• / 17
  • 下载费用:1 下载币  

煤层气与页岩气吸附_解吸的理论再认识_图文

关 键 词:
煤层气 页岩 吸附 解吸 理论 再认识 图文
资源描述:
 第 35卷第 6期2014年 11月石 油 学 报ACTA PETROLEI SINICAVol.35Nov.No.62014基金项目 :国家重大科技专项 (2011ZX05038-004)和国家自然科学基金重大项目 (No.51490654)资助 。第一作者及通信作者 :李相方 ,男 ,1955年 7月生 ,1982年获华东石油学院学士学位 ,1992年获石油大学博士学位 ,现为中国石油大学 (北京 )石油工程学院教授 、博士生导师 ,主要从事油气田开发工程领域的教学和研究工作 。Email:lixf2013@vip.163.com文章编号 :0253-2697(2014)06-1113-17 DOI:10.7623/syxb201406009煤层气与页岩气吸附/解吸的理论再认识李相方1蒲云超1孙长宇2任维娜1李莹莹1张亚琦1李靖1臧加利1胡爱梅3温声明3赵培华3陈东4翟雨阳4(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室  北京  102249;2.中国石油大学重质油加工国家重点实验室北京102249;3.中石油煤层气有限责任公司  北京  100028;4.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司北京100011)摘要 :为了解决一些煤层气与页岩气气田开发效果与预测的差异很大 、产能低 、递减快及开发成本高等问题 ,由于吸附 /解吸基本理论直接影响开发方案的制定与实施 ,通过研究煤层气的煤化过程及页岩气的成藏过程 ,重新界定了孔隙中原始气-水分布状态 。发现煤层气与页岩气的吸附气属于固-液界面吸附的研究领域 ,其吸附规律应满足适合固-液界面的Langmuir等温吸附定律 ,即气体的吸附量与溶液的浓度有关 ,而对环境压力不敏感 。理论与实验研究表明固-液界面吸附气排水降压后解吸困难 ,吸附气多而游离气少的储层产气量很难提高 ,其显著不同于目前普遍使用的固-气界面吸附理论 。同时研究了多孔介质中微小孔隙的气-水界面压降 ,发现对于微 /纳米孔隙气相的压力可以远高于液相压力 ,而目前的测井及试井尚不能传感这种气相压力 ,因此会导致低估游离气的储量及其对产量的贡献 。关键词 :煤层气 ;页岩气 ;固-气界面 ;固-液界面 ;吸附 ;甲烷解吸中图分类号 :TE37    文献标识码 :ARecognition of absorption/desorption theory in coalbed methane reservoirand shale gas reservoirLi Xiangfang1Pu Yunchao1Sun Changyu2Ren Weina1Li Yingying1Zhang Yaqi 1Li Jing1ZangJiali 1Hu Aimei 3Wen Shengming3Zhao Peihua3Chen Dong4Zhai Yuyang4(1.Key Laboratory of Petroleum Engineering of the Ministry of Education,China UniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,China UniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Beijing100028,China;4.Nation EngineeringResearch Center ofCoalbed Methane Development and Utilization Corporation Limited,Beijing100011,China)Abstract:There are large differences between development effect and the prediction in a considerable number of gas fields.Low pro-ductivity,declining quickly and high development costs,can directly affect the formulation