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1、煤层气勘探与开发利用技术亚美大陆煤层气有限公司张留伟 电子邮：公共信箱：密码：555888第三章 煤储层含气性及其地质控制问题：问题：1、煤层气含量有哪些测试方法？、煤层气含量有哪些测试方法？2、煤层气含量有哪些预测方法？、煤层气含量有哪些预测方法？煤储层含气性取决于煤层气组成、煤层含煤储层含气性取决于煤层气组成、煤层含气量、含气饱和度、可解析率以及煤层气气量、含气饱和度、可解析率以及煤层气资源量、资源丰度等。资源量、资源丰度等。第一节 煤层含气量及测试方法煤储层由固态、气态、液态三相物质所构煤储层由固态、气态、液态三相物质所构成。成。1、固态物质是煤基质，、固态物质是煤基质，2、液态物质、液
2、态物质一般是煤层中的水（有时也含有液态烃类一般是煤层中的水（有时也含有液态烃类物质），物质），3、气态物质即煤层气。、气态物质即煤层气。在地层状态下含有煤层气的煤层，才称为在地层状态下含有煤层气的煤层，才称为煤储层，否则都只是一般的煤层煤储层，否则都只是一般的煤层。一、煤层气含量测定方法一、煤层气含量测定方法1、USBM直接法直接法该方法对三个阶段实测气量构成，即逸散该方法对三个阶段实测气量构成，即逸散气量、解吸气量和残留气量。气量、解吸气量和残留气量。逸散气量是从钻至煤层到煤样装入解吸罐逸散气量是从钻至煤层到煤样装入解吸罐以前自然解吸出的煤层气量，无法直接测以前自然解吸出的煤层气量，无法直接
3、测得，通常依据钱两个小时解吸资料推测。得，通常依据钱两个小时解吸资料推测。解析气量是解吸罐中含气煤样在常压和储解析气量是解吸罐中含气煤样在常压和储层温度下自然脱附出来的煤层气量，终止层温度下自然脱附出来的煤层气量，终止于一周内平均解析气量小于于一周内平均解析气量小于10ml/d或一周或一周内每克样品的平均解析两小于内每克样品的平均解析两小于0.05ml/d。残余气量是上一阶段自然解吸后残留在煤残余气量是上一阶段自然解吸后残留在煤样中的煤层气量。产生残留气的原因较多，样中的煤层气量。产生残留气的原因较多，如扩散速率极低，或常压下煤层气已达吸如扩散速率极低，或常压下煤层气已达吸附附/解吸平衡而不再
4、解吸，或有一定量煤层解吸平衡而不再解吸，或有一定量煤层气被封存于煤中死孔。在气被封存于煤中死孔。在USBM法一般不要法一般不要求测定残余气量，因为解吸较为充分，残求测定残余气量，因为解吸较为充分，残余气数量少且难以解吸，对煤层气采收率余气数量少且难以解吸，对煤层气采收率几乎没有影响。几乎没有影响。2、MT77-94解析法（目前我国常用方法）解析法（目前我国常用方法）煤层含气量由损失气量煤层含气量由损失气量(V1)、现场、现场2h解吸量解吸量(V2)、真空加热脱气量、真空加热脱气量(V3)、粉碎脱气量、粉碎脱气量(V4)部分构成。部分构成。现场实际操作见现场实际操作见69页。两种方法的比较见页。
5、两种方法的比较见70页。页。二、逸散二、逸散/损失气量的估算损失气量的估算1、从理论上讲，解析气体和逸散气体、从理论上讲，解析气体和逸散气体(损失气损失气量量)是煤层气的可采部分。是煤层气的可采部分。美国矿业局采用直接法计算逸散气的理论依据：美国矿业局采用直接法计算逸散气的理论依据：煤体内孔隙是球形的，孔径呈单峰分布，气体煤体内孔隙是球形的，孔径呈单峰分布，气体在孔隙中进行等温扩散且服从菲克第一定律，在孔隙中进行等温扩散且服从菲克第一定律，所有孔隙中气体的初始浓度相同，通体边界处所有孔隙中气体的初始浓度相同，通体边界处气体浓度为零。因此，解吸最初几个小时释放气体浓度为零。因此，解吸最初几个小时
