5、很多实验也证实，煤中存在双种形式或多种形式的孔隙。基于这种认识，建立了三重孔隙模型和双分散孔隙扩散模型，并将其用于煤储层数值模拟。4、英国理工学院Shietal认为，目前被广泛用来模136、煤储层中天然裂隙在国外被称为割理。在整个煤储层中连续分布的割理称为面割理，终止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理，两种割理通常相互垂直或近似直交。7、我国对煤层割理认识有三种：割理基本上是煤储层中收缩裂隙，走向受形成期古构造应力场控制；割理相当于其他岩层的节理；割理是煤层中基本上没有发生位移的张性裂隙。6、煤储层中天然裂隙在国外被称为割理。在整个煤储层中连续分148、对煤层割理的认识有三种：1、强调内应力作用，认为割理是煤化作用过程中，由于垂向亚实作用和脱水作用引起煤基质收缩而形成，即传统意义上的内生裂隙；2、强调外应力作用，认为割理的形成与古构造应力有关；3、强调综合作用，认为割理是煤化作用、构造应力等因素综合作用的结果。9、因为国内没有对割理进行明确的定义，所以提出宏观裂隙概念。8、对煤层割理的认识有三种：1、强调内应力作用，认为割理是煤15二、煤储层宏观裂隙1、在我国，以面裂隙代替面割理，以端裂隙代替端割理。煤层中往往面裂隙相对发育，连通性相对较好，渗透性相对较高，这种特征是导致煤储层渗透率各向异性的关键因素。2、根据规模，形态，成因等特征，可将煤储层中宏观裂隙划分为四级，包括大裂隙，中裂隙，小裂隙和微裂隙（见图2-4和表2-5）二、煤储层宏观裂隙1、在我国，以面裂隙代替面割理，以端裂隙代161、根据裂面形成时的受力状态，将宏观裂隙分成三类：1、张性裂隙，张应力超过煤岩抗张强度时产生，不受剪应力作用，裂隙面粗糙不平；2、张性剪裂隙，破裂时裂隙面即承受压应力，又承受剪应力；3、压性剪裂隙，破裂时裂隙面即承受压应力，有承受较大的剪应力，裂隙面平直光滑。2、煤储层中裂隙有三种组合形式：1、矩形网状裂隙；2、不规则网状裂隙；3、平行状裂隙。3、在煤层气开发过程中，其受力会发生变化，导致裂隙面位移，见图2--51、根据裂面形成时的受力状态，将宏观裂隙分成三类：1、张性裂174、剪切程度公式：A=1-(1-ϬN/PO)1.5AN--被剪切掉的凸起体面积与裂隙总面积之比ϬN—裂隙面上的正应力，即ϬN=Ϭn-aP;P—裂隙内流体压力；a—比奥特系数；Po---煤岩单轴抗压强度。裂隙粗糙度的算式：C=1+8.8(e/2b)1.5C---粗糙度，b---裂隙密度，e----凸起高度。4、剪切程度公式：18三、煤储层显微裂隙1、显微裂隙是肉眼看不到的，必须借助显微镜才能看到的裂隙。2、显微裂隙往往局限于一个煤岩分层内，发育多组，方向零乱，是主要由流体压力、收缩应力等形成的内生裂隙，但也同样课件由外应力形成的构造裂隙。3、显微裂隙的组合形态有矩形网络状、菱形网络状、三角形网络状、不规则网络状、树枝状、T形、X形等。三、煤储层显微裂隙1、显微裂隙是肉眼看不到的，必须借助显微镜19四、煤中孔隙1、煤中的孔隙是指煤基块中未被固体物（有机质和矿物质）充填的空间，煤的孔径结构是研究煤层气赋存状态、气---水介质与煤基质间相互作用及煤层气解吸—扩散—渗流的重要理论。2、以显微煤岩组分和变质变形特征为基础，从扫描电镜观察结果，将煤孔隙的成因类型划分为四类十型，见表2—6.四、煤中孔隙1、煤中的孔隙是指煤基块中未被固体物（有机质和矿203、我国煤层气界广泛用B.BXOДOT的十进制分类系统（见表2--7）。认为气体在大孔中主要以剧烈层流和紊流方式渗流，在微孔以毛细管凝结、物理吸附及扩散现象等方式存在。4、国际纯化学与应用化学联合会提出用汞侵入法和低温氮吸附法。汞侵入法可以测直径大于7.2nm的孔隙；低温氮吸附法可测出直径为0.35nm的孔隙。3、我国煤层气界广泛用B.BXOДOT的十进制分类系统（215、孔容和表面积是孔隙的重要特征。孔容就是孔隙的体积，用比孔容表示，单位为cm3/g。