and implementation of development plans.This paper studied the forming process of coalbed methane reservoir and shale gas reservoir,then redefined the initial gas-water dis-tribution in the pore,and found that the adsorption of coalbed methane and shale gas is not belongs to the field of solid adsorption.It is just to say the amount of adsorbed gas is related to the concentration of solution,but not sensitive to environmental pressure.Theory and experiments show that it is difficult for adsorption gas to desorb after drainage and decompression,and then demonstratethat it is difficult to improve production when the reservoir consist of much adsorbed gas is and less free gas.The result significantlydiffers from the prediction commonly used by current solid interface adsorption theory.This paper also studied the interface pressuredrop of the micro pore in the porous medium,and found the pressure of gas phase can be much higher than that of liquid phase.Thecurrent methods of logging cannot measure the vapor pressure and therefore it wil lead to underestimation of free gas reserves and itscontribution to the production.Keywords:coalbed methane;shale gas;solid-gas interface;solid-liquid interface;adsorption;methane desorption近几年来以美国为代表的北美地区页岩气勘探开发取得了巨大成功 ,表明非常规气藏具有极其广阔的发展前景 。中国近年来的煤层气开发取得了重大进展 ,初步形成了气藏地质 、开发与工程等方面的系列配套技术[1,2]。同时中国的页岩气开发时间虽然比较短 ,但也取得令人鼓舞的成果[3]。四川涪陵海相页岩气田新增探明地质储量1 067.5×108 m3,平均单井测试产气量为33.7×104 m3/d,最高产气量为54.3×1114  石   油   学   报 2014年  第 35卷  104 m3/d[4],截至2014年6月30日 ,涪陵页岩气田29口试采井合计日产气量为320×104 m3/d,累计产气量为6.11×108 m3。实际上 ,中国的煤层气藏开发也面临着重大的挑战 :①许多煤层气田相邻气井的实际解吸压力变化大 、规律性差 ,与室内实验及理论预测的临界解吸压力误差大 ,影响实际解吸压力的因素不清楚 ,这严重制约了煤层气开发的产能预测及产能建设 ;②室内平衡水等温吸附实验中煤样的吸附量高 ,但是现场测量煤岩含气量低 ,从而表现出吸附量与含气量的相关性差 ,致使室内实验结果对现场实际缺乏指导性 ;③实际取样条件下测量的煤样含气量较高 ,但是实际生产过程中储层产气量低 ,因此根据目前的解吸 、扩散及渗流模型预测现场生产动态的符合性差 ;④煤层气藏含水及产水差异大 ,一般情况下产水过少的气藏开发效果较差 ,而产水多的井的开发效果则有差异 ,针对这些现象目前尚缺乏合理的解释理论及方法 。因此 ,煤层气藏高效开发还存在很大问题 。