6、释放出的气体与解吸时间的平方根成正比，总解吸出的气体与解吸时间的平方根成正比，总解吸量公式如量公式如70页。页。2、史密斯、史密斯威廉斯法威廉斯法该方法假设：岩屑在井筒上升过程中压力线性该方法假设：岩屑在井筒上升过程中压力线性下降，直至煤屑到达地面。通过求解扩散方程，下降，直至煤屑到达地面。通过求解扩散方程，将该过程分解成两个无因次时间的形式：见将该过程分解成两个无因次时间的形式：见72页上。页上。由两个无因次时间比得到校正因子，用校正因由两个无因次时间比得到校正因子，用校正因子乘以解析气量即得到总含气量，总含气量减子乘以解析气量即得到总含气量，总含气量减去解吸气量可计算出逸散气量。去解吸气量
7、可计算出逸散气量。当逸散气量中比例小于当逸散气量中比例小于50%时，史密斯时，史密斯威廉威廉斯法是准确的，即校正因子最大值为斯法是准确的，即校正因子最大值为2。此外。此外该法是根据钻井煤屑的解吸行为而建立的，也该法是根据钻井煤屑的解吸行为而建立的，也适用于钻孔煤芯含气量的测定。适用于钻孔煤芯含气量的测定。三、相态含气量在地层条件下，煤层含气量是吸附气、游在地层条件下，煤层含气量是吸附气、游离气、水溶气三相动态平衡的结果。所以离气、水溶气三相动态平衡的结果。所以几乎不可能准确的测定煤层的含气量。几乎不可能准确的测定煤层的含气量。1、溶解气含量、溶解气含量甲烷溶解度实验表明：如果矿化度相同，甲烷溶
8、解度实验表明：如果矿化度相同，则甲烷在水中的溶解度随压力的增加而增则甲烷在水中的溶解度随压力的增加而增大；当温度低于大；当温度低于80摄氏度时，甲烷溶解度摄氏度时，甲烷溶解度随温度升高而降低。见图随温度升高而降低。见图17及及32.2、游离气含量、游离气含量存储于煤储层煤孔隙存储于煤储层煤孔隙裂隙空间里中的自由裂隙空间里中的自由气，称为游离气。在气体压力小于气，称为游离气。在气体压力小于20兆帕兆帕和温度大于和温度大于20摄氏度的情况下，游离气含摄氏度的情况下，游离气含量可按照理想气体状态方程式进行计算。量可按照理想气体状态方程式进行计算。见见74页。页。四、我国煤层含气量区域分布规律四、我国
9、煤层含气量区域分布规律我国煤层气平均含气量区域如图我国煤层气平均含气量区域如图33,。按照煤层气的含量分为三个品级，即贫气按照煤层气的含量分为三个品级，即贫气煤层，含气量小于煤层，含气量小于4m3/t，含气煤层含气量，含气煤层含气量4-8m3/t，富气煤层，含气量大于，富气煤层，含气量大于8 m3/t。第二节 煤层气理论解吸率与可采率解吸与吸附几乎完全可逆，对于煤储层，解吸与吸附几乎完全可逆，对于煤储层，煤层气的解吸特性常用可解吸率、可解吸煤层气的解吸特性常用可解吸率、可解吸量、解吸速率、吸附时间等参数进行表征。量、解吸速率、吸附时间等参数进行表征。一、解吸率与解吸量一、解吸率与解吸量1、在由
10、三阶段气、在由三阶段气(逸散气、解析气和残余气逸散气、解析气和残余气)所构成的煤层含气量，逸散气量与解吸气所构成的煤层含气量，逸散气量与解吸气量之和为理论可解吸量，它与总含气量的量之和为理论可解吸量，它与总含气量的百分比称为理论可解吸率。我国解吸之定百分比称为理论可解吸率。我国解吸之定义见义见77页。煤层甲烷解吸率受煤的吸附势、页。煤层甲烷解吸率受煤的吸附势、煤层含气量、储层压力等影响，也与煤层煤层含气量、储层压力等影响，也与煤层埋藏深度有关。埋藏深度有关。二、吸附时间二、吸附时间在标准温度和标准压力状态下，实测解吸在标准温度和标准压力状态下，实测解吸气体累计达到总解吸气量的气体累计达到总解吸
