1、.,第四章 煤儲層壓力及吸附/解吸特征,第一節(jié) 煤儲層壓力 第二節(jié) 煤儲層的吸附特征 第三節(jié) 等溫吸附曲線的應用 第四節(jié) 影響煤的吸附性因素 第五節(jié) 煤儲層的解吸特征,.,第一節(jié) 煤儲層壓力,一、定義 指作用于煤孔隙裂隙空間上的流體壓力(包括水壓和氣壓)，故又稱為孔隙流體壓力。多通過試井獲取. 煤儲層壓力與煤層含氣性密切相關(guān)，它與吸附性（特別是臨界解吸壓力）之間的相對關(guān)系直接影響采氣過程中排水降壓的難易程度。因此，煤儲層壓力的研究，不僅對煤層含氣性和開采地質(zhì)條件的評價十分重要，同時也可為完井工藝提供重要參數(shù)。 煤儲層流體要受到三個方面力的作用，包括上覆巖層靜壓力、靜水柱壓力和構(gòu)造應力。,.,1

2、、開放體系 煤儲層滲透性較好并與地下水連通。 孔隙流體所承受的壓力為連通孔道中的靜水柱壓力，即儲層壓力=靜水壓力。 2、封閉體系 若煤儲層被不滲透地層所包圍，由于儲層流體被封閉而不能自由流動。 儲層孔隙流體壓力與上覆巖層壓力保持平衡，這時儲層壓力=上覆巖層壓力。 3、半封閉體系 在煤儲層滲透性很差且與地下水連通性不好的條件下，由于巖性不均而形成局部半封閉狀態(tài)。 上覆巖層壓力由儲層內(nèi)孔隙流體和煤基質(zhì)塊共同承擔： VP V上覆巖層壓力，MPa；P煤儲層壓力，MPa； 煤儲層骨架應力，MPa。,.,二、儲層壓力狀態(tài) 壓力系數(shù)：即實測儲層壓力與同深度靜水壓力之比，% 超壓：壓力系數(shù)1，壓力梯度0.98

3、 MPa/100m； 正常壓力：壓力系數(shù)=1，壓力梯度=0.98 MPa/100m; 欠壓：壓力系數(shù)1，壓力梯度0.98 MPa/100m。 我國三十二個礦區(qū)試井結(jié)果表明，各煤級煤儲層超壓狀態(tài)占33.2%，正常壓力狀態(tài)占21.9%，欠壓狀態(tài)占45.3%，各煤級煤儲層中三種狀態(tài)均有分布，其中中煤級煤儲層大多處于欠壓狀態(tài)。,.,超壓煤層氣井噴,.,三、儲層壓力的地質(zhì)控制 1、埋深,.,2、地應力,構(gòu)造應力增加，有利于煤儲層壓力的保持，但往往導致滲透率降低，并給煤儲層的排水、降壓以及煤層氣的解吸、運移、產(chǎn)出造成一定困難，在高地應力區(qū)尤為如此?？傮w上來看，構(gòu)造應力過高會對煤層氣井的高產(chǎn)帶來消極影響，過

4、低則不利于煤層氣的富集。 不同地區(qū)地應力的大小是不同的，當應力增大，孔裂隙被壓縮，體積變小，儲層壓力變大；當?shù)貞ψ冃?，孔裂隙體積變大，儲層壓力則變小。因此，地應力與儲層壓力存在相關(guān)性。,.,煤層氣井的注入/壓降試井的微型壓裂法可測到煤儲層的閉合壓力，最小主應力實際上是指煤體被壓開的裂縫開啟后閉合時的閉合壓力。,煤儲層壓力與閉合壓力的關(guān)系,.,儲層壓力與最小主應力之間的這種規(guī)律，對于煤層氣開采是一對矛盾： 儲層壓力大，容易排水降壓，形成壓力差，氣體易解吸； 最小主應力對煤層氣開采有負面影響，應力對孔裂隙起著閉合作用，應力越大，孔裂隙的開啟程度越小，對流體的滲流通道有影響，降低了煤儲層的滲透率，

