礦大煤層氣地質(zhì)學4-儲層壓力與吸附性

1、煤儲層壓力 煤儲層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應用 煤儲層的解吸特征,第四章 煤儲層壓力及吸附/解吸特征,,第一節(jié) 煤儲層壓力,儲層壓力：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。 開放體系：儲層壓力等于靜水壓力 封閉體系：儲層壓力等于上覆巖層壓力 半封閉體系：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,1、定義,,壓力系數(shù)：即實測儲層壓力與同深度靜水壓力之比。 超

2、壓：壓力系數(shù)>1，壓力梯度>0.98 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)煤層氣試井結果表明，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

3、大多處于欠壓狀態(tài)。,2、儲層壓力狀態(tài),,,超壓——煤層氣井噴,埋深,3、儲層壓力的地質(zhì)控制,,地應力,P=Gp·H 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 p’=h·Gw p’ —視儲層壓力，MPa Gw—靜水

4、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,水文地質(zhì),開放體系,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。煤儲層壓力是水壓與氣壓的總和，在開放體系中，儲層壓力中水壓等于氣壓；在封閉體系中，儲層壓力等于

5、水壓與氣壓之和。,煤儲層壓力 煤儲層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應用 煤儲層的解吸特征,第四章 煤儲層壓力及吸附/解吸特征,,吸附方式：物理吸附，范德華力吸附模型單層吸附:Langmuir 模型多層吸附:BET模型,FHH模型容積充填理論:D-R,D-A 理論,,1、 Langmuir理論,VL或Vm或a—最大吸附量； VL 、PL——朗格繆爾體積和壓力，PL等于1／b,2、吸附性及其地質(zhì)控制,氣體成分與

6、煤吸附性,相對吸附能力： N2＜CH4＜C2H6＜CO2＜C3H8＜H2O 。多元氣體吸附等溫線，總是介于強、弱吸附氣體吸附等溫線之間。,煤物質(zhì)組成與煤吸附性,干燥煤樣,水分校正結果,煤孔隙結構與煤吸附性,新集肥煤,煤吸附性隨煤級的演化,地層溫度/壓力與煤吸附性,朗格繆爾體積衰減系數(shù)：溫度升高1℃， VL減小數(shù)量。溫度每升高10℃，煤樣吸附量衰減速率比上一個等間距溫度段約減小一半。,壓力增高，吸附增量減小，吸附趨于飽和。埋深增大，

7、壓力對煤吸附增量的影響漸趨減小，溫度作用增大。在一定埋深下將會達到“吸附飽和臨界深度”。,,,,KT100-68HT型氣體等溫吸附/解吸儀(中國礦大),4、等溫吸附實驗,容量法等溫吸附儀,Adsorption testing system 等溫吸附測試系統(tǒng)Terra Tek 公司 美國（2004）,儀器結構及工作原理,儀器的基本結構： 高壓容量法等溫吸附儀是由結構完全相同的數(shù)個單元構成,彼此獨立，可以同時對不同

8、煤樣進行不同條件實驗。每個單元由樣品缸和參考缸組成，用不銹鋼制造的耐高壓的密封容器。樣品缸和參考缸置于恒溫裝置內(nèi)，保持溫度的穩(wěn)定性和一致性，溫度和壓力皆由高精度、高靈敏度測量元件進行監(jiān)控。 儀器的工作原理： 容量法是最成熟和應用最廣泛的方法之一，也是國內(nèi)外煤層氣吸附領域普遍采用的方法。其原理是通過P、T、V三參數(shù)關系分別計算吸附平衡前后的自由氣體量，其差值即吸附量。,平衡水分測試,,,,,體積實驗,壓力實驗,,,,,數(shù)據(jù)