11、气量的63%时所对应的时所对应的时间，称为吸附时间。吸附时间与逸散气时间，称为吸附时间。吸附时间与逸散气无关，它取决于煤的物质组成、煤基块大无关，它取决于煤的物质组成、煤基块大小、孔隙结构、煤级、天然裂隙间距等地小、孔隙结构、煤级、天然裂隙间距等地质因素。吸附时间与煤层气产能达到高峰质因素。吸附时间与煤层气产能达到高峰期的时间有关，时间短则煤层气井有可能期的时间有关，时间短则煤层气井有可能在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但可能不利于煤层气井的长期稳产。周期，但可能不利于煤层气井的长期稳产。公式见公式见79页。页。三、解吸速率三、解吸速率单位时间内的
12、煤层气解吸量，称为煤层气解单位时间内的煤层气解吸量，称为煤层气解吸速率。煤层气解吸速率总体上表现为快速吸速率。煤层气解吸速率总体上表现为快速下降，但初始阶段存在一个升高过程（见图下降，但初始阶段存在一个升高过程（见图3-4）。储层条件下的解吸速率因压降不同将）。储层条件下的解吸速率因压降不同将变的很复杂。同一地区不同煤层的甲烷解析变的很复杂。同一地区不同煤层的甲烷解析速率往往也有较大差异。解释见速率往往也有较大差异。解释见81页。页。四、含气饱和度与理论采收率四、含气饱和度与理论采收率在地层条件下，煤层实际含气量与理论饱在地层条件下，煤层实际含气量与理论饱和含气量之百分比，称为含气饱和度，可和
13、含气量之百分比，称为含气饱和度，可由煤层含气量、储层压力、等温吸附常数由煤层含气量、储层压力、等温吸附常数计算出来。根据含气饱和度，将煤储层分计算出来。根据含气饱和度，将煤储层分为：饱和煤储层、欠饱和煤储层和过饱和为：饱和煤储层、欠饱和煤储层和过饱和煤储层。煤储层。煤层含气量中可采收气量与总量之百分比，煤层含气量中可采收气量与总量之百分比，称为煤层气采收率。煤层气理论可采率一称为煤层气采收率。煤层气理论可采率一般采用三种方法进行预测：见般采用三种方法进行预测：见83页。等温页。等温吸附法采用美国学者建立的公式：见吸附法采用美国学者建立的公式：见84页页。一、未采动区煤层含气量一、未采动区煤层含
14、气量目前，我国煤炭开采的政策市目前，我国煤炭开采的政策市“先采气，后采先采气，后采煤煤”。未采动区煤层含气量也常称为原位含气量，一未采动区煤层含气量也常称为原位含气量，一般采用含气量梯度法、等温吸附般采用含气量梯度法、等温吸附+含气饱和度含气饱和度法、地质类比分析法等进行预测。法、地质类比分析法等进行预测。1、含气量梯度法、含气量梯度法采用浅部含气量梯度来预测深度煤层含气量的采用浅部含气量梯度来预测深度煤层含气量的方法，主要适用于同一构造单元内深部预测区，方法，主要适用于同一构造单元内深部预测区，或不同构造单元中地质条件近似的预测区，是或不同构造单元中地质条件近似的预测区，是可靠程度较高且应用
15、最广的预测方法之一。可靠程度较高且应用最广的预测方法之一。第三节 煤层含气量预测方法其理论基础为：在构造相对简单的同一构造单元，其理论基础为：在构造相对简单的同一构造单元，控制煤层含量的地质因素基本相同，浅部煤层控制煤层含量的地质因素基本相同，浅部煤层含气性随深度变化的规律同样适合于深部煤层。含气性随深度变化的规律同样适合于深部煤层。使用该种方法的前提是：同一构造单元中已有潜使用该种方法的前提是：同一构造单元中已有潜部煤层含气性实测数据；埋深增加，煤级相当部煤层含气性实测数据；埋深增加，煤级相当或变幅较小；浅部资料小时的含气量梯度规律，或变幅较小；浅部资料小时的含气量梯度规律，或埋深与煤层含气