中国的页岩气藏勘探开发也将面临着更加严峻的挑战 :①地质钻探有天然气显示的页岩地层很多 ,许多地层取样室内实验表明吸附气很可观 ,但是现场取样测量的含气量较低 ;②有些地层取样室内实验的吸附气与现场取样测量的含气量均较可观 ,但是实际气井产能很低 ,即使大规模压裂产气量也不高 ,且递减很快 ,经济性表现差 ;③许多中国企业在很大范围开展了页岩气藏的勘探及评价 ,但频频遇到页岩地层实际气井产出气量小等现象 ,实际上这是由于深入解释页 岩 气 机 理 的 理 论 和 方 法 尚 不 完善 ,给页岩气勘探目标的确定带来了困难 ;④中国页岩气勘探开发面临的问题在不同的阶层有不同的认识及评价 ,且认识的差异性很大 。就世界范围内来看 ,煤层气藏的工业化开发早于页岩气藏 ,但由于两者的纳米孔隙发育 、比表面积大 、甲烷吸附能力强 ,因此页岩气藏地质开发研究会借鉴煤层气藏 。其中普遍认为页岩气藏与煤层气藏吸附气占有重要的地位[5-8]。页岩气藏的吸附气与游离气含量相当 ;煤层气藏的吸附气占总含气量的85%以上 ,游离气约占10%,溶解气则很少 。页岩气藏与煤层气藏中的吸附气 ,当温度不变时 ,吸附量随压力的增高而增加 ,并且满足基于固-气界面的Langmuir等温吸附定律[8]。普遍采用干燥岩样与平衡水岩样进行等温吸附实验来研究吸附特征 。煤层气井通过排水降压进行生产 ,当地层压力低于临界解吸压力时 ,吸附在煤岩颗粒上的甲烷气将解吸出来 ,且其解吸速度及解吸量与煤阶等因素有关[9]。许多学者在研究煤岩等温吸附与解吸对比实验时 ,都认为吸附与解吸存在滞后现象 ,其原因在于煤质 、温度 、压力 、粒径 、含水率和孔隙结构等因素的影响[10]。而页岩气吸附与解吸理论及方法则基本沿用煤层气的方法 。现有的煤层气藏吸附 /解吸理论已成功地发现和开发了许多煤层气田 ,因此 ,其理论几乎无人怀疑 ,但利用现有的理论对有些现象却不好解释 。实际资料表明 ,一些来自现场煤样的解吸数据显示残余气量所占比例很高 。Diamond和Levine(1981)统计了美国15个州125个煤层气田1 500个煤样含气量直接法的测量结果 ,发现低煤阶煤样残余气量可占总含气量的40%~50%[11],这些残余气的存在机理尚需给出进一步的合理解释 。从室内实验研究上看 ,普遍采用平衡水煤样研究等温吸附与解吸曲线 ,但实验的甲烷吸附条件是与水蒸气竞争吸附 ,这与储层裂隙与基质孔隙饱含水的实际情况差异明显 。针对目前煤层气藏与页岩气藏开发中面临的诸多问题 ,笔者发现这两类气藏在成岩 、生烃及成藏过程 ,以及甲烷在储层孔隙的扩散 、吸附和聚集与地层水的关系等方面都具有特殊性及复杂性 ;同样在排水降压生产过程中 ,孔隙水对产气的影响也具有特殊性及复杂性 。因此 ,笔者认为目前的一些研究理论 、实验方法及评价模型并没有能够客观反映这种实际储层的特殊性及复杂性 ,于是从页岩气藏与煤层气藏成藏过程研究了储层中的气-水赋存状态 ,进而解释了甲烷吸附与解吸的机理 ,从而可以为评价与高效开发页岩气藏与煤层气藏提供一定的理论依据 。1 目前煤层气与页岩气吸附与解吸理论要点Kayser早在1881年就提出 “吸附 ”是指气体在自由表面上聚集 。现在 ,国际上将吸附 (严格上说是指物理吸附 )定义为一个或多个组分在界面上的富集 (正吸附或简单吸附 )或损耗 (负吸附 )[12]。若用浓度来表征吸附特征 ,则为在不相混溶的两相在接触时两体相中的某种或几种组分的浓度与其在界面相中浓度不同的现象称为吸附[13]。由于研究煤层气与页岩气开发经常要涉及到甲烷在多孔介质中的吸附与解吸 、扩散与渗流 ,为了对比方便 ,笔者简要介绍了目前这些方面的主要认识与结论 。1.1 煤层气储层的吸附量煤层气藏由于微孔隙发育 、孔隙比表面积巨大而使甲烷主要以吸附态存在 ,且煤层气储层具有的巨大吸附量等特征均被业界熟知 。该理论方法的提出经历了很长过程 。 第 6期 李相方等 :煤层气与页岩气吸附 /解吸的理论再认识 1115Van der Sommen等 (1955)[14]在51.72 MPa(7 500psig)压力下测得了甲烷吸附在煤内部表面的体积 ,并确定了在高于10.34 MPa(1 500psig)的压力下其饱和值为21.34cm3/g,相当于在标准条件下煤吸附的气体体积约为自身体积的28倍 。Marsh(1965)[15]综述了测定煤的内表面积的各种方法 ,得出结论是内表面积大多数为200~300 m2/g。