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煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用_陈浩

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等温 吸附 曲线 特征 煤层气 研究 中的 应用 陈浩
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第 13 卷 第 2 期 重庆科技学院学报 (自然科学版 ) 2011 年 4 月收稿日期 :2010陈浩 (1985- ),男 ,荆州人 ,长江大学地球科学学院在读硕士研究生 ,研究方向为煤层气地质 。通讯作者 :李建明 ,863886601866与常规天然气相比 ,煤层气被吸附在煤层微孔隙的内表面上 。 由于煤的微孔隙极其发育 ,具有特别大的比表面 ,每克煤的内表面可达到 100~400过吸附作用 ,煤比常规砂岩具有更高的储气能力 。煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征 ,基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度 。 煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面 ,煤层气的吸附能力由煤质 、煤阶 (成熟度 )、埋藏深度等状态所决定 。等温吸附曲线是指在某一温度条件下 ,以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量 (吸附气量 )关系曲线 。 因此 ,对等温吸附曲线特征的描述在很大程度上成为煤层气勘探开发决策依据之一 。1 验原理煤的吸附性是煤的一种自然属性 。 煤是一种多孔介质 ,具有很大的比表面积 。 由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用 , 气体有被吸附到煤内表面上的趋势 ,这种吸附属于物理吸附 ,符合兰格缪尔单分子层吸附理论 。 煤的吸附能力是温度 、 吸附质 、压力和煤性质的函数 。 在温度和吸附质一定的情况下 ,煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述 :V=pL+p)式中 :氏体积 ,表征煤具有的最大吸附能力 ;氏压力 ,反映煤内表面对气体的吸附能力 。 当压力等于兰氏压力时 ,煤的吸附量等于兰氏体积的 1/2,即p=V=。 由等温吸附试验结果可以求得 。验过程为了研究煤的吸附特征 , 目前国内主要使用美国实验程序如下 :(1)制样和平衡水处理 ,将原样粉碎出逾 400g,到 60~80目 ,然后平衡水实验 ,煤样喷水以后 ,放入平衡水容器中 ,每天称重 ,直到重量没有变化 ,以达到平衡 。 一般需时 1周 。(2)将达到平衡水分的煤样准确称量 ,迅速装入样品缸内 , 通过测定平衡前后样品缸内摩尔数的变化可计算出各压力点的吸附量 。(3)根据兰格缪尔方程变形为 p/V=p/VL+L,将实测的各压力点的压力与吸附量数据绘制成以 以 p/利用最小二乘法求出这些散点图的回归直线方程及相关系数R,进而求出直线的斜率 ,根据斜率和截距可求出兰氏体积和兰氏压力 。(4)根据各平衡压力点吸附量 吸附性能的影响因素煤的吸附性能受煤阶 、 煤层上覆有效地层厚度H、镜质组含量 X、灰分 将含气量 镜质组反射率 煤层上覆有效地层厚度煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用陈 浩1李建明1孙 斌2(荆州 434023; 廊坊 065007)摘 要 :在煤层气研究过程中 ,通过对曲线形态进行分析 ,认为在煤层气开采初期和中期 ,兰氏体积和兰氏压力越大 ,对产气越有利 ,而在开采后期 ,兰氏压力越小 ,对产气越有利 。同时 ,也可根据曲线方程估算出煤层气采收率 ,进而获得煤层气可采资源量 。关键词 :煤层气 ;等温吸附曲线 ;产气量 ;可采储量中图分类号 :献标识码 :A 文章编号 :1673011)02·陈 浩 ,李建明 ,孙斌 :煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用H、镜质组含量 作为自变量 ,进行逐步回归分析获得的线性方程即含气量模型[1]:Q=1其中 分析可得出下列结论 :首先 ,相关系数达 表示整个含气量模型具有较强的实用性和代表性 ;其次 ,各因素对含气量的贡献可分成三个层次 ,第一层次最具贡献的是 二层次较有贡献的是镜质组含量 ,第三层次微有贡献的是煤层上覆有效地层厚度和灰分含量 。2 等温吸附曲线特征等温吸附曲线 (图 1)吸附量随着压力的增大而增大 ,且煤层的吸附和解析是可逆的 。 在煤层的解析过程中 ,当压力降低时 ,气体则开始解析 。 若实际测量的含气量大于理论含气量为过饱和 ,则实际测量的含气量小于理论含气量为欠饱和 。 临界解析压力为煤层降压过程中气体开始解析点所对应的压力值 ,压力能下降到最小值即为废弃压力 。 在实际生产应用中可依次自右到左分为三个区 ,分别为降压区 、降压解析区和废弃压力区[2]。 降压区是指通过煤层气井排水使井底压力降低至临界解析压力点 ,范围主要取决于煤层原始压力和含气量 。 降压解析区是从临界压力点到废弃压力时对应的范围 ,这个区域对煤层气的产出非常重要 。 不同曲线形状 (或者说是煤岩的吸附性质 )表现降压过程中不同的解析气量 ,其中起主要作用的是兰氏压力 。通常兰氏压力越大越有利于降压过程中吸附气的产出 。 从某种意义上说 ,这个区域的大小代表煤层气开发过程中的降压幅度 , 气量产出的多少主要决定这个阶段内曲线的斜率是否有利于气体产出以及吨煤含气量 。 