实验五煤储层的解吸特征中国矿业大学《煤层气地质学》傅教授课件.docx
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实验五煤储层的解吸特征中国矿业大学《煤层气地质学》傅教授课件
实验五煤储层的解吸特征
煤储层的三元孔、裂隙结构决定了煤层甲烷解吸动力学的阶段性,在排水降压作用下,煤储层宏观裂隙内压降较快,显微裂隙、大孔隙次之,而微孔隙则压降缓慢。
当储层压力低于临界解吸压力以后,甲烷首先在宏观裂隙内开始解吸,然后依次是显微裂隙、大孔隙、微孔隙。
煤层甲烷不断由吸附相变成游离相。
解吸与吸附作用几乎是完全可逆的过程,同样可用Langmuir等温吸附定理来描述。
当煤储层压力降低到一定程度,煤中被吸附的甲烷开始与微孔表面分离,这个过程叫解吸。
解吸是煤中吸附气由于储层压力降低而转变成游离气体的过程,在压降过程中,吸附/解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。
煤储层解吸特性常用可解吸率或可解吸量和解吸速率来衡量,解吸总量由阶段解吸量组成,解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。
一、解吸率与解吸量
我国煤层气井和美国煤层气解吸资料由3部分构成,即逸散气量、解吸气量(解吸至一周内平均每天小于10cm3时为止)、残余气量。
逸散气量、解吸气量之和为可解吸量,其与总含气量之比称为可解吸率。
我国前期煤田地质勘探资料,瓦斯(煤层气)解吸资料多由四部分构成,即损失气量(V1)、现场两小时解吸量(V2)、真空加热脱气量(V3)和粉碎脱气量(V4)。
通常,将损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比称为解吸率,解吸率与该深度下实际含气量的乘积称为解吸量。
沁水盆地中南部煤储层的解吸特性变化较大,煤层甲烷解吸率分布范围为15.6 ~68.0%(表5-5),平均为37.82%,其中,3煤解吸率、解吸量基本上随埋深增加而增大(图5-16);15煤在埋深500m左右解吸率最高(图5-17)。
层域上,15煤解吸率、解吸量大于3煤,3煤平均解吸率为30.9%,15煤平均为37.8%,区域上,屯留、大宁解吸率最低,樊庄次之,但大宁、樊庄、屯留井田含气量大,解吸量仍然很大。
图5-16沁水盆地中南部解吸率与煤层埋深的关系
二、吸附时间
吸附时间表示甲烷通过煤基质块进入裂隙的扩散时间。
由罐装煤样解吸实验求得,定义为实测解吸气体体积累计达到总解吸气量(STP:
标准温度、压力)的63%时所对应的时间。
这一时间参数对于给定煤样来说与逸散气无关,即不管求逸散气采用什么方法,其吸附时间都是一样的。
它取决于煤的组成、煤基块大小、煤化程度及煤的裂隙间距。
表5-5沁水中南部主煤层解吸气量与埋深关系统计表
地区
煤层
甲烷解吸率/%(样品数)
埋深/m
300~400
400~500
500~600
600~700
700~800
800~900
长治
3#
38.3(5)
23.6(14)
39.9(5)
15#
35.4
(1)
32.2(3)
34.5(18)
34.6(7)
夏店
3#
22.1
(2)
32.8
(2)
45.2(4)
68.0(4)
15#
31.2
(2)
31.9
(2)
63.3
(1)
屯留
3#
33.7(13)
35.5(34)
38.1(10)
39.6(3)
43.4
(1)
15#
15.6
(1)
19.0
(1)
31.1(8)
34.5(6)
南峰
3#
23.5(5)
45.8
(2)
50.8
(1)
49.6
(2)
15#
25.2
(1)
31.8(3)
56.9
(1)
38.6
(1)
赵庄
3#
17.9(3)
44.5
(2)
33.7(4)
26.3
(2)
54.8
(1)
15#
41.8
(2)
23.6
(1)
47.1(3)
27.8
(1)
35.1
(2)
官庄
3#
32.7(5)
51.3(5)
42.7
(2)
15#
34.5
(1)
50.9
(1)
樊庄
3#
54.8
(2)
24.1(4)
25.0
(2)
34.6
(1)
24.8
(2)
15#
27.6
(1)
35.2
(1)
42.1(3)
潘庄
3#
26.1(29)
31.1(13)
19.4(5)
15#
40.3(14)
38.2(25)
46.9(12)
34.7(3)
大宁
3#
20.1(8)
38.9(7)
33.4
(1)
32.6
(1)
39.8(3)
15#
19.0(8)
22.2(3)
22.9(13)
总计
3#
28.5(46)
27.6(62)
38.4(59)
36.2(23)
38.1(12)
49.1
(2)
15#
33.7(25)
37.7(34)
39.6(44)
33.7(23)
36.6(13)