总孔容常用SANS法、CO2吸附法或纯氦比重法测算。与煤级和煤物质组成密切相关，随着煤级增高，煤的总孔容先减小后增大，约在焦煤中期阶段达到极小值（见图2--6）。6、煤的表面积包括外表面积和内表面积，外表面积多占比例较小，煤的内表面积用比表面积表征，单位为cm2/g。5、孔容和表面积是孔隙的重要特征。孔容就是孔隙的体积，用比孔227、煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙体积与煤总体积之百分比，可采用密度法、煤油法、氦气法、二氧化碳法进行测试。其大小与煤级和煤物质组成有关。镜煤的孔隙率随着煤级增高而发生规律性变化，分别在焦炭中期和高级无烟煤末期达到极小值，在中级无烟煤初期达到极大值。7、煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙体积与煤总体积之百分比，可采用23第三节煤对气体的吸附特性煤层气与常规天然气的根本区别是，煤储层有强烈的吸附性，两者之间有根本的区别。煤层气在产出之前要先发生解吸，煤层气的吸附性和解吸性是煤层气勘探和开发的必备基础知识。一、煤的吸附理论1、基本原理吸附是物质在相界面上的过剩现象，如煤层气分子和煤孔隙之间的关系。吸附作用表示其物质表面气体或液体分子的积累，是一种表面现象。吸附也属于一种传质过程，物质内部分子和周围分子有相互吸引的引力，液体和固体的表面可以吸附其他液体和气体，由其表面积很大的物质。第三节煤对气体的吸附特性煤层气与常规天然气的根本区别是，241)、吸附有两种情况：1、物理吸附，吸附过程中不改变原来的性质，因此吸附能量小，容易脱落；2)、化学吸附，吸附过程中不仅有引力，还存在化学键，因此吸附能量较大，改变这种吸附需要很大的能量，即使被逐出，会发生化学变化。煤层气主要是以物理吸附方式存在于煤储层中。煤对气体的吸附是可逆的，由于范德华力的作用，在临界温度以下所有气体都有吸附，可以产生凝结现象，在—100摄氏度----30摄氏度范围未发生化学吸附。1)、吸附有两种情况：1、物理吸附，吸附过程中不改变原来的性252)、物理吸附释放的热量很低，物理吸附和凝聚作用相似。因此吸附态甲烷和液体甲烷具有相似的物理性质和密度。3)、煤的吸附特性一般用吸附等温线直观表征，在温度恒定和压力变化条件下的吸附过程称为等温吸附，详见图2-7.4)、实验证明：1.在恒压条件下测定不同温度时的吸附量（等压线），2.吸附物质的量或体积一定时，比较不同温度下的压力变化（等容线），3.在恒温条件下测定不同压时被吸附物质的数量（等温线）。2)、物理吸附释放的热量很低，物理吸附和凝聚作用相似。因此吸262、单相气体吸附模型1)、郎缪尔模型：其基本假设为：1、固体表面的吸附力起因于表面原子力的欠饱和，气体分子只有碰到尚未被吸附的空白表面才能被吸附，若固体表面排满一层分子后这种力场得到饱和，因此吸附是单分子层的；2、固体表面是均匀的，各处吸附能力相同，吸附热不随覆盖度变化，是个常数。3、已被吸附的分子，其热动能足以克服吸附剂引力场位垒时，又会重新回到气相，被吸附分子之间无作用力，吸附与解吸是可逆的。4、吸附平衡时动态平衡，吸附的同时解吸也在进行，吸附达到平衡，也是吸附速度等于解吸速度。2、单相气体吸附模型272)、朗缪尔吸附等温方程式ʘ=V/Vm=bp/（1+bp）或V=Vmbp/（1+bp）=abp/（1+bp）=VLp/(p+pL)。式中：ʘ---煤孔隙表面被气体分子覆盖的百分数，称为覆盖度。VL，Vm，a---煤孔隙表面覆盖满分子层时的吸附量，即最大吸附量，VL为朗缪尔体积；b---吸附系数，是温度和吸附热的函数。V---气体压力为p时的吸附量。pL---朗缪尔压力（为1/b）。温度升高，b减小或pL增大，故吸附量随温度的升高而降低。2)、朗缪尔吸附等温方程式283、BET多分子吸附模型：其假设如下：1、被吸附分子和碰撞到其上面气体分子之间也存在范德华力，因而繁盛多层吸附。