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1、n 煤储层压力煤储层压力n 煤储层的吸附特征及其影响因素煤储层的吸附特征及其影响因素n 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用n 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第四章第四章 煤储层压力及吸附煤储层压力及吸附/解吸特征解吸特征 第一节第一节 煤储层压力煤储层压力n 储层压力：储层压力：指作用于煤孔隙指作用于煤孔隙裂隙空间上的流体压力裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力。（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力。n 开放体系：开放体系：储层压力等于静水压力储层压力等于静水压力n 封闭体系：封闭体系：储层压力等于上覆岩层压力储层压力等于上覆岩层压力 n 半封闭体系：半封闭体系
2、：上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基 质块共同承担质块共同承担1 1、定义、定义n压力系数压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比即实测储层压力与同深度静水压力之比。n 超压：压力系数超压：压力系数1，压力梯度，压力梯度0.98 MPa/100m；n 正常压力：压力系数正常压力：压力系数=1，压力梯度，压力梯度=0.98 MPa/100m；n 欠压：压力系数欠压：压力系数1，压力梯度，压力梯度0.98 MPa/100m。n 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层 超压状态占超压状态占33.2%，正常
3、压力状态占，正常压力状态占21.9%，欠压状态占，欠压状态占45.3%，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层 大多处于欠压状态。大多处于欠压状态。2 2、储层压力状态、储层压力状态超压超压煤层气井喷煤层气井喷n 埋深埋深3 3、储层压力的地质控制、储层压力的地质控制n 地应力地应力p P=GpH P储层压力，储层压力，MPa；Gp压力梯度压力梯度（单位垂深内的储层压力增量），（单位垂深内的储层压力增量），MPa/100m；H煤层中心埋藏深度，煤层中心埋藏深度，mp p=hGw p 视视储层压力，储层压力，MPa Gw静水静水压力梯度
4、；压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）淡水）；0.98MPa/100m（咸水）咸水）h煤层中点处水头深度，煤层中点处水头深度，mn 水文地质水文地质开放体系开放体系n 煤层气（瓦斯）压力煤层气（瓦斯）压力煤煤层层气气（瓦瓦斯斯）压压力力是是指指在在煤煤田田勘勘探探钻钻孔孔或或煤煤矿矿矿矿井井中中测测得得的的煤煤层层孔孔隙隙中中的的气气体体压压力力。煤煤储储层层试试井井测测的的储储层层压压力力是是水水压压，二二者者的的测测试试条条件件和和测测试试方方法法明明显显不不同同。煤煤储储层层压压力力是是水水压压与与气气压压的的总总和和，在在开开放放体体系系中中，储储层层压压力力中中水水压压等等于于