16、量关系离散型较小；适用深或埋深与煤层含气量关系离散型较小；适用深度为煤层气风化带底部至煤层含气量度为煤层气风化带底部至煤层含气量“临界深临界深度度”。实际地质条件下，煤层气含量与埋葬深度之间可实际地质条件下，煤层气含量与埋葬深度之间可归纳为正相关、准相关和异常相关三种。归纳为正相关、准相关和异常相关三种。2、等温吸附、等温吸附含气饱和度法含气饱和度法该方法的预测精度相对较高，但应用前提要求该方法的预测精度相对较高，但应用前提要求较为严格。首先，具备煤的等温吸附实测数据，较为严格。首先，具备煤的等温吸附实测数据，实验煤样的煤级的煤级应与拟测煤层相似；第实验煤样的煤级的煤级应与拟测煤层相似；第二，
17、采购适当的方法，对煤储层压力有所了解，二，采购适当的方法，对煤储层压力有所了解，如试井压力、矿井如试井压力、矿井/钻孔瓦斯压力、根据水头钻孔瓦斯压力、根据水头告诉换算的视储层压力等；第三，了解煤储层告诉换算的视储层压力等；第三，了解煤储层温度及其随深度的变化规律；第四，合理估算温度及其随深度的变化规律；第四，合理估算煤层的含气饱和度。煤层的含气饱和度。其理论基础：煤层含气性取决于煤的吸附能力其理论基础：煤层含气性取决于煤的吸附能力和含气饱和度，即含气量为最大吸附量与含气和含气饱和度，即含气量为最大吸附量与含气饱和度的乘积。饱和度的乘积。基于朗缪尔原理，煤层含气量预测数学模型基于朗缪尔原理，煤层
18、含气量预测数学模型为：为：87页。页。上式用于拥有平衡水煤样等温吸附资料的情上式用于拥有平衡水煤样等温吸附资料的情况，下式用于只有干燥煤样等温吸附资料的况，下式用于只有干燥煤样等温吸附资料的情况。如果要进行精确的预测，还需要采用情况。如果要进行精确的预测，还需要采用气体状态方程气体状态方程(马略特定律马略特定律)考虑煤层中游离气考虑煤层中游离气的含量。的含量。3、地质类比分析法、地质类比分析法如果预测区及其浅部煤层几乎没有煤质煤岩、如果预测区及其浅部煤层几乎没有煤质煤岩、煤层含气性、煤吸附性等实测资料，地质类煤层含气性、煤吸附性等实测资料，地质类比分析法是预测煤层含气量的唯一方法。比分析法是预
19、测煤层含气量的唯一方法。对于已知煤级、煤质等基础资料但缺乏煤对于已知煤级、煤质等基础资料但缺乏煤层实测含气量和等温吸附实验数据的地区，层实测含气量和等温吸附实验数据的地区，可在综合分析煤层气地质条件的基础上，可在综合分析煤层气地质条件的基础上，采用煤质采用煤质灰分灰分含气量类比法，选择煤级含气量类比法，选择煤级煤质条件类似地区含气量梯度、等温吸附煤质条件类似地区含气量梯度、等温吸附等作为本区煤层含气量的预测依据。等作为本区煤层含气量的预测依据。4、测井曲线法、测井曲线法应用该法的前提是，同一地区内有钻孔煤应用该法的前提是，同一地区内有钻孔煤层高分辨率测井曲线和与之匹配的煤层含层高分辨率测井曲线
20、和与之匹配的煤层含气量实测资料，未知区段有同一煤层的高气量实测资料，未知区段有同一煤层的高分辨率测井曲线。见分辨率测井曲线。见89页。页。二、采动影响区煤层动态含气量井巷开拓和煤炭开采，改变了扰动区地应井巷开拓和煤炭开采，改变了扰动区地应力场和流体压力场压力场，打破了煤储层力场和流体压力场压力场，打破了煤储层压力平衡系统，煤层气程度不等地发生解压力平衡系统，煤层气程度不等地发生解吸渗流，煤层含气量发生动态变化。吸渗流，煤层含气量发生动态变化。1、本煤层采动影响区、本煤层采动影响区（1）、（）、（2）、（）、（3）2、邻近层采动影响区、邻近层采动影响区3、煤炭资源残留区、煤炭资源残留区煤层气富集的必要前提是生成、储集、封煤层气富集的必要前提是生成、储集、封盖、运移、聚集、保存等六个方面。盖、运移、聚集、保存等六个方面。一、煤级与煤层气富集一、煤级与煤层气富集二、构造类型与煤层气富集二、构造类型与煤层气富集三、沉积作用与煤层气富集三、沉积作用与煤层气富集四、水文地质条件与煤层气富集四、水文地质条件与煤层气富集第四节 控制煤层气富集的地质因素