38.6
(1)
解吸量
m3/t
3#
3.72(46)
3.29(62)
5.48(59)
5.83(23)
7.25(12)
8.67
(2)
15#
6.12(25)
6.70(34)
6.22(44)
4.70(23)
5.06(13)
8.85
(1)
图5-17沁水盆地中南部解吸量与煤层埋深的关系
煤层气勘探开发实践表明:
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。
吸附时间可以通过扩散系数和煤基块扩散系数来计算,即
(5-32)
式中,
—吸附时间;D—扩散系数;
—形状因子。
由下式定义:
(5-33)
式中,
—比例系数;Am—煤基质块的面积;Vm—煤基质块的体积。
不同煤基质块的参数取值见表5-6。
表5-6煤基质块形状因子参数取值表
参数\煤基质块形状
板状
柱状
球形
Am
Axy
2πah
4πa2
Vm
aAxy
πa2h
(4/3)πa3
3/a
4/a
5/a
3/a2
8/a2
15/a2
a2/(3D)
a2/(8D)
a2/(15D)
D
S2/(12D)
S2/(8πD)
S2/[(4π/3)2/3D]
注:
S—裂隙间距;a—板状厚度或柱状半径或球形半径;h—煤层厚度。
因为裂隙级别较多,裂隙间距和形状因子难于厘定。
因此,通常由煤样的自然解吸实验(美国的直接法)来确定吸附时间。
1)计算累计达到总解吸气量的63%时所对应的气体体积
V63%=总解吸气量(STP)×63%(5-34)
由附录四可知晋城枣园FZ-001号煤层气井3号煤层3-1号样品的总解吸气量为17037.28ml,V63%则为10733.49ml。
2)计算累计达到总解吸气量的63%时所对应的时间
由附录四可知该样品吸附时间介于11664min和13063min之间(记录号60与61),则
(5-35)
由上式计算得出吸附时间为12039.25min,即8.36d。
煤储层的吸附时间变化极大。
例如,美国圣胡安盆地、中阿巴拉契亚等为1~5d,黑勇士盆地为1~30d,北阿巴拉契亚为80~100d,长短相差悬殊,最大值与最小值相差达100倍以上。
我国以前没有煤储层吸附时间资料,近年来进行过少量测试。
总的来看,我国煤储层吸附时间在数小时至5d之。
例如,平顶山三9-10煤为2~3d,二1煤为13h;淮南13-1煤为1h到4.6d,11-1煤为1h到1.8d,8煤为3h到1.5d;韩城3煤在1d左右,11煤为8h;峰峰2煤为1.5h到1.6d,4煤和6煤仅有数小时(表5-7)。
沁水盆地石炭—二叠系煤的吸附时间相对较长,但也只有1~9d。
与美国圣胡安盆地和中阿巴拉契亚地区类似,煤层气解吸速率较快,若为水饱和煤储层,很快就能达到较高气产量。
表5-7我国部分煤储层吸附时间统计表(据叶建平,有补充)
矿区
孔号
煤层
编号
埋深
/m
反射
率/%
吸附
时间/d
矿区
孔号
煤层
编号
埋深
/m
反射
率/%
吸附
时间/d
淮南
谢李G1
4
0.04
峰峰
淑1
2
576
2.25
0.35~1.61
6
0.13
6
648
2.27
0.38
7
0.04
龙1
2
781
1.27
0.06~1.56
8
0.13~0.67
4
816
1.28
0.63
9
0.04~1.20
平顶山
1511
二1
1106
0.95
0.54
11-2
879
1.04
0.04
三9-10
919
0.82
2~3
13-1
808
0.89
0.04~1.50
大城
大参1
4
1190
1.09
0.74
谢李G2
8
1046
1.29
1.50
韩城
HS3
3
602
1.74
0.88~1.08
11-2
960
1.14
0.19~1.80
11
680
1.80
0.33
13-1
887
1.02
0.25~0.50
阳泉寿阳
HG6
3
437
1.98
1
潘集G1
13-1
691
0.77
0.12~4.60
15
554
2.12
9
潘集G2
3
1012
0.80
0.63~4.58
晋城枣圆
FZ001
3
516.5
3.162
8.66~19.76
13-1
695
0.80
0.75~2.70
15
630.5
3.081
1.72~2.51
淮北
CQ3
7、9
560
0.84
3
晋城
CQ9
3
382.5
2.86~5.68
焦作
CQ6
二1
800
3.27
0.41
15
291.5
3.34~9.58
三、解吸速率
解吸速率定义为单位时间内的解吸气量。
它受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度及煤的破碎程度。
自然解吸条件下解吸速率总体表现为快速下降,但初始存在一个加速过程,中间可能受煤孔径结构的影响,解吸速率出现跳跃性变化(图5-18)。
储层条件下的解吸速率因压降不同将变得更加复杂。