5、气气压压；在在封封闭闭体体系系中中，储储层层压压力力等等于水压与气压之和。于水压与气压之和。n 煤储层压力煤储层压力n 煤储层的吸附特征及其影响因素煤储层的吸附特征及其影响因素n 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用n 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第四章第四章 煤储层压力及吸附煤储层压力及吸附/解吸特征解吸特征 n吸附方式：吸附方式：物理吸附，范德华力物理吸附，范德华力n吸附模型吸附模型单层吸附单层吸附:Langmuir 模型模型多层吸附多层吸附:BET模型模型,FHH模型模型容积充填理论容积充填理论:D-R,D-A 理论理论1、Langmuir理论理论VL或或Vm或或a最大吸附量；最大吸
6、附量；VL、PL朗格缪尔体积和压力，朗格缪尔体积和压力，PL等于等于1b 2 2、吸附性及其地质控制、吸附性及其地质控制n气体成分与煤吸附性气体成分与煤吸附性甲烷吸附量甲烷吸附量(cm3/g)N2 CH4+N2 CH4+CO2+N2CH4+CO2CO22401680612182430吸附压力吸附压力(MPa)CH4相对吸附能力：相对吸附能力：N2CH4C2H6CO2C3H8H2O。多元气体吸附等温线，总是介于强、弱吸附气体吸附等温线之间。多元气体吸附等温线，总是介于强、弱吸附气体吸附等温线之间。n煤物质组成与煤吸附性煤物质组成与煤吸附性干燥煤样干燥煤样水分校正结果水分校正结果024681012
7、1401234567p(MPa)Mad=0.00%Mad=0.56%Mad=1.26%Mad=2.08%Mad=2.66%Mad=5.10%VL(m3/t)n煤孔隙结构与煤吸附性煤孔隙结构与煤吸附性新集肥煤新集肥煤n煤吸附性随煤级的演化煤吸附性随煤级的演化05101520253035400123456789Ro,max(%)VL(m3/t)n地层温度地层温度/压力与煤吸附性压力与煤吸附性朗格缪尔体积衰减系数：朗格缪尔体积衰减系数：温度升高温度升高11，VL减小数量。减小数量。温度每升高温度每升高1010，煤样吸附量衰减速率比上一个等间距温度，煤样吸附量衰减速率比上一个等间距温度段约减小一半。段
8、约减小一半。压力增高，吸附增量减小，吸附趋于饱和。压力增高，吸附增量减小，吸附趋于饱和。埋深增大，压力对煤吸附增量的影响渐趋减小，温度作用增大。埋深增大，压力对煤吸附增量的影响渐趋减小，温度作用增大。在一定埋深下将会达到在一定埋深下将会达到“吸附饱和临界深度吸附饱和临界深度”。KT100-68HT型气体等温吸附型气体等温吸附/解吸仪解吸仪(中国矿大中国矿大)4 4、等温吸附实验、等温吸附实验n 容量法等温吸附仪容量法等温吸附仪Adsorption testing system 等温吸附测试系统等温吸附测试系统Terra Tek 公司公司 美国（美国（2004）n 仪器结构及工作原理仪器结构及工
9、作原理p 仪器的基本结构：仪器的基本结构：高压容量法等温吸附仪是由结构完全相同的数个单元构成高压容量法等温吸附仪是由结构完全相同的数个单元构成,彼彼此独立，可以同时对不同煤样进行不同条件实验。每个单元由此独立，可以同时对不同煤样进行不同条件实验。每个单元由样品缸和参考缸组成，用不锈钢制造的耐高压的密封容器。样样品缸和参考缸组成，用不锈钢制造的耐高压的密封容器。样品缸和参考缸置于恒温装置内，保持温度的稳定性和一致性，品缸和参考缸置于恒温装置内，保持温度的稳定性和一致性，温度和压力皆由高精度、高灵敏度测量元件进行监控。温度和压力皆由高精度、高灵敏度测量元件进行监控。p 仪器的工作原理：仪器的工作原
10、理：容量法是最成熟和应用最广泛的方法之一，也是国内外煤层容量法是最成熟和应用最广泛的方法之一，也是国内外煤层气吸附领域普遍采用的方法。气吸附领域普遍采用的方法。其原理是通过其原理是通过P、T、V三参数关三参数关系分别计算吸附平衡前后的自由气体量，其差值即吸附量。系分别计算吸附平衡前后的自由气体量，其差值即吸附量。平衡水分测试 体积实验 压力实验数据处理报告审查成果报出 煤样装缸测试报告等温吸附试验 煤样制备（6080目）（1）测试样品）测试样品 要求要求:代表性煤样，一般为煤代表性煤样，一般为煤层煤样层煤样1-2kg，实验室缩制。，实验室缩制。粒度：粒度：60-80目目(0.2-0.25mm)