Anderson(1966)等[16]研究认为微孔直径为5数量级 。Sevenster(1959)[17]研究了煤层 气 运 移 中 的Fick扩 散 现 象 。Joseph Cervik(1967)[18]提出欧洲煤层气由于储层深 ,其运移会遵循Fick定律 ,而在美国的阿巴拉契亚区域煤层较浅 ,将会遵循Darcy定律的运移方式 ,同时还指出没有任何煤层的运移会单独遵循Darcy定律或Fick定律 。霍多特 (1966)[19]指出法国列普连斯和奥季别尔 、比利时科品斯 、英国格列姆 、前苏联帕利维列夫首先在甲烷压力大于0.1 MPa的条件下对煤吸附甲烷进行了研究 ,发现煤对甲烷的吸附能力很大 。通过4种煤样与2种活性炭对甲烷的等温吸附曲线 (图1)可以显示不同煤样与活性炭随压力的吸附特征 ,说明了煤样具有活性炭对甲烷的吸附趋势 。由于曲线横坐标是压力 ,其属于固-气界面上的等温吸附曲线 。杨起 (1980)[20]阐述了煤层气以游离态 、吸附态及溶解态3种方式赋存于煤体中 ,其中吸附态分子主要存在于煤体表面及煤层的微孔隙内 ,据测定结果可知 ,1g无烟煤的内表面积可高达到200 m2/g,因此煤层气以吸附态为主 ,约占80%~90%。杨其变 (1986)[21]、周世宁 (1965)[22]提出了煤层瓦斯流动规律可以用Fick扩散定律与Darcy渗透定律描述 。综上可以看出 ,目前煤层气藏与页岩气藏吸附气及解吸气的理论和扩散剂渗流理论主要沿用20世纪图 1煤和活性炭的吸附甲烷等温线Fig.1 Adsorption isotherms of coal and active carbon for methane50—60年代的认识 ,作者查阅了国内外历年公开发表的大量文献及研究生论文 ,发现很少作者能够举例证明产出的气量比储层孔隙游离气多许多 ,因此 ,该理论未必具有普遍性 。1.2 煤层气与页岩气的等温吸附理论1.2.1 适合固-气界面的Langmuir等温吸附理论固-气界面的Langmuir等温吸附理论的假设条件为[23]:系统为固体与气体2种介质 ;气体分子单层吸附在固态表面 ,吸附表面是均匀的 ,分子间的横向作用力可忽略 ,吸附平衡时气体分子吸附速度与脱附速度相等 。通过理论典型吸附曲线可见 (图2):随着储层压力的增加 ,吸附量不断增大 [图2(a)];由图2(b)可知 ,当相对压力<1.0时 ,所研究的环境压力小于饱和蒸气压p0。因此 ,原则上环境为气相 (对于纳米孔隙可能存在充填与水的凝聚 )。注 :ph为吸附平衡时的气体压力 ,MPa;p0为气体在吸附温度时的饱和蒸气压 ,MPa;ph/p0为相对压力 ;Vmax为最大吸附量 ,m3。图 2固-气界面 Langmuir吸附等温线 (I型 )[24,25]Fig.2 Langmuir adsorption isotherm of solid-gas interface(Type I)1116  石   油   学   报 2014年  第 35卷  适用于固-气界面的Langmuir单分子层等温吸附的表达形式为[23]:A=abp/(1+ap) (1)式中 :A为吸附在表面的分子数 ;a为吸附能的大小 ;b为总吸附位数 ;p为压力 ,MPa。但是在煤层气领域一般采用 :V(pr)=VLpr/(pL+pr) (2)式中 :VL为Langmuir体积 ,m3;pL为Langmuir压力 ,MPa;V(pr)为储层压力条件下吸附量 ,m3;pr为煤储层压力 ,MPa。目前国内外普遍认为煤层气藏与页岩气藏的吸附气满足固-气界面的Langmuir等温吸附理论 。1.2.2 煤岩的Langmuir等温吸附实验煤层气藏普遍存在可动水 ,为恢复煤岩水分 ,国内外普遍使用平衡水开展煤岩等温吸附实验 。(1)实验原理将煤样粉碎至60~80目 (180~250μm),在进行甲烷吸附前 ,制造并保持实验环境湿度为96%~97%[26],在该湿度条件下煤岩水分将达到恒定 。在平衡过程中 ,如果煤岩水分含量过高时 ,系统会蒸发掉其表面的部分水分 ;如果煤岩水分含量过低时 ,煤样将从周围环境中吸附水分[27]。显然 ,平衡水处理煤样过程可以达到孔隙为气相状态 ,也即该吸附类型属于固-气界面吸附范畴 。(2)实验材料硫酸钾饱和溶液在30℃时的水蒸气 (气态 )分压为4.1kPa(30.6 mmHg),其相对湿度为96%~97%。因此 ,利用硫酸钾饱和溶液作为干燥剂保持该湿度恒定 ,且为气相状态 。