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5煤层气的开采机理研究

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煤层气 开采 机理 研究
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煤 层气的开采机理研究李传亮1,彭朝阳2(油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 ; 摘 要 :煤层气为自生自储型非常规天然气资源 。 为了更好地开发煤层气 ,需要深入研究煤层气的开采机理 。 煤层气赋存于煤岩层的割理和基质孔隙中 ,以吸附状态为主 ,且与地层水共存 。 煤层气从孔隙壁面上解吸下来之后 ,才能被开采 。 开采地层水导致地层压力下降 ,进而导致煤层气解吸成为自由气 ,解吸后的煤层气沿割理渗流至井底后被采出地面 。 煤层气的开采过程包括脱气 、解吸和渗流 3 个阶段 。 扩散不是煤层气的开采机理 。关键词 :煤层气 ;割理 ;基质 ;吸附 ;解吸 ;脱气 ;扩散中图分类号 :献标识码 :但其开发理论的研究却明显滞后于开发实践 。 煤层气的开采机理依然不是十分清楚 ,明显制约着开发实践的健康发展 。煤层气的赋存状态以吸附为主 ,其开采过程通常分为 3 个阶段 :解吸 、扩散和渗流[1 但根据笔者的研究 ,扩散并不是煤层气的开采机理 ,煤层气的开采过程应为 :出溶 (脱气 )、解吸和渗流 。1 赋存状态煤层气是一种非常规天然气 ,没有圈闭 ,也没有盖层 ,属于自生自储类型 。 煤岩层既是烃源层 ,又是储集层 ,煤层气在煤岩层生成后就地储集 。煤岩层没有盖层 ,就无法聚集自由气 ,煤层气是靠吸附作用附着在孔隙壁面而保存下来的 (图 1)。煤岩层通过基质收缩和地应力作用产生了大量的多尺度裂缝 (割理 )[4],割理把煤岩层切割成大量的基质岩块 ,基质岩块中发育有大量的基质孔隙 。 煤岩层的比表面积 (比面 )很大 ,如褐煤的比面约为200 m2/g,为煤层气的吸附赋存提供了物质条件 。煤岩层富含沉积有机质 ,它们在热压作用和微生物的作用下 ,生成了大量的甲烷等低分子气体 。甲烷分子被排入割理或基质孔隙中 ,而割理和基质孔隙充满了地层水 ,由于甲烷在地层水中的溶解度极低 ,因此 ,大量的甲烷分子被迫吸附在孔隙壁面上 ,只有少量的甲烷溶解于地层水中 。 甲烷分子与水分子大小相当 ,且平衡共存 。 吸附的甲烷分子呈分散状态 ,若生成的甲烷分子增多 ,就会聚集成连续相气泡 (自由气 )。 由于煤岩层的亲水特性[5],气泡生成后便会在浮力的作用下向上运移出煤岩层[6],从而散失掉 。 没有盖层 ,煤岩层是很难聚集自由气的 。煤岩层的地层水饱和了甲烷分子 ,是甲烷的饱和水溶液 。 煤岩层中的地层水比煤岩层之外的地层第 23 卷 第 4 期2011 年 8 月岩 性 油 气 藏2011文章编号 :1673011)042011回日期 :2011李传亮 ,1962 年生 ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事油藏工程的教学和科研工作 。 地址 :(610500)四川省成都市西南石油大学 “油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 。 电话 :(028)83033291。 煤层气赋存状态示意图1 of 油 气 藏 第 23 卷 第 4 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期水溶解了更多的甲烷分子 ,因此 ,其甲烷浓度更高一些 。 在浓度差的作用下 ,煤岩地层水中的甲烷分子就会不断向外扩散 ,并散失在煤岩层之外的地层之中 ,甚至扩散至地面散失掉 。煤岩层不断生成甲烷气 ,扩散作用和自由气的运移又使甲烷气不断散失 ,生成与散失保持着一种动态的平衡 。 如今的煤层气 ,是散失之后的剩余气 。2 吸附规律煤岩层没有自由气 ,只有散失之后的剩余吸附气 。 如何采出呈吸附状态的甲烷气体 ,是煤层气开发能否成功的关键 。 开发吸附气的第一步 ,就是将吸附气从孔隙壁面上解吸下来 ,然后采出煤岩层 。根据液相吸附理论 ,甲烷的吸附量与甲烷在地层水中的浓度 (溶解气水比 )满足下面的液相 程[7])式中 :g;g;m3/m3;b 为煤层气的液相吸附系数 ,无因次 。由式 (1)可以看出 ,煤层气的吸附量随甲烷浓度增高而增大 ,但最终趋于一个极限数值 ——饱和吸附量 2)。煤层气的饱和吸附量是衡量煤层气开采潜力的关键参数 ,其值越高 ,开采潜力就越大 。 优质煤岩层的饱和吸附量可达 50 g 以上 ,即 1 t 煤中的吸附气可达 50 由于散失的原因 ,煤岩层的实际生气量远远大于饱和吸附量 。甲烷在地层水中的浓度随温度 、压力和矿化度的变化而变化 ,地层条件下的甲烷浓度通常很小 ,一般低于或在 1 m3/]。 根据式 (1),要想使甲烷从孔隙壁面上解吸下来 ,可以通过降低地层水的甲烷浓度来实现 ,即在井底降低甲烷浓度 ,让煤岩层中的煤层气解吸 ,然后再扩散至井底而被采出(图 3)。