5、也就影響到產(chǎn)氣量。 因此，煤層氣開采應選擇應力小的區(qū)域和儲層壓力高的區(qū)域。,.,注： 我國晚古生代、中生代煤儲層為無水煤層或弱含水煤層，只有新生代個別煤層為含水層，試井方法以水流體為載體得出的煤儲層壓力，很難反映我國煤儲層壓力的全貌，因為煤儲層壓力中包括水壓和氣壓，對應于煤儲層三元結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實際上存在三級壓力場。,.,P=GpH P儲層壓力，MPa； Gp壓力梯度（單位垂深內(nèi)的儲層壓力增量）， MPa/100m； H煤層中心埋藏深度，m =hGw 視儲層壓力，MPa Gw靜水壓力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水） h煤層中點處水頭深度，m,3、水文地質(zhì),

6、開放體系,.,在煤系地層中，由于各個煤層主要含水層間無明顯的水力聯(lián)系，往往構(gòu)成不同的水動力系統(tǒng)，儲層壓力主要是由儲層本身的直接充水含水層的水頭高度來度量。 如華北地區(qū)太原組煤層的直接充水含水層是其頂板的石灰?guī)r含水層，山西組煤層的直接充水含水層是其上部的砂巖含水層。這兩個含水層之間沒有或水力聯(lián)系微弱，具有相互獨立的補排系統(tǒng)。因此，同一個測試井的上下兩個煤層，可能具有完全不同的原始儲層壓力狀態(tài)，與儲層的直接充水含水層的富水性、補給條件、水頭高度等有關(guān)。,.,儲層壓力狀態(tài)是按、=或淡水靜水壓力梯度來判定的。因此，地下水礦化度是影響儲層壓力狀態(tài)的重要因素： 地下水礦化度越高其比重越大，在相同的壓力水頭

7、高度下，高礦化水比低礦化水的水頭壓力要大。因此，在封閉、滯流、地下水補排條件較差的高礦化度水分布區(qū)段，往往出現(xiàn)儲層壓力的高壓異常狀態(tài)。,.,4、煤層氣（瓦斯）壓力,煤層氣(瓦斯)壓力是指在煤田勘探鉆孔或煤礦礦井中測得的煤層孔隙中的氣體壓力。煤儲層試井測的儲層壓力是水壓，二者的測試條件和測試方法明顯不同。 煤層氣（瓦斯）壓力梯度值的變化幅度很大，介于1.213.4kPa/m之間，撫順礦區(qū)的氣壓最低，天府礦區(qū)的氣壓最高。氣壓高低與煤層含氣飽和度、煤層風化帶的深度有關(guān)。,.,吸附方式：物理吸附，范德華力 吸附模型：單層吸附，多層吸附，容積充填理論 一、吸附理論模型 1、Langmuir模型,第二節(jié)

8、煤儲層的吸附特征,VL或Vm或a最大吸附量； VL 、PL朗格繆爾體積 和壓力，PL等于1b,.,2、BET多分子層吸附模型,V吸附量（m3/g）； P平衡氣體壓力（MPa）； Vm單分子層達到飽和的吸附量（m3/g）； P0實驗溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸氣壓（MPa）；C與吸附熱和吸附質(zhì)液化有關(guān)的系數(shù)。,.,3、吸附勢理論,Vo微孔體積，m3/g ； 吸附質(zhì)的親和系數(shù)； K與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)； R普氏常數(shù)，8.314J/(mol*K)； Po實驗溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓力； T平衡溫度，K； p 吸附平衡時的氣體壓力，MPa；,.,二、 平衡水等溫吸附實驗,IS-100型氣體等溫吸附/解吸儀,.

9、,IS-100儀器結(jié)構(gòu)框圖,.,氣體在固體表面上吸附等溫線的不同類型,三、等溫吸附曲線類型,.,四、多相介質(zhì)煤巖體的吸附特征,（一） 氣相多組分吸附特征,單組分和多組分混合氣體等溫吸附曲線,.,（二） 多相介質(zhì)的吸附特征 1、煤對水和單組分氣體CH4的吸附,不同含水條件下的CH4等溫吸附曲線,.,2、煤級變化對CH4的吸附特征,不同煤級煤的干燥樣最大吸附量與Ro,max的關(guān)系,.,不同煤級煤的平衡水樣最大吸附量與Ro,max的關(guān)系,.,認識： 1）對于干燥煤樣，隨煤級的增高，朗繆爾體積分別在R0 max 1.3%和1.5%附近達到極小值和極大值，具有“三段式”的演化模式，至無煙煤中-晚期階段吸