(3)实验结果通过目前的实验数据可以得出 ,甲烷吸附量满足固-气界面Langmuir吸附定律 ,符合所孔隙为气相的假设条件 。在该实验条件下 ,还存在以下现象 :①气体主要吸附在煤岩颗粒内部的微 /纳米孔隙表面 [图3(b)]。颗粒的外表面积远远小于内部孔隙比表面积 ,水蒸气或甲烷的吸附通常发生在颗粒内部孔隙表面 ,而并非颗粒外表面 ,颗粒外表面仅仅吸附少量水蒸气或甲烷 。②平衡水过程中水蒸气在煤岩颗粒部分孔隙范围中凝聚成液态水 [图3(c)]。由于实验条件在水的临界温度(374.15℃)与临界压力 (22.12 MPa)以内 ,水蒸气在一定相对压力条件下就可以发生凝聚 。根据Kelvin公式[23]:ln(ph/p0)=-cosθ(2Vmγlg/rTR) (3)式中 :γlg为气-液界面张力 ,mN/m;Vm为液相摩尔体积 ,cm3/mol;r为孔隙半径 ,nm;θ为润湿角 ,(°);T为环境温度 ,K;R为气体平衡常数 ,取8.31J/(mol·K);ph为液相蒸气压力 ,MPa;p0为液相饱和蒸气压 ,MPa。在ph/p0=96%~97%、θ=60°~80°的情况下 ,发生毛细凝聚的孔隙半径为10~20nm。在该范围孔隙内 ,甲烷分子可以溶解在水中 ,并通过扩散 ,按照极性相近的规则与水分子竞争吸附 。③平衡水过程水蒸气在煤岩颗粒较大孔隙中呈气态 [图3(d)]。煤岩孔隙大于发生凝聚的孔隙半径时 ,孔隙表面吸附单层水分子或者多层水分子 ,孔隙内水分子呈蒸气状态 ,甲烷吸附原则满足固-气界面吸附 。图 3甲烷在平衡煤样条件下的吸附特征Fig.3 Adsorption characteristics of methane in coal samples under the conditions of equilibrium 第 6期 李相方等 :煤层气与页岩气吸附 /解吸的理论再认识 1117④平衡水过程中水蒸气在煤岩颗粒微孔被水分子充填 [图3(a)]。由于Kelvin公式在微孔 (<2 nm)条件下不再成立[23],在微孔吸附势作用下 ,水分子在微孔内充填 。即水分子填充后 ,甲烷分子不能再吸附 。综上所述 ,虽然平衡水煤样能够恢复一定水分 ,但实验中的煤岩多孔介质内气-水相态分布与实际储层是否一致将是衡量实验能否反映实际的评价标准 。在该实验条件下 ,甲烷在煤岩孔隙表面的吸附表现为气相与固相的相互作用 ,吸附量与甲烷压力呈正相关 ,这种情况就满足了固-气界面的Langmuir等温吸附理论 。1.2.3 页岩的Langmuir等温吸附实验页岩气藏一般沿用煤层气藏的吸附理论 ,中国学者多采用干燥岩样进行等温吸附实验 ,国外部分学者则采用平衡水处理的岩样进行实验[28],平衡水处理过程与煤样相似 。笔者研究发现由于页岩储层有机质及黏土矿物含有大量微 /纳米孔隙 ,而原始储层黏土矿物孔隙内具有较高含水饱和度 ,且固相又属于极性分子 ,容易吸附水 ,同时页岩不像煤岩那样主要为有机质 ,因此无论干燥岩样或平衡水岩样实验都会有较大误差 ,需要进行相应数据处理 。1.3 煤层气与页岩气的降压解吸产气理论1.3.1 煤层气排水降压解吸产气理论煤层气藏开发目前主要有2种排水降压解吸产气模型 :(1)双孔单渗模型国内外许多学者普遍认同双孔单渗模型[18,29-35](图4),其基本假设为 :①“双孔 ”,即裂隙 (割理 )和基质孔隙 ;②“单渗 ”,指游离气从裂隙 (割理 )中渗流到井眼 ,满足Darcy定律 ;③甲烷主要吸附在微孔隙中 ,排水降压后微孔隙中气体解吸扩散进入裂隙 (割理 )中 ,满足Fick等扩散定律 。图 4煤层气解吸-扩散-渗流模式Fig.4 Pattern of desorption-diffusion-flow for CBM(2)三孔双渗模型三孔双渗模型的基本假设为 (图5):①“三孔 ”,即裂隙 (割理 )、基质大孔隙和基质微孔隙 ;②“双渗 ”,指游离气从基质孔隙窜流至裂缝 ,以及裂隙 (割理 )中游离气渗流到井眼 ;③排水降压后微孔隙中气体解吸扩散进入大孔隙 ,满足Fick等扩散定律 。该模型用于孔隙发育的低阶煤 。图 5“三孔双渗 ”模型原理Fig.5 Principle of“Triple Porosity/Dual-Permeability”model国内外学者也同时开展了大量煤层气吸附 /解吸室内实验 ,实验结果表明吸附与解吸满足描述气体与固体环境下的Langmuir单层吸附模型 。解吸气的滞后被认为是煤质 、温度 、压力 、粒径 、含水率和孔隙结构等因素造成的 。