11、质量：质量：100150克克 同时进行工业分析测试。同时进行工业分析测试。（2）平衡水分测试）平衡水分测试 将样品称重浸泡于玻璃烧杯，将样品称重浸泡于玻璃烧杯，放进装有过饱和放进装有过饱和K2SO4溶液的溶液的真空干燥器中，真空干燥器中，在在30、相对、相对湿度湿度96-97%下，水分平衡下，水分平衡37天。天。煤样预处理好后，等待测试煤样预处理好后，等待测试使用。使用。测试分析流程测试分析流程 试验试验条件：条件：试验在储层温度下进行吸附测试。试验在储层温度下进行吸附测试。试验最高压力大于实测储层压力，取试验最高压力大于实测储层压力，取 8 MPa 或或 12MPa。试验试验步骤：步骤：（1
12、）体积试验体积试验：测试煤样的真实体积和密度：测试煤样的真实体积和密度 。步骤：关闭参考缸和样品缸间阀门，步骤：关闭参考缸和样品缸间阀门，向向参考缸中充氦气止压力（参考缸中充氦气止压力（2.06-2.08MPa）。）。然后打开阀门让参考缸、样品缸平衡。记录平衡前后压力、温度值，通过真实气然后打开阀门让参考缸、样品缸平衡。记录平衡前后压力、温度值，通过真实气体状态方程计算煤样真实体积和密度。通过煤样的体积，就得到样品缸的自由空体状态方程计算煤样真实体积和密度。通过煤样的体积，就得到样品缸的自由空间体积。间体积。（2）压力实验压力实验:检查系统的气密性。检查系统的气密性。方法方法:向系统充氦气，压
13、力超过实验要求的最高压力（或储层压力），保证接下来向系统充氦气，压力超过实验要求的最高压力（或储层压力），保证接下来的整个等温吸附实验在密封条件下进行。调节温度达到实验要求。的整个等温吸附实验在密封条件下进行。调节温度达到实验要求。（3）等温吸附实验测试：在温度达到实验要求，确定系统密封不漏气时）等温吸附实验测试：在温度达到实验要求，确定系统密封不漏气时方可进行。方可进行。测试步骤：关闭样品缸阀门，向参考缸充甲烷气体，压力为计算出的目测试步骤：关闭样品缸阀门，向参考缸充甲烷气体，压力为计算出的目标压力。温度稳定后，启动等温吸附实验程序。在标压力。温度稳定后，启动等温吸附实验程序。在60秒时打开
14、样品缸阀门，秒时打开样品缸阀门，记录不同时间的压力与温度。前记录不同时间的压力与温度。前300秒每秒采集一次数据，以后秒每秒采集一次数据，以后1分钟采集分钟采集一次数据，直到达到吸附平衡。一次数据，直到达到吸附平衡。重复充气、压力检测重复充气、压力检测，到最终压力为止。，到最终压力为止。第一个压力点完成后，关闭阀门，继续往参考缸中充气，达到计算出的第一个压力点完成后，关闭阀门，继续往参考缸中充气，达到计算出的第二个目标压力，温度稳定后，启动等温吸附实验程序，在第二个目标压力，温度稳定后，启动等温吸附实验程序，在60秒时打开阀秒时打开阀门让两缸平衡。平衡后重复以上过程，直至最后一个压力点实验结束
15、。门让两缸平衡。平衡后重复以上过程，直至最后一个压力点实验结束。煤样体积和自由空间体积计算煤样体积和自由空间体积计算 煤样体积计算公式：煤样体积计算公式：V S=P2V2/Z2T2+P3V3/Z3 T3-P1V1 /Z1T1 P2 /Z2 T2-P1/Z1 T1 式中：式中：P1平衡后压力；平衡后压力；T1平衡后温度；平衡后温度；V1系统总体积；系统总体积；V2参考缸体积；参考缸体积；V3样品缸体积；样品缸体积；VS煤样的体积；煤样的体积；Z1平衡条件下气体的压缩因子；平衡条件下气体的压缩因子；P3、P2样品缸、参考缸初始压力；样品缸、参考缸初始压力；T3、T2样品缸、参考缸初始温度；样品缸、