通过扩散作用将解吸下来的煤层气运移至井底并开采出来 ,理论上可行实际上却不可行 。 因为目前尚没有在井底有效降低甲烷浓度的好方法 ,而且甲烷在地层水中的溶解度和扩散系数 (约为 0s[9])都很小 ,不能有效传质 。3 排水采气排水采气或抽水采气[3]就是指通过开采地层水进而开采煤层气的方法 ,其开采过程分为 3 个阶段 :脱气 、解吸和渗流 。3. 1 脱气地层水饱和了甲烷分子 ,甲烷的浓度 (溶解气水比 )随地层压力的变化曲线与原油的溶解气油比曲线类似 ,近似为一条直线 (图 4),可以用下面的方程描述[10]p (2)式中 :α 为甲烷的溶解系数 ,p 为地层压力 ,煤岩层中开采地层水 ,地层压力会下降 ,因此图 2 煤层气液相吸附曲线2 of to in 煤层气开采示意图3 of of 煤层气在水中的溶解曲线4 of in 2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 李传亮等 :煤层气的开采机理研究就会有气体从地层水中脱出 (出溶 ),从而形成连续的自由气 (图 5)。3. 2 解吸(1) 气相解吸自由气一旦形成 ,气相压力与吸附气之间就建立起了新的平衡关系 。 根据气相吸附理论 ,甲烷的吸附量与地层压力满足下面的气相吸附 ])式中 :a 为煤层气的气相吸附系数 ,式 (3)可以看出 ,煤层气的吸附量随地层压力增高而增大 (图 6)。 若想解吸吸附气 ,就必须降低地层压力 。 因此 ,开采煤层气的一个必要条件就是先排水降低地层压力 ,压力降低后吸附气便会解吸而成为自由气 。(2) 液相解吸根据式 (2),压力下降之后 ,地层水的甲烷浓度就会随之降低 ;而按照式 (1),甲烷的吸附量会减小 ,解吸量就会增加 。 把式 (2)带入式 (1)可以得到)由式 (4)可以看出 ,在被地层水饱和的孔隙中 ,甲烷的吸附量随地层压力的降低而降低 。 因此 ,在开采地层水之后 ,将有一部分吸附气被解吸下来 。解吸的甲烷分子无法溶解在水中 (因为水已经饱和 ),只有进入自由气 ,使自由气体积增大 。3. 3 渗流煤层气解吸成自由气之后 ,就会按照渗流规律从高压区向井底附近的低压区流动 ,流入井筒后被采出地面 。 通常认为 ,煤层气被解吸之后 ,先从小孔隙扩散至割理 ,然后再渗流到井底 。 其实 ,这种观点是不正确的 。 根据 律[11],扩散是从高浓度区向低浓度区的传质现象 ,需要浓度差或浓度梯度的驱动 ,而自由气的浓度不论压力高低皆为 100%,是不能产生扩散现象的 。 因此 ,自由气的传质是流动行为 ,而不是扩散行为 。 压力梯度导致流动 ,浓度梯度则导致扩散 。目前 ,煤层气的开采均采用排水采气的方法进行 ,即完井之后先大排量采水 ,地层压力下降到一定程度之后 ,煤层气便大量产出 。 扩散的速度太慢 ,靠扩散开采煤层气目前尚不具有经济价值 。 开采煤层气的最有效方法就是排水采气法 。4 结论(1) 煤层气是以吸附状态存在于煤岩层中的天然气 ,且与地层水平衡共存 。(2) 开采地层水导致的地层压力下降 ,有利于煤层气解吸而形成自由气 。(3) 靠扩散作用不能有效开采煤层气 ,排水采气是目前最有效的煤层气开采方法 。(4) 煤层气的开采过程分为脱气 、解吸和渗流3 个阶段 ,而不是解吸 、扩散和渗流 3 个阶段 。参考文献 :[1] 卢福长 ,武晓玲 ,唐文忠 J]2010,7(5):172] 陈富勇 ,琚宜文 ,李小诗 ,等 . 构造煤中煤层气扩散 J]2010,17(1):1953] 苏喜立 ,唐书恒 ,羡法 J]1999,16(3):674] 张胜利 ,李宝芳 J]1996,8(1):725] 李传亮 J]2011,32(2):1976] 李传亮 ,李冬梅 J]2011,23(2):1147] 天津大学物理化学教研室 下 ):图 5 地层水脱气形成自由气5 煤层气气相吸附曲线6 of to in 转第 19 页 )112011 年2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年(1. 00083, . 00083, in As of an up in on of of of of 文编辑 :郭言青 )(本文编辑 :于惠宇 )on of . il 10500, . o. 00082, is an In it is in of of is in of in be of in of to of to in is be is a of M]高等教育出版社 ,1983:1628] 秦同洛 ,李荡 ,陈元千 M]石油工业出版社 ,1989:26.[9] 张厚福 ,方朝亮 ,高先志 ,等 M]石油工业出版社 ,1999:128.[10] 何更生 M]石油工业出版社 ,1994:84.[11] 孔祥言 M]中国科技大学出版社 ,1999:380上接第 11 页 )郭秋麟等 :非常规油气资源评价方法研究 19
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