1.3.2 页岩气降压生产解吸产气理论目前页岩气降压解吸产气的理论也是基于固-气界面吸附这一假设下 ,用于评价地层压力降低与产气规律 。游离气地质储量和吸附气地质储量结合起来用于评估页岩气盆地潜在区域的资源富集程度 。相关研究表明 ,在总地质储量中 ,游离气和吸附气所占的相对比例是压力的函数 。1.4 现场煤样与页岩样的解吸量评价现场煤样与页岩样的解吸对现有的吸附解吸理论是否支持应该进行评价 。现场煤样与页岩样解吸技术和方法也有差别 ,所得结果也不尽相同 。1.4.1 现场直接解吸方法煤样含气量分为直接测量方法与间接测量方法 。直接方法测得的岩心含气量包括损失气 、解吸气以及残余气 :①损失气被认为是钻头钻遇煤层到煤样装入解吸罐密封好这一过程中解吸出的气体 。这部分气体无法直接测得 ,通常通过计算获得 。目前常用的计算1118  石   油   学   报 2014年  第 35卷  方法有3种 ,美国矿业局的直接法 、史密斯法以及阿莫克曲线拟合法 ,其中直接法是最常用的方法 。该阶段产气机理是在压差作用下气体从岩心释放到井眼的钻井液中 。②解吸气是在大气压或负压下岩样自然解吸出来的 ,直到解吸速度为一周内平均每天小于10cm3时终止 ,这部分气体是由实验室直接测得 。该阶段本质上是低压状态下气体膨胀导致压差驱动而产出的气 。③残余气是煤样经充分自然解吸后仍残留在岩样中的气体 ,通常采用球磨器将煤样粉碎至60~80目 ,约1h后测得解吸出的气体 。该阶段属于降低了岩样尺度下的产气阻力而产出的气 。1.4.2 美国煤层气田部分煤样解吸气分布统计美国属于煤层气开发较早的国家 ,Diamond及Levine(1981)发表了美国15个州125个煤层气田1500个煤样含气量直接法的测量结果 ,笔者利用部分岩样数据进行了分类统计[11](表1)。发现低煤阶煤样残余气量可占总含气量的40%~50%,而中高变质烟煤的残余气量仅占总含气量的10%以下 。表 1Diamond和 Levine的直接法含气量测量数据Table 1 Data of direct method of measuringgas content based on Diamond and Levine煤阶 样品数解吸气量 /(cm3·g-1)损失气量 /(cm3·g-1)残余气量 /(cm3·g-1)总含气量 /(cm3·g-1)残余气占总含气量比例 /%残余气占解吸气量比例 /%低挥发分烟煤 (LV) 163.87~16.52/12.29 0.23~4.01/1.01 0.10~0.70/0.24 8.70~17.00/14.22  0.59~8.05/1.94  0.63~9.61/2.29中挥发分烟煤 (MV) 100.18~12.68/7.93 0.02~1.28/0.73 0.20~1.20/0.52  0.60~13.70/9.48  1.85~66.67/12.65  2.12~232.51/49.50高挥发分 A烟煤 (HV-A)63  0.06~9.72/2.61 0.01~3.36/0.25 0.10~4.80/1.39  0.20~20.00/4.41  2.13~96.55/40.95 20.19~4124.73/161.18高挥发分 B烟煤 (HV-B)6  0.52~3.18/1.37 0.07~0.32/0.14 0.30~0.50/0.38  0.90~3.90/1.90  10.26~38.46/24.88  12.60~68.75/39.56注 :“/”之后为平均值 。1.4.3 中国沁水盆地煤层气田部分煤层岩样解吸气统计近年来 ,中国的煤层气开发进程也逐渐加快 。笔者通过对沁水盆地煤层气田的现场部分岩样解吸气进行统计得知 ,该煤层气矿区内煤的演化程度比较高 ,其中 ,A煤层的反射率Ro为1.85%~2.05%、B煤层的Ro为1.90%~2.12%、C煤 层 的Ro为1.89%~2.07%,均属 于 瘦 煤 —贫 煤 。固 定 碳 含 量 在88%~91%,属于高煤阶范围 。其测试井煤样含气量直接法测量结果见表2,由表2可知 ,残余气量比例很高 。