16、参考缸初始温度；Z3、Z2样品缸、参考缸初始压缩因子样品缸、参考缸初始压缩因子.求出煤样的体积，就可计算出样品缸内自由空间体积。自由求出煤样的体积，就可计算出样品缸内自由空间体积。自由空间体积是指样品缸装入煤样后煤样颗粒之间的空隙、煤样颗空间体积是指样品缸装入煤样后煤样颗粒之间的空隙、煤样颗粒内部微细空隙、样品缸剩余的自由空间、连接管和阀门内部粒内部微细空隙、样品缸剩余的自由空间、连接管和阀门内部空间的体积之总和。空间的体积之总和。自由空间体积计算公式为：自由空间体积计算公式为：V=V1-VS 式中：式中：V 自由空间体积自由空间体积,，cm3；V1 系统总体积，系统总体积，cm3；VS 煤样
17、的体积煤样的体积,，cm3。吸附量吸附量:根据参考缸、样品缸的平衡根据参考缸、样品缸的平衡压力及温度，计算不同平衡压力及温度，计算不同平衡压力点的吸附量。压力点的吸附量。利用公式：利用公式：PV=nZRT式中：式中：P压力，压力，MPa；V体积体积,cm3；n摩尔数；摩尔数；Z气体的压缩因气体的压缩因子；子；R气体常数；气体常数；T温度，温度，K。分别求出平衡前系统内气体的摩尔数分别求出平衡前系统内气体的摩尔数（n1）和平衡后系统内气体的摩尔数（）和平衡后系统内气体的摩尔数（n2），），则煤样吸附气体的摩尔数增量（则煤样吸附气体的摩尔数增量（n）：）：n=n1n2 （4）式中：式中：n 平衡前
18、后自由气体平衡前后自由气体摩尔摩尔 数的增量；数的增量；n1 平衡前系统内气体的摩尔平衡前系统内气体的摩尔数；数；n2 平衡后系统内气体的摩尔平衡后系统内气体的摩尔数。数。吸附气体的总体积增量（吸附气体的总体积增量（V总总）：）：V总总=n22.41000 （5）单位吸附增量（单位吸附增量（V）：）：V=V总总/M .（6）式中：式中：M煤样质量；煤样质量；V总总吸附气体的总体积；吸附气体的总体积；V单位吸附增量。单位吸附增量。Langmuir体积（体积（VL）和）和Langmuir压力（压力（PL）的计算：）的计算：求出压力及该压力对应的吸附量间的比值（求出压力及该压力对应的吸附量间的比值（
19、P/V），绘出），绘出P、P/V之间的散点图，对这些点进行线性回归，利用最小二乘之间的散点图，对这些点进行线性回归，利用最小二乘法求出直线方程及相关系数（法求出直线方程及相关系数（R）。）。假设直线斜率为假设直线斜率为A，截距为，截距为B，则：，则：Langmuir体积（体积（VL）为：）为：VL=1/A （7）Langmuir压力（压力（PL）为：）为：PL=B/A=VLB （8）p 测试参数：测试参数：（1）平衡水分；）平衡水分；（2）各平衡点压力下吸附量；）各平衡点压力下吸附量；（3）Langumuir体积、体积、Langumuir压力、压力、R值；值；（4）吸附等温线；）吸附等温线；（
20、5）P/VP图。图。等温吸附试验报告：最终测试结果、原始测试数据。等温吸附试验报告：最终测试结果、原始测试数据。p 质量评述：质量评述：在最终报告中提出质量评述意见，尤其是在出现不可预见的问题在最终报告中提出质量评述意见，尤其是在出现不可预见的问题时时，以供甲方使用数据时考虑，以供甲方使用数据时考虑。n 重量法等温吸附仪重量法等温吸附仪n 煤储层压力煤储层压力n 煤储层的吸附特征及其影响因素煤储层的吸附特征及其影响因素n 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用n 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第四章第四章 煤储层压力及吸附煤储层压力及吸附/解吸特征解吸特征 n 吸附等温线吸附等温线:V=/（P
21、+）n含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。比值。n理论饱和度理论饱和度:实际含气量与兰氏体积之比值实际含气量与兰氏体积之比值 S理理=V实实/VL S理理理论饱和度，理论饱和度，%；V实实实测含气量，实测含气量，m3/t；1 1、理论饱和度和实测饱和度理论饱和度和实测饱和度 n实测饱和度实测饱和度:实测含气量与实测储层压力投影到吸附实测含气量与实测储层压力投影到吸附 等温线上所对应的理论含气量的比值。等温线上所对应的理论含气量的比值。S实实=V实实/V
