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煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用

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等温 吸附 曲线 特征 煤层气 研究 中的 应用
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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 煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用 陈 浩 李建明 孙斌z (1.长江大学,荆州434023;2.中石油勘探开发研究院廊坊分院,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:1673—1980(2011)024—03 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100~400m . 通过吸附作用,煤比常规砂岩具有更高的储气能力 煤层的孑质和割理分 别代表着原生和次生的孑层气以吸附状态 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等温吸附实验 1.1 实验原理 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=式中:I/1一兰氏体积,表征煤具有的最大吸附能力;p ~ 兰氏压力。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 ,J 时,V= 和p 的大小决定于煤的性质,由等 温吸附试验结果可以求得。 1.2实验过程 为了研究煤的吸附特征。目前国内主要使用美国 压轻烃吸附仪。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 J+,将 实测的各压力点的压力与吸附量数据绘制成以坐标、以p/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 。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 和压力吸附曲线。 1.3煤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 、镜质组含量 、灰分 等的影响,将含气量变量,镜质组反射率R 、煤层上覆有效地层厚度 收稿日期:2010—10—13 · 作者简介:陈浩(1985一),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 ·24· 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 、镜质组含量 和灰分含量 作为白变量,进行逐 步【口]归分析获得的线性方程即含气量模型…: 0=一1.2803+0.003 7H+0.005I/X+5.9846R,. R=0.844 3l 其r}1尺为相关系数。分析可得出_ 先,相关系数达0.8以L,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 献可分成一层次最具贡献的是R 第二 层次较有贡献的是镜质组含量,第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 力为煤层降压过程巾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 用巾可依次白 到左分为 个区,分别为降压区、降 压解析区和废弃_21:降压 是指通过煤层气 井排水使井底 力降低至临界解析压力点,范罔主要 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 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m。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 力,但由于煤层存一定的深度下. 不可能使压力降到地面 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… 步探讨 3等温吸附曲线应用 3.1 利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 f 暑 j 辖 湛 蓝 』 J.//:原始地层压力:B:临界解析乐力;C:废弃,瓦力 图1 煤层等温吸附曲线示意图 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+f)) 则 一[1_ :t 0:— 印 ) 当p 不变时,兰氏体积越大,含气量随压力的增 幅就越大,产气量也越高。对比网2、图3,分别将p 相 等的1和4对比,2和5对比,3和6对比,发现 .越大,气 产量越高。 当 不变时,又有 d[ ]_d L) (p+P ) (i)当p>p 时,则 越大,即压力变化大于p 时, 越大,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 相等的l、2和3x~ 比,4、57~6X~比,也可看出p 越大,气产量越高。 (2)当p 时,小,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p 以下时。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 压力且与煤储层本身的性质参数p..和 有 关。我国大部分欠饱和气藏在煤层气开采初期和中 期,大,对产气越有利,而在开采后期,p 越 小l 3I,对产气越有利。 3.2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 ·2 · 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 删 莲 g 卿 {L 曲线 兰氏体积 兰氏压 l 29.2 O.5 2 29 2 0.967 3 29 2 1.967 4 O.5 5 19.2 0.967 6 19 2 1.967 压力/2不同兰氏常数下的等温线吸附曲线 0 50 100 150 200 时间/d 图3不同兰氏常数下对应的产气量曲线 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0.7 计算。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: . ·26· P d=Vm, 理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: r/=d(PL+t9 d)/p +p 据已计算的资源量计算可采资源量: 上各式中: 为煤层气吸附量;p 为兰氏压力;V 为兰氏体积;p。p 为煤层气井的枯竭压力; 为实测煤层含气l;r/ 为煤层气理论最大采收率; 为 可采资源量『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且与煤储层本身 的性质参数p 和 有关。我国大部分欠饱和气藏在 煤层气开采初期和中期, 。和P 越大,对产气越有 利;而在开采后期,P 越小,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.煤层舍气量和等温吸附模型[J】.河南石 油.1998(6):8[2】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):80—82. [3】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($2):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):679—682. 【5】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): 29.32. (下转第33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 【l】曾庆坤.宝浪油田异常破裂压力预测及降低破裂压力技术 研究[D].成都:西南石油大学,2004. [2] U.].J.1998,48:809—81 5 [3]陈四利.化学腐蚀下岩石细观损伤破裂机理及其 [D].沈阳:东北大学,2003:84—85. 构模型 [4]楼一珊_岩石力学与石油工程[M】.北京:石油工业出版社,2006. [5】 A.FE 999(2):1—54. 『61冯夏庭,丁梧秀.应力 水流一化学耦舍下石破裂全过程的细观 力学试验[石力学与工程学报,2005,24(9):l 465一l 470. Z, H, P.on f l 987,24(4): 247—255. [8]李先炜.岩块力学一I~].北京:煤炭工业出版社,1983. 思敬.水。岩化学作用对岩体变形破坏力学效应 研究进展『J].地球研究进展,1999.14(5):433—439. 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f.石力学与工程学报, 2005,24(8):1 283一l 288. 『 ,.a ]//of .A. 99 1:333—340. 【12]黄明利.岩石单轴压缩下破坏失稳过程 东北大学学报,1 999,20(4):426.429. 『131冯增朝,赵阳升.岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作 用【J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):78—83. E il 1 0000) on of of on of 上接第26页) of I 1.34023; 2.65007) BM(of is L L in BM L is in BM be to BM be 33·
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