表 2中国沁水盆地煤层气区块测试井含气量直接法测量数据Table 2 Measurement data of gas content of test wels usingdirect method in a CBM block of Qinshui Basin,China煤层 样品数解吸气量 /(m3·t-1)损失气量 /(m3·t-1)残余气量 /(m3·t-1)含气量 /(m3·t-1)残余气占总含气量比例 %残余气占解吸气量比例 %A煤层 3  1.30~3.59/2.20 0.35~0.76/0.50 0.64~1.27/0.90 2.29~5.63/3.60 22.58~28.07/26.01 35.37~49.59/43.66B煤层 29  0.63~13.25/5.11 0.21~4.69/1.49 0.28~5.45/2.29 1.12~15.89/8.89 8.44~69.34/27.60 12.07~265.59/63.41C煤层 4  4.33~7.81/6.54 0.04~2.42/1.46 0.51~3.58/1.66 5.97~11.43/9.66 8.53~31.32/15.95 11.77~45.81/23.46注 :“/”之后为平均值 。1.4.4 现场页岩气岩样解吸气统计页岩气含气量的测定方法同煤层气 ,按照测定过程可以分为损失气 、解吸气以及残余气[36-38]。但是由于页岩在酸解后有烃类物质产出 ,所以将岩样粉碎后还需进行酸解烃测定 。中国石油化工股份有限公司华东分公司石油勘探开发研究院对大隆组 、龙潭组和九门冲组等地层的页岩含气量进行了测定 (图6),从图6中可以看出粉碎气和酸解烃含量占总含气量的35%~90%,残余气量不容忽视 。1.4.5 现场煤样与页岩样的解吸气评价解吸气评价中需要关注的问题有 :①损失气量属于计算参数 ,具有一定的不确定性 ,但目前总体上属于可信范畴 ;②自然解吸气是岩样尺度下在接近大气压或负压下产出的 ,因此如何评价实际生产中产出比率具有较大技术含量 ;③残余气是岩石微尺度下在接近大气压或负压下产出的 ,其在实际产量所占的比例很小甚至为0;④统计表明残余气占总含气量的比例约为20%,但是残余气占自然解吸气的比例大于30%,有些可以达到50%以上 (表1和表2)。图 6页岩气含气量构成百分比Fig.6 Component percentage of shale gas content在页岩气与煤层气实际生产中 ,损失气可以开采出来 ,但残余气一般无法开采 ,而井底流压远大于自然 第 6期 李相方等 :煤层气与页岩气吸附 /解吸的理论再认识 1119解吸气的环境压力 ,因此 ,自然解吸气实际上只能开采出一部分 。页岩气与煤层气的现场样品解吸数据对评价含气性及产能至关重要 。如何将该数据与地质研究 、吸附实验数据 、以及实际单井生产与井组生产数据相关联 ,并借此评价煤层气藏的地质与气藏特征 ,从而认识煤层气赋存规律及开发规律是非常值得研究的问题 。2 煤层气与页岩气原始储层孔隙气-水分布特征国内外对煤层气藏与页岩气藏原始储层孔隙气-水分布的认识基本上是非常统一的 ,同时在研究甲烷吸附与解吸规律上又惊人的一致 。但是仔细研究发现 ,这两者具有根本性的冲突 ,在固-气界面吸附与固-液界面吸附方面出现了矛盾 ,这将会严重制约煤层气藏与页岩气藏的科学开发 。2.1 煤层气成藏后气-水赋存方式2.1.1 泥炭化阶段特征泥炭化阶段是指植物碎屑经生物化学作用形成泥炭的过程 。在该过程中 ,植物碎屑在沼泽水环境下沉积 ,并在细菌真菌参与的无氧环境下发生降解 ,最终形成泥炭[39]。水环境是泥炭形成的必要条件 ,不同种类的泥炭水分含量极高 ,可以达到干燥样品的4~30倍[40]。而且泥炭属于植物早期沉积产物 ,其孔隙较大 ,且孔隙中通常饱和水 。2.1.2 煤化成岩压实阶段特征煤化阶段是泥炭经物理 、化学作用形成褐煤 、亚烟煤 、烟煤及无烟煤等过程 。该过程中 ,沉积盆地沉积沉降 ,且在温度 、压力等作用下 ,泥炭经压实 、脱水 、增碳等作用形成褐煤 ,并在不同程度的变质作用下 ,形成各类煤岩[41]。虽然在该过程中 ,煤岩孔隙减小 、水分排出 ,但是沉积水占据相当一部分孔隙体积 ,如沉积水在褐煤及亚烟煤水分含量中占有重要比例[40]。2.1.3 煤岩生烃过程孔隙气-水分布特征煤岩生烃始终伴随着泥炭化阶段及煤化阶段 ,总体而言 ,煤层气的生成包括生物成气与热成气2种类型 。生物成气主要表现在成煤早期阶段 。植物碎屑向泥炭转变以及泥炭向褐煤转变的过程中 ,细菌在水环境下分解有机质 ,同时产生CH4、CO2、N2等气体 。由于泥炭的孔隙较大 ,植物碎屑向泥炭转变阶段产生的生物气被大量散失[40],与泥炭相比 ,褐煤的孔隙较小 ,具有一定的储气能力 。