9、處理,報告審查,成果報出,煤樣裝缸,,測試報告,,,,等溫吸附試驗,,,,煤樣制備（60～80目）,,,,,（1）測試樣品 要求: 代表性煤樣，一般為煤層煤樣1-2kg，實驗室縮制。 粒度：60-80目 (0.2-0.25mm) 質(zhì)量：100－150克 同時進行工業(yè)分析測試。 （2）平衡水分測試 將樣品稱重浸泡于玻璃燒杯，放進裝有過飽和K2SO4溶液的真空干燥器中，在30℃、相

10、對濕度96-97%下，水分平衡3－7天。 煤樣預處理好后，等待測試使用。,測試分析流程,試驗條件： 試驗在儲層溫度下進行吸附測試。 試驗最高壓力大于實測儲層壓力，取 8 MPa 或 12MPa。 試驗步驟： （1）體積試驗：測試煤樣的真實體積和密度 。 步驟：關閉參考缸和樣品缸間閥門，向參考缸中充氦氣止壓力（2.06 - 2.08MPa）

11、。然后打開閥門讓參考缸、樣品缸平衡。記錄平衡前后壓力、溫度值，通過真實氣體狀態(tài)方程計算煤樣真實體積和密度。通過煤樣的體積，就得到樣品缸的自由空間體積。 （2）壓力實驗: 檢查系統(tǒng)的氣密性。 方法: 向系統(tǒng)充氦氣，壓力超過實驗要求的最高壓力（或儲層壓力），保證接下來的整個等溫吸附實驗在密封條件下進行。調(diào)節(jié)溫度達到實驗要求。,（3）等溫吸附實驗測試：在溫度達到實驗要求，確定系統(tǒng)密封不漏氣時方可進行。

12、 測試步驟：關閉樣品缸閥門，向參考缸充甲烷氣體，壓力為計算出的目標壓力。溫度穩(wěn)定后，啟動等溫吸附實驗程序。在60秒時打開樣品缸閥門，記錄不同時間的壓力與溫度。前300秒每秒采集一次數(shù)據(jù)，以后1分鐘采集一次數(shù)據(jù)，直到達到吸附平衡。 重復充氣、壓力檢測，到最終壓力為止。 第一個壓力點完成后，關閉閥門，繼續(xù)往參考缸中充氣，達到計算出的第二個目標壓力，溫度穩(wěn)定后，啟動等溫吸附實驗程序，在60秒時打開閥門讓兩缸平衡。平衡

13、后重復以上過程，直至最后一個壓力點實驗結束。,煤樣體積和自由空間體積計算 煤樣體積計算公式： V S = P2×V2 / Z2×T2 + P3×V3 / Z3× T3 - P1×V1 /Z1×T1 P2 / Z2× T2- P1 / Z1 ×T1

14、 式中： P1–––––平衡后壓力； T1–––––平衡后溫度； V1–––––系統(tǒng)總體積； V2–––––參考缸體積； V3–––––樣品缸體積； VS–––––煤樣的體積；

15、 Z1––––––平衡條件下氣體的壓縮因子； P3、 P2–––––樣品缸、參考缸初始壓力； T3、 T2–––––樣品缸、參考缸初始溫度； Z3、Z2–––––樣品缸、參考缸初始壓縮因子.,求出煤樣的體積，就可計算出樣品缸內(nèi)自由空間體積。自由空間體積是指樣品缸裝入煤樣后煤樣顆粒之間的空隙、煤樣顆粒內(nèi)部微

16、細空隙、樣品缸剩余的自由空間、連接管和閥門內(nèi)部空間的體積之總和。 自由空間體積計算公式為： V = V1 - VS 式中： V –––自由空間體積, ，cm3； V1 ––– 系統(tǒng)總體積，

17、cm3； VS ––– 煤樣的體積, ， cm3。,吸附量:根據(jù)參考缸、樣品缸的平衡壓力及溫度，計算不同平衡壓力點的吸附量。 利用公式： PV = nZRT式中：P——壓力，MPa； V——體積, cm3； n——摩爾數(shù)； Z——氣體的壓縮因子； R——氣體常數(shù)；