2、第一吸附层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同。3、吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。BET方程的二常数表达式为：P/V(p0-p)=1/VmC+(C-1)/VmC*P/p0Vm---单分子层达到饱和时的吸附量p0---实验温度下吸附质的饱和蒸汽压C---与吸附热和吸附质液化有关的系数3、BET多分子吸附模型：其假设如下：1、被吸附分子和碰撞到293、多项气体吸附模型----了解内容4、吸附势理论------了解内容二、煤对纯气体的吸附特征1、不同纯气体的吸附能力，取决于气体分子与煤分子之间的作用力，与各种吸附质的沸点有关，沸点高，则吸附能力强，煤层气各组分的吸附能力：N2<CH4<C2H6<CO2<C3H8<H2O.2、水分含量对煤的吸附能力有显著的影响，抑制了煤对气体的吸附，降低了吸附能力。3、多项气体吸附模型----了解内容30三、煤对多元气体的吸附特征1、两种气体的朗缪尔等温方程式分别为：ʘA=bApA/(1+bApA+bBpB)ʘ覆盖度p为分压ʘB=bBpB/(1+bApA+bBpB)n元气体的朗缪尔等温吸附方程式：ʘi=bip;/(1+∑bipi)二元气体的吸附等温线，总是介于强吸附气体与弱吸附气体的吸附等温线之间。见图2—12.三、煤对多元气体的吸附特征1、两种气体的朗缪尔等温方程式分别31四、影响煤吸附的地质因素1、地球物理场因素煤储层压力受煤层埋藏深度、构造应力场、地温场、地下流体系统等得综合影响。一般煤储层压力增大，煤对甲烷的吸附量随之增高。在较低压力压段，吸附量压力基本呈线性增长，朗缪尔方程见53页。温度提供的能量使吸附气活化，温度越高，越有利于煤层气解吸见图2—13；温度升高，煤的最大吸附能力减弱，见图2—14.四、影响煤吸附的地质因素1、地球物理场因素322、煤质煤岩因素煤的物质组成是影响其吸附性的另一个因素。矿物质对煤层气没有吸附力，煤中的矿物质含量越高，其吸附性降低。2、煤质煤岩因素33第四节煤储层的工程力学特性煤层及其顶底板的力学性质，是影响煤储层盖章效果的重要因素，煤岩与岩石的力学参数，是煤储层三维应力状态和压裂裂缝模拟、压裂压力曲线分析、压裂施工工艺优化设计的必要依据。一、岩石力学参数1、煤岩的力学强度煤岩的力学强度包括抗压强度、抗张强度和抗剪强度。第四节煤储层的工程力学特性煤层及其顶底板的力学性质，是影341)、煤岩样在单向受压条件下整体破坏时的压力，称为单轴抗压强度（pc），是岩石力学实验中的重要指标，可以反映煤储层的破裂强度。2)、岩石抗拉强度(pt)是岩样受拉伸道道破坏时的极限应力。煤层不同方向上的抗拉强度直接影响到裂缝产状，尤其是确定水平缝和垂直缝必不可少的参数。煤储层与其顶底板之间抗张强度的差值，现住地影响到压裂裂缝高度的扩展。1)、煤岩样在单向受压条件下整体破坏时的压力，称为单轴抗压强353)、抗剪强度是莫尔强度理论的重要指标，是计算破裂压力的重要参数。利用倾斜压模剪切仪，变动角度可以方便地得到不同正应力ϭ和剪应力¢数值。岩石的破坏是在某个面上的剪切破坏，剪切破坏时该画面上的正应力ϭ与剪应力¢满足¢=f(ϭ)的关系，这就是莫尔强度理论。岩石包络线有多种形式，如抛物线形、双曲线形、摆线形、直线形等，煤岩这类弱岩石的包络线一般为抛物线形。等应力小于10兆帕时，可采用直线形包络线，即如58页公式。3)、抗剪强度是莫尔强度理论的重要指标，是计算破裂压力的重要362、弹性模量及相关系数1)、弹性模量是材料在弹性范围内应力与应变力与应变的比值。在力学上反应材料的坚固性。煤岩弹性模量(E)对煤层压裂裂缝发育影响极大，裂缝的宽度与弹性模量成反比关系，是计算裂缝尺寸的直接参数之一。如果煤层与其顶底板岩层之间存在足够的弹性模量差，就具备了控制压裂裂缝不向顶底板扩展的重要自然条件。三轴切线模量计算公式如下：58页。2、弹性模量及相关系数372)