废弃压力区的大小取决于煤层开发的废弃压力 ,或者说与煤层埋藏深度有密切关系 ,煤层埋深越深 ,废弃压力越大 ,残留在煤层中的气体越多 。通常这个区域内曲线的斜率较大 ,这种特点在高煤阶中常见到 。 虽然有效的增产措施或较高的渗透率煤层会降低废弃压力 ,但由于煤层在一定的深度下 ,不可能使压力降到地面压力值或比较理想的压力范围 。 目前在一些煤层气开发方案上确定的煤层废弃压力尚需要进一步探讨 。3 用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压力和兰氏体积下产气量的大小 。由兰氏方程 ,有 :V=pL+p)则p! "兰氏体积越大 ,含气量随压力的增幅就越大 ,产气量也越高 。 对比图 2、图 3,分别将 和 4对比 ,2和 5对比 ,3和 6对比 ,发现 气产量越高 。当 又有d[L(p-pL)p+p! ") 当 p>则 即压力变化大于 增幅越大 ,含气量随压力的增幅就越大 ,产气量越高 。 如图 2和图 3中分别将 、2和 3对比 ,4、5和 6对比 ,也可看出 气产量越高 。(2)当 p<增幅越大 ,含气量随压力的增幅就越大 ,产气量也越高 。 这种情况发生在煤层气开采后期 ,储层压力降低至 这也是在开采初期产气量较大的曲线在开采后期下降较快的原因 。因此 ,煤层气开采过程中 ,气产量不仅与煤储层压力 而且与煤储层本身的性质参数 我国大部分欠饱和气藏在煤层气开采初期和中期 ,对产气越有利 ,而在开采后期 ,],对产气越有利 。用等温吸附曲线估算煤层气可采资源量在缺乏煤层气井生产资料的情况下 , 为了合理图 1 煤层等温吸附曲线示意图吸附解析量/(弃压力区临界降压区降压区过饱和饱和欠饱和C B 始地层压力 ;B:临界解析压力 ;C:废弃压力25· ·陈 浩 ,李建明 ,孙斌 :煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用利用我国煤田地质勘探中煤层气解析法所测的煤层气含量 ,使其计算的煤层气资源量与可采资源量更为接近 , 根据煤层气解析特征 , 煤储层等温吸附特征 ,通过计算解析系数 ,求取煤层气的解析率 。 利用等温吸附曲线与煤层气临界解析压力的关系 ,估算出煤层气临界解析压力 ,并结合煤层气井的枯竭压力估算出煤层气采收率 ,进而获得煤层气可采资源量 。我国煤层气现在还仅处于小井网开采试验阶段 ,目前还没有已经干枯或濒临枯竭煤层气藏资料 。 在利用等温吸附曲线估算采收率过程中 ,一般根据美国经验枯竭压力可降至最低储层压力约 首先通过兰格缪尔方程 ,根据实测含气量可计算出临界解析压力 :论最大采收率为降压解析区的吸附含气量与临界解析压力下的含气量之比 :η=1pL+pL+已计算的资源量计算可采资源量 : η为煤层气理论最大采收率 ;,5]。4 结 论(1)煤层气主要吸附在煤层颗粒基质表面 ,通过等温吸附曲线可计算出煤层最大吸附量 , 并对煤层气勘探开发提供参数 。(2)在煤层气开采过程中 ,对曲线形态分析发现气产量不仅与煤储层压力 而且与煤储层本身的性质参数 我国大部分欠饱和气藏在煤层气开采初期和中期 , 对产气越有利 ;而在开采后期 ,对产气越有利 。(3)通过曲线方程可计算出煤层气开发的最大采收率 ,进而可计算出煤层的可采资源量 。参考文献[1] 谭世君 ,岳晓燕 J]1998(6):82] 李安启 , 张鑫 , 钟小刚 , 等 . 煤岩吸附曲线在煤层气勘探开发中的应用 [J]. 天然气工业 , 2008(3):803] 赵辉 , 杨子荣 . 煤层气等温吸附曲线形态对产气量的影响[J]. 辽宁工程技术大学学报 , 2007(37[4] 陈春琳 , 林大杨 . 等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用 [J]. 中国矿业大学学报 , 2005(05):6795] 张文忠 ,许浩 ,傅小康 ,贾高龙 . 利用等温吸附曲线估算柳林区块煤层气可采资源量 [J]. 大庆石油学院学报 , 2010(1) :020100 4 6 8 101压力 /氏体积 不同兰氏常数下的等温线吸附曲线气产量/(00400030050 100 150 200时间 / 不同兰氏常数下对应的产气量曲线(下转第 33 页 )26· ·of 34023;65007) of is L L in BM L is in BM to BM be 接第 26 页 )何柳 :酸处理降低碳酸盐岩储层破裂压力的影响因素分析参考文献[1] 曾庆坤 D]西南石油大学 , 2004.[2] U. ]1998,48:8093] 陈四利 ]东北大学 , 2003:844] 楼一珊 M]石油工业出版社 ,2006.[5] A.FE J].999(2):16] 冯夏庭 ,丁梧秀 水流 J]. 岩石力学与工程学报 ,2005,24(9):14657] Z, H, ]1987,24(4):2478] 李先炜 M]煤炭工业出版社 ,1983.[9] 汤连生 ,王思敬 岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展 [J]1999,14(5):43310] 丁梧秀 , 冯夏庭 . 灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨 [J]. 岩石力学与工程学报 ,2005,24(8):1 28388.[11] ,. C]//. A. 991:33312] 黄明利 J]1999,20(4):42613] 冯增朝 ,赵阳升 J]2008,27(1):il 10000)on of of on of ·
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