18、 T——溫度，K。,分別求出平衡前系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)（n1）和平衡后系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)（n2），則煤樣吸附氣體的摩爾數(shù)增量（?n）： ?n=n1－n2 …………… （4）式中： ?n––––– 平衡前后自由氣體摩爾 數(shù)的增量； n1––––– 平衡前系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)； n2––––– 平衡后系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)。吸附氣體的總體積增量（?V總）：

19、 ?V總=?n×22.4×1000 …… （5）單位吸附增量（?V）： ?V = V總 / M ……………..（6）式中：M–––––煤樣質(zhì)量； V總––––吸附氣體的總體積； ?V–––––單位吸附增量。,Langmuir體積（VL）和Langmuir壓力（PL）的計算： 求出壓力及該壓力對應的吸附量間的比值（P/?V），繪出P、

20、P/?V之間的散點圖，對這些點進行線性回歸，利用最小二乘法求出直線方程及相關系數(shù)（R）。 假設直線斜率為A，截距為B，則： Langmuir體積（VL）為： VL = 1/A …………………… （7） Langmuir壓力（PL）為： PL = B/A=V

21、LB …………… （8）,測試參數(shù)： （1）平衡水分； （2）各平衡點壓力下吸附量； （3）Langumuir體積、Langumuir壓力、 R值； （4）吸附等溫線； （5）P/V─P圖。 等溫吸附試驗報告：最終測試結果、原始測試數(shù)據(jù)。 質(zhì)量評述： 在最終報告中提出質(zhì)量評述意見，尤其是在出現(xiàn)不可預見的問題時 ，以供甲方使用數(shù)據(jù)時考慮。,重量法等溫吸附

22、儀,煤儲層壓力 煤儲層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應用 煤儲層的解吸特征,第四章 煤儲層壓力及吸附/解吸特征,,吸附等溫線: V=ＶＬＰ/（P+ＰＬ）,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谋戎怠?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；,1、理論飽和度和實測飽和度,實測飽和度:實測含氣量

23、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 VL—Langmuir體積，m3/t； PL—Langmuir壓力，MPa；； P—煤儲層壓力，MPa；,吸附狀態(tài)：過飽和，飽

24、和，欠飽和,臨界解吸壓力：指在等溫曲線上煤樣實測含氣量所對應的壓力。 臨儲壓力比：臨界解吸壓力與儲層壓力之比。,,,,2、臨界解吸壓力,3、理論采收率,Pad—枯竭壓力 （據(jù)美國的經(jīng)驗可降至的最低儲層壓力為100磅/平方英寸，約為0.7MPa）,煤儲層壓力 煤儲層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應用 煤儲層的解吸特征,第四章 煤儲層壓力及吸附/解吸特征,,解吸率：損失氣量與解吸氣量之和與總氣量之百分比。解吸量：損失氣量與

25、現(xiàn)場兩小時解吸氣量之和， 即解吸率與該深度下實際含氣量的乘積。,1、解吸量與解吸率,吸附時間：定義為實測解吸氣體體積累計達到總解吸 氣量（STP：標準溫度、壓力）63.2%時所對應的時間。 吸附時間與產(chǎn)能達到高峰的時間有關，與煤層氣長期的產(chǎn)能關系不密切。吸附時間短，則煤層氣井有可能在短期內(nèi)達到產(chǎn)能高峰，有利于縮短開發(fā)周期，但不利于氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)。,2、吸附時間,我國部分礦區(qū)煤層甲

26、烷平均解吸量統(tǒng)計結果,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400~600m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系往往大相徑庭。,沁水盆地中南部解吸率與煤層埋深的關系,解吸速率定義為單位時間內(nèi)的解吸氣量。它受控于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度及煤的破碎程度。自然解吸條件下解吸速率總體表現(xiàn)為快速下降，但初始存在一個加速過程，中間可能受煤孔徑結構的影響，解吸速率