生物成气主要表现在煤岩整个变质阶段 ,即褐煤向亚烟煤 、烟煤及无烟煤的转变过程 。在该过程中 ,水不仅是重要条件之一 ,同时还是重要的产物(植物在变成褐煤以及进一步变成烟煤的过程中 ,1单位的植物转化会生成64单位的水 、8单位的甲烷和2单位的二氧化碳 ;在烟煤变成半无烟煤的过程中 ,1单位的烟煤会生成7.87单位的水 、9.23单位的甲烷和3单位的二氧化碳 ;在半无烟煤变成无烟煤的过程中 ,1单位的半无烟煤会生成1单位的水和36单位的甲烷 )[42]。由于整个成煤及产气过程始终是在水环境下进行的 ,因此产出的甲烷首先满足基质颗粒表面吸附 ,而额外的甲烷将溶解到储层水中 ,并在浓度差作用下扩散至周边区域 。储层中孔隙水为连续相 ,在成煤过程的几个百万年时间尺度内 ,如果煤岩生气量足够 ,整个气藏将逐渐达到吸附饱和与溶解饱和状态 。当储层饱和后 ,随着有机质进一步生烃 ,甲烷分子聚集并形成游离气相 。因此 ,煤层气的生成 、吸附 、聚集过程均是在储层水环境下进行的 。但是 ,由于煤岩有机质颗粒产气具有区域及产气量呈非均质的特点 ,不同尺度孔隙的甲烷聚集程度存在差异 ,并且在成藏过程中 ,伴随甲烷在储层中的扩散 、渗流 、运聚 ,煤层孔隙气-水分布更加复杂 。笔者据此研究得到煤储层的孔隙气-水分布状态为 :①部分孔隙甲烷吸附在颗粒表面而水充满孔隙 ;②部分孔隙甲烷吸附在颗粒表面而剩余孔隙空间为水及游离气充满 ;③部分孔隙甲烷吸附在颗粒表面而剩余孔隙空间为游离气充满 。而目前普遍接受的储层气-水分布状态为[43]:①自由水与游离气存储在裂隙及大孔隙中 ;②束缚水存储于微小孔隙中 ;③吸附气主要吸附在微小孔隙内壁上 ;④溶解气赋存在孔隙与裂隙水中 。2.2 页岩气成藏后气-水赋存方式2.2.1 页岩储层沉积压实阶段特征与煤层沉积环境类似 ,页岩通常在潮汐沼泽或深水盆地的水环境下沉积[44]。对于有机质或无机质的原生孔隙 (如颗粒堆积而成的粒间孔隙 )而言 ,虽然在储层沉降 、压实过程中孔隙体积变小 ,但是孔隙中仍然饱和水 。页岩矿物组成及分布复杂 ,一般而言页岩岩石组成包括一定数量的碳酸盐 、黄铁矿 、黏土质和石英 ,其中有30%~50%的黏土矿物 、15%~25%的粉砂质(石英颗粒 )和4%~30%的有机质 ,有机质及矿物分布如图7所示[44]。由于页岩有机质及无机矿物的亲水能力不同 ,且页岩气由有机质生烃 ,因此有机质孔隙与无机矿物孔隙气-水分布存在差异 。2.2.2 有机质孔隙气-水分布特征页岩中的有机质通常指干酪根 。随着时间的推移 ,压力 、温度以及埋藏深度的不断增加 ,有机物 (主要来源于动物组织和植物组织小的脂质 ,或植物细胞中的木质素 )逐渐受热后转化成干酪根 。有机质孔隙一方面源于热成熟生烃 (Ro>0.6),另一方面源于动植物本身所具有的各种组织孔 。1120  石   油   学   报 2014年  第 35卷  对于有机质生烃过程中形成的孔隙 (如气孔 )而言 ,通常认为孔隙润湿性多表现为油湿 ,且孔隙几乎不含水 。但近年来有研究表明 :有机质孔隙表面的官能团结构致使其表现出一定的亲水能力 ,且孔隙中可能存在水分 。Larsen[45]通过实验表明 ,干酪根表面或孔隙内部的官能团结构致使有机质孔隙具有一定吸水能力 。同时 ,Hu等通过分子模拟表明 ,具有活性官能团的干酪根孔隙对水具有吸附能力[46]。图 7页岩孔隙气-水分布Fig.7 Distribution of gas and water in shale pore对于有机质的原生孔隙 (如植物组织孔 、细胞孔 )而言 ,由于页岩在水环境下沉积 ,成岩压实过程中此类孔隙内填充水 ,由气孔排出的甲烷分子首先在原生孔隙水中溶解 ,进一步溶解的甲烷分子在原生孔隙表面发生吸附 ,该吸附属于固-液界面作用 。如果页岩生烃能力较强 ,原生孔隙内水分被排出 ,甲烷以吸附态与游离态存在于孔隙 ;如果生烃能力较弱 ,原生孔隙可能仍然存在大量可动水 ,而甲烷仅以溶解态及吸附态 (固-液界面吸附 )形式存在于孔隙中 。因此 ,对于有机质孔隙
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:煤层气与页岩气吸附_解吸的理论再认识_图文
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-51378.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开