22、V=VLP/(P+PL)V实实实测甲烷含量；实测甲烷含量；S实实含气饱和度。含气饱和度。V理论含气量，理论含气量，m3/t VLLangmuir体积，体积，m3/t；PLLangmuir压力，压力，MPa；P煤储层压力，煤储层压力，MPa；吸附状态：吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和过饱和，饱和，欠饱和n临界解吸压力临界解吸压力：指在等温曲线上煤样实测含气：指在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力。量所对应的压力。n临储压力比临储压力比：临界解吸压力与储层压力之比。：临界解吸压力与储层压力之比。2 2、临界解吸压力、临界解吸压力 3 3、理论采收率、理论采收率 Pad枯竭压力枯竭压力（据美国的经验
23、可降至的最低储据美国的经验可降至的最低储层压力为层压力为100磅磅/平方英寸，约为平方英寸，约为0.7MPa）n 煤储层压力煤储层压力n 煤储层的吸附特征及其影响因素煤储层的吸附特征及其影响因素n 等温吸附曲线的应用等温吸附曲线的应用n 煤储层的解吸特征煤储层的解吸特征第四章第四章 煤储层压力及吸附煤储层压力及吸附/解吸特征解吸特征 n解吸率：损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比。解吸率：损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比。n解吸量：损失气量与现场两小时解吸气量之和，解吸量：损失气量与现场两小时解吸气量之和，即解吸率与该深度下实际含气量的乘积。即解吸率与该深度下实际含气量的乘积。1 1、
24、解吸量与解吸率、解吸量与解吸率 n 吸附时间：定义为实测解吸气体体积累计达到总解吸吸附时间：定义为实测解吸气体体积累计达到总解吸 气量（气量（STP：标准温度、压力）：标准温度、压力）63.2%时所对应的时间。时所对应的时间。n 吸附时间与产能达到高峰的时间有关，与煤层气长期吸附时间与产能达到高峰的时间有关，与煤层气长期的产能关系不密切。吸附时间短，则煤层气井有可能在的产能关系不密切。吸附时间短，则煤层气井有可能在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于气井的长期稳产气井的长期稳产。2 2、吸附时间、吸附时间 我国部分矿区煤层甲烷平均解吸
25、量统计结果我国部分矿区煤层甲烷平均解吸量统计结果n东北铁法和西北宝积山等中生界煤储层埋深增大，煤层甲烷解吸率东北铁法和西北宝积山等中生界煤储层埋深增大，煤层甲烷解吸率却有降低的明显趋势，最佳解吸深度在却有降低的明显趋势，最佳解吸深度在400600m之间。由此来看，之间。由此来看，不同地区和不同时代煤储层甲烷解吸率与埋深之间关系往往大相径不同地区和不同时代煤储层甲烷解吸率与埋深之间关系往往大相径庭。庭。n沁水盆地中南部解吸率与煤层埋深的关系沁水盆地中南部解吸率与煤层埋深的关系解解吸吸速速率率定定义义为为单单位位时时间间内内的的解解吸吸气气量量。它它受受控控于于煤煤的的组组成成、煤煤基基块块大大小小、煤煤化化程程度度及及煤煤的的破破碎碎程程度度。自自然然解解吸吸条条件件下下解解吸吸速速率率总总体体表表现现为为快快速速下下降降，但但初初始始存存在在一一个个加加速速过过程程，中中间间可可能能受受煤煤孔孔径径结结构构的的影影响响，解解吸吸速速率率出出现现跳跳跃跃性性变变化化。储储层层条条件件下下的的解解吸吸速速率率因因压压降降不同将变得更加复杂。不同将变得更加复杂。3 3、解吸速率、解吸速率