第四章 煤储层压力及吸附/解吸特征,第一节 煤储层压力 第二节 煤储层的吸附特征 第三节 等温吸附曲线的应用 第四节 影响煤的吸附性因素 第五节 煤储层的解吸特征,1,专业课件,第一节 煤储层压力,一、定义 指作用于煤孔隙裂隙空间上的流体压力(包括水压和气压)，故又称为孔隙流体压力多通过试井获取. 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 煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括上覆岩层静压力、静水柱压力和构造应力,2,专业课件,1、开放体系 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=静水压力 2、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 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 3、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 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,3,专业课件,二、储层压力状态 压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，% 超压：压力系数1，压力梯度0.98 MPa/100m； 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 MPa/100m; 欠压：压力系数1，压力梯度0.98 MPa/100m。
我国三十二个矿区试井结果表明，各煤级煤储层超压状态占33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3%，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层大多处于欠压状态,4,专业课件,超压煤层气井喷,5,专业课件,三、储层压力的地质控制 1、埋深,6,专业课件,2、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 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,7,专业课件,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,8,专业课件,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； 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。
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,9,专业课件,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,10,专业课件,P=GpH P储层压力，MPa； Gp压力梯度（单位垂深内的储层压力增量）， MPa/100m； H煤层中心埋藏深度，m =hGw 视储层压力，MPa Gw静水压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水） h煤层中点处水头深度，m,3、水文地质,开放体系,11,专业课件,在煤系地层中，由于各个煤层主要含水层间无明显的水力联系，往往构成不同的水动力系统，储层压力主要是由储层本身的直接充水含水层的水头高度来度量 如华北地区太原组煤层的直接充水含水层是其顶板的石灰岩含水层，山西组煤层的直接充水含水层是其上部的砂岩含水层这两个含水层之间没有或水力联系微弱，具有相互独立的补排系统因此，同一个测试井的上下两个煤层，可能具有完全不同的原始储层压力状态，与储层的直接充水含水层的富水性、补给条件、水头高度等有关,12,专业课件,储层压力状态是按、=或淡水静水压力梯度来判定的。
因此，地下水矿化度是影响储层压力状态的重要因素： 地下水矿化度越高其比重越大，在相同的压力水头高度下，高矿化水比低矿化水的水头压力要大因此，在封闭、滞流、地下水补排条件较差的高矿化度水分布区段，往往出现储层压力的高压异常状态,13,专业课件,4、煤层气（瓦斯）压力,煤层气(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 煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大，介于1.213.4kPa/m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,14,专业课件,吸附方式：物理吸附，范德华力 吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论 一、吸附理论模型 1、Langmuir模型,第二节 煤储层的吸附特征,VL或Vm或a最大吸附量； VL 、PL朗格缪尔体积 和压力，PL等于1b,15,专业课件,2、BET多分子层吸附模型,V吸附量（m3/g）； P平衡气体压力（MPa）； Vm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（MPa）；C与吸附热和吸附质液化有关的系数,16,专业课件,3、吸附势理论,Vo微孔体积，m3/g ； 吸附质的亲和系数； K与孔隙结构有关的参数； R普氏常数，8.314J/(mol*K)； Po实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力； T平衡温度，K； p 吸附平衡时的气体压力，MPa,17,专业课件,二、 平衡水等温吸附实验,IS-100型气体等温吸附/解吸仪,18,专业课件,IS-100仪器结构框图,19,专业课件,气体在固体表面上吸附等温线的不同类型,三、等温吸附曲线类型,20,专业课件,四、多相介质煤岩体的吸附特征,一） 气相多组分吸附特征,单组分和多组分混合气体等温吸附曲线,21,专业课件,二） 多相介质的吸附特征 1、煤对水和单组分气体CH4的吸附,不同含水条件下的CH4等温吸附曲线,22,专业课件,2、煤级变化对CH4的吸附特征,不同煤级煤的干燥样最大吸附量与Ro,max的关系,23,专业课件,不同煤级煤的平衡水样最大吸附量与Ro,max的关系,24,专业课件,认识： 1）对于干燥煤样，随煤级的增高，朗缪尔体积分别在R0 max 1.3%和1.5%附近达到极小值和极大值，具有“三段式”的演化模式，至无烟煤中-晚期阶段吸附性消失。
2）平衡水条件下，朗缪尔体积仅在R0max为4.5%附近达到最大值，实际呈现为“两段式”演化模式这一发现，为合理评价煤储层的吸附性与含气性提供了重要科学依据,25,专业课件,在煤层气研究工作中，煤的等温吸附曲线主要应用于以下三方面： 1、确定煤储层中的煤层气临界解吸压力； 2、估算煤储层的理论含气量和确定煤层气 的饱和状态； 3、预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的 采收率或可采资源量,第三节 等温吸附曲线的应用,26,专业课件,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在实际操作中，常用吸附气饱和度来近似表示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基，才能进行对比 理论饱和度:实际含气量与兰氏体积之比值 S理=V实/VL S理理论饱和度，%； V实实测含气量，m3/t,27,专业课件,吸附等温线: V=/（P+）,28,专业课件,实测饱和度: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 S实=V实/V V=VLP/(P+PL) V实实测甲烷含量； S实含气饱和度。
V理论含气量，m3/t VLLangmuir体积，m3/t； PLLangmuir压力，MPa； P煤储层压力，MPa,吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和,29,专业课件,说明： 1）理论饱和度为100%时，则为气饱和储层；100%时，则为过饱和储层，说明 煤储层内存在较多游离态和水溶态气体 2）实测饱和度的可靠程度虽然远高于理论饱和度，但 因吸附等温线是在实验室内通过气压实验得出的，储 层压力又是通过试井得出的水压，而煤储层原位流体 压力是气压与水压的综合因此，计算的饱和度误差 较大，因实测的煤层含气量中包括有游离气，使不同 煤级煤计算的饱和度误差不同，低煤级煤误差更大,30,专业课件,二、临界解吸压力 指解吸与吸附达到平衡时对应的压力，即压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力其与煤储层含气量及吸附/解吸特性呈函数关系，是估算煤层气采收率的重要参数 临储压力比：临界解吸压力/储层压力往往决定了地面煤层 气开采中排水降压的难易程度 临界解吸压力：在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力,31,专业课件,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/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。
据美国的经验可降至的最低储层压力，即枯竭压力，约为0.7MPa，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； Pad枯竭压力，约为0.7MPa,32,专业课件,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,33,专业课件,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（Henry）公式，即,第四节 煤吸附性的影响因素,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,34,专业课件,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,35,专业课件,不同温度条件下的等温吸附实验成果,36,专业课件,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；10001500m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,37,专业课件,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Ro,max=4.0%左右当4.0，朗格缪尔体积随煤级的增加而增大，当4.0，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（Ro,max3.7%，呈现负相关关系,38,专业课件,五、煤孔隙结构对吸附的影响 煤的结构包括煤的物理结构和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。
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 另外煤的化学组成、煤。