10、附性消失。 2）平衡水條件下，朗繆爾體積僅在R0max為4.5%附近達到最大值，實際呈現(xiàn)為“兩段式”演化模式。這一發(fā)現(xiàn)，為合理評價煤儲層的吸附性與含氣性提供了重要科學依據(jù)。,.,在煤層氣研究工作中，煤的等溫吸附曲線主要應用于以下三方面： 1、確定煤儲層中的煤層氣臨界解吸壓力； 2、估算煤儲層的理論含氣量和確定煤層氣 的飽和狀態(tài)； 3、預測煤儲層在降壓解吸過程中煤層氣的 采收率或可采資源量。,第三節(jié) 等溫吸附曲線的應用,.,一、理論飽和度或?qū)崪y飽和度 含氣飽和度是指煤儲層在原位溫度、壓力、水分含量等儲層條件下，煤層含氣總量與總?cè)輾饽芰Φ谋戎?。在實際操作中，常用吸附氣飽和度來近似表示煤儲層含氣飽和

11、度。應當指出：等溫吸附曲線和煤層含氣量均應校正為干燥無灰基，才能進行對比。 理論飽和度:實際含氣量與蘭氏體積之比值 S理=V實/VL S理理論飽和度，%； V實實測含氣量，m3/t；,.,吸附等溫線: V=/（P+） /,.,實測飽和度:實測含氣量與實測儲層壓力投影到吸附等溫 線上所對應的理論含氣量的比值。 S實=V實/V V=VLP/(P+PL) V實實測甲烷含量； S實含氣飽和度。 V理論含氣量，m3/t VLLangmuir體積，m3/t； PLLangmuir壓力，MPa； P煤儲層壓力，MPa；,吸附狀態(tài)：過飽和，飽和，欠飽和,.,說明： 1）理論飽和度為100%時，則為氣飽和儲層；

12、100%時，則為過飽和儲層，說明 煤儲層內(nèi)存在較多游離態(tài)和水溶態(tài)氣體。 2）實測飽和度的可靠程度雖然遠高于理論飽和度，但 因吸附等溫線是在實驗室內(nèi)通過氣壓實驗得出的，儲 層壓力又是通過試井得出的水壓，而煤儲層原位流體 壓力是氣壓與水壓的綜合。因此，計算的飽和度誤差 較大，因?qū)崪y的煤層含氣量中包括有游離氣，使不同 煤級煤計算的飽和度誤差不同，低煤級煤誤差更大。,二、臨界解吸壓力 指解吸與吸附達到平衡時對應的壓力，即壓力降低使吸附在煤微孔隙表面上的氣體開始解吸時的壓力。其與煤儲層含氣量及吸附/解吸特性呈函數(shù)關(guān)系，是估算煤層氣采收率的重要參數(shù)。 臨儲壓力比：臨界解吸壓力/儲層壓力。往往決定了地面煤層

13、 氣開采中排水降壓的難易程度。 臨界解吸壓力：在等溫曲線上煤樣實測含氣量所對應的壓力,.,三、理論采收率 煤層甲烷采收率不僅取決于煤層的含氣性、吸附/解吸特性以及煤層所處的原始壓力系統(tǒng)，且相當程度上受控于煤層氣的鉆井、完井和開采工藝，即煤層被打開后儲層壓力所能降低的程度和壓降的大小。 據(jù)美國的經(jīng)驗可降至的最低儲層壓力，即枯竭壓力，約為0.7MPa，由臨界解吸壓力和朗繆爾常數(shù)可計算出理論采收率： Pcd臨界解吸壓力； Pad枯竭壓力，約為0.7MPa,.,我國部分礦區(qū)煤層氣實測飽和度及臨界解吸壓力,一般而言，由等溫吸附曲線和含氣量計算的臨界解吸壓力值普遍偏低，一些煤層氣試驗井的排采資料表明，氣井

14、的實際臨界解吸壓力要高于等溫吸附曲線所計算的值。主要原因在于煤儲層壓力的復雜性，計算的臨界解吸壓力尤其是與氣壓較大的煤儲層差別很大。,.,一、壓力 當溫度與其它因素相同時，煤儲層甲烷吸附量隨壓力的增加而增大，但不同的壓力區(qū)間，其增加的幅度是不同的。低壓時，吸附量隨壓力幾乎呈線性增長，朗格繆爾方程可簡化為享利（Henry）公式，即：,第四節(jié) 煤吸附性的影響因素,由此可見，低壓時吸附量與氣體壓力成簡單的正比線性關(guān)系。在中高壓時，吸附量增長率逐漸變小，至某一極限壓力，吸附達到飽和狀態(tài)，吸附量不再增大。因此，深部煤儲層壓力對煤的吸附性影響不大。地層條件下，壓力通常是煤層埋深的函數(shù)。,.,理論上，VL不

15、受溫度的影響，在任何溫度條件下，吸附質(zhì)一定時，其極限吸附量都相同。 但在未達到最大吸附量之前，由于吸附是放熱過程，溫度總是對脫附起活化作用，溫度越高，吸附性越弱，越有利于解吸。,二、溫度,.,不同溫度條件下的等溫吸附實驗成果,.,三、煤層埋深 煤層埋深是溫度和壓力的間接反映，埋深增大，壓力和溫度均增加。 一般而言，煤層甲烷吸附量隨埋深的增加而增大。從瓦斯風化帶邊界到400600m深度，甲烷含量增加最快；8001000m為緩慢增加的區(qū)段；10001500m壓力增加使吸附甲烷含量增加很小，而此時溫度較高，使吸附甲烷量減少較多，二者綜合結(jié)果，吸附氣量總體趨于減少。但不同煤級煤吸附甲烷含量隨埋深的變化

16、差異很大。,.,四、煤級 平衡水條件下煤的飽和吸附氣量與煤階呈兩段式模式，其拐點大約在Ro,max=4.0%左右。當4.0，朗格繆爾體積隨煤級的增加而增大，當4.0，朗格繆爾體積隨煤級的增加而減少。 平衡水條件下，低煤階煤（Ro,max3.7%，呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,.,五、煤孔隙結(jié)構(gòu)對吸附的影響 煤的結(jié)構(gòu)包括煤的物理結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)。其中化學結(jié)構(gòu)指煤的分子結(jié)構(gòu)；物理結(jié)構(gòu)包括分子間的堆垛結(jié)構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)。與其它多孔吸附質(zhì)一樣，煤的吸附特性很大程度上取決于其孔隙結(jié)構(gòu)。 普遍的觀點認為煤對氣體的吸附能力與孔容、比表面積呈正相關(guān)關(guān)系，但煤級不同，不同孔徑段的不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度也不同。 六、其他 另外煤

17、的化學組成、煤巖學組成及水分含量對煤的吸附型也有一定的影響。,.,解吸： 當煤儲層壓力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷開始與微孔表面分離的過程。 解吸是煤中吸附氣由于儲層壓力降低而轉(zhuǎn)變成游離氣體的過程，在壓降過程中，吸附/解吸動態(tài)平衡結(jié)果是造成吸附量減少。 煤儲層解吸特性常用可解吸率或可解吸量和解吸速率來衡量，解吸總量由階段解吸量組成，解吸速率往往采用吸附時間來定量表示。,第五節(jié) 煤儲層的解吸特征,.,一、解吸量與解吸率 我國煤層氣井和美國煤層氣解吸資料由3部分構(gòu)成，即逸散氣量、解吸氣量(解吸至一周內(nèi)平均每天小于10cm3時為止)、殘余氣量。逸散氣量、解吸氣量之和為理論可解吸量，其與總含氣量之

18、比稱為理論可解吸率。 我國前期煤田地質(zhì)勘探資料，瓦斯解吸資料多由四部分構(gòu)成，即損失氣量、現(xiàn)場兩小時解吸量、真空加熱脫氣量和粉碎脫氣量。通常，將損失氣量與解吸氣量之和與總氣量之百分比稱為解吸率，損失氣量與現(xiàn)場兩小時解吸氣量之和為解吸量。,我國部分礦區(qū)煤層甲烷平均解吸量統(tǒng)計結(jié)果,.,沁水盆地中南部解吸率與煤層埋深的關(guān)系 東北鐵法和西北寶積山等中生界煤儲層埋深增大，煤層甲烷解吸 率卻有降低的明顯趨勢，最佳解吸深度在400600m之間。由此來看， 不同地區(qū)和不同時代煤儲層甲烷解吸率與埋深之間關(guān)系往往大相徑庭。,.,二、吸附時間 定義：實測解吸氣體體積累計達到總解吸氣量 （STP：標準溫度、壓力）的63%時所對應的時間。 吸附時間與