图5-18晋城3号煤层解吸过程中解吸速率的变化规律
煤储层含气量的构成
煤层的含气量测定目前为大多数人所接受的是美国矿业局(USBM)的直接法(Kissel等,1973)。
我国在此基础上作了大量修改,由抚顺分院等单位制定了“煤层瓦斯含量和成分测定方法”(MT-77-84、MT-77-94)。
新的煤层气含量测定方法(GB/T19559—2004)见附录三。
一、阶段含气量
1、USBM直接法
USBM直接法测定的煤层含气量是由三阶段实测气量构成,即逸散气量、解吸气量和残留气量。
逸散气量:
指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量,通常依据前两小时的解吸资料推测。
这部分气体无法直接测得,可通过计算求得。
逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。
缩短取心时间是准确计算逸散气的有效途径之一,如采用绳索取心对于600m的井深只需几分钟,这就大大降低了逸散气的体积。
不同物理特性的煤具有不同的解吸速率,如碎粉煤、糜棱煤由于扩散距离短造成逸散气体积大。
钻井液的比重较大时对于煤层气的逸散有阻滞作用。
如果煤储层被水饱和,游离态煤层气含量低,则逸散气体积小;相反如果煤储层未被水饱和,游离态煤层气含量高,则逸散气体积较大。
解吸气量:
解吸气是指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下,自然脱出的煤层气量。
终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d或在一周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d,实测的解吸气量只是总解吸气量的一部分,总解吸气量应包括逸散气量。
残留气量:
是指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。
将样品罐加入钢球后密封,放在球磨机上磨2h,然后按测试解吸气的程序测残留气。
残留气或者是由于扩散速率极低所致,或者是在一个大气压下煤层气处于吸附平衡状态,不再解吸。
根据Diamond对美国1500个煤样的统计,残留气体积在低煤级煤中可占总含气量的40%-50%,而中高变质烟煤的残留气仅占总含气量的10%以下。
我国晋城无烟煤中残留气量介于1.82%~10.15%之间,平均为6.0%。
在煤层气开发中要特别注意残留气的含量,因为这部分气体是目前经济技术条件下难以回收的。
2、MT-77-84解吸法
我国MT-77-84测定的煤层含气量由四部分组成,包括损失气量(V1)、现场2h解吸量(V2)、真空加热脱气量(V3)以及粉碎脱气量(V4)。
国内、外解吸气中逸散气量(损失气量)所指部分是相同的,但国内2h解吸气量只是美国解吸气量的一部分,且不是在储层温度下进行的,尽管气体体积校正到标准状态,但不同温度条件下,煤层气的解吸速度不同。
因此,由2h解吸气量推算的逸散气量(损失气量)也存在差别。
解吸温度低时,逸散气量(损失气量)偏少;解吸温度高时,逸散气量(损失气量)偏大。
在现场把出井的煤心或煤屑立即装罐密封,以样品罐密封起计时测量。
解吸气量的测定及求取过程中需要进行精确的时间记录。
包括:
开始钻遇煤层时间(t0)、开始取芯时间(t1)、开始起钻时间(t2)、煤芯提至井深一半时间(t3)、煤芯提出井口时间(t4)、完成煤心封罐时间(t5)、开始解吸时间(t6)。
USBM法测试要求解吸开始按每小时计量4~5次,压力不超过28~34KPa,含气量高的样品计量要求加密,几天过后气量已经很小,气压发生波动,要防止发生倒吸现象,当解吸速率降为一周内平均每天低于10ml时,停止现场解吸。
国内煤层瓦斯解吸仪进行解吸测定时要求煤芯提出井口时间(t4)与完成煤芯封罐时间(t5)间隔小于15min,密封时间与解吸时间间隔小于2min,现场解吸2小时后,停止解吸。
在美国应用USBM法测定含气量时一般不测定残余气量,因为解吸周期长,残余气体难以解吸,对采收率几乎没有影响。
国内进行现场2h解后,必须测定残余气量。
将经过解吸测定的煤样,在密封状态下尽快送到试验室进行加热脱气,加热脱气后将煤样粉碎,再进行一次脱气(简称粉碎脱气)。
即要经过以下两个步骤:
加热脱气:
开罐之前抽真空,加热至95ºC,一直进行到每半小时内脱出气量小于10ml为止(一般持续5h左右)。
粉碎脱气:
煤样密封在球磨罐中到球磨机上粉碎4~5h,使煤样粒度磨到0.25mm以下,然后再进行抽真空、加热脱气5h左右。
二、相态含气量
原位状态下煤层含气量是吸附气、游离气和水溶气动平衡的结果(直接测量煤层气初始含量几乎是不可能的)。
吸附气占80~92%(表3-2),水溶气、游离气在低煤级煤和高煤级煤中占有较高的比例。
煤层气的三种赋存状态往往由于钻井和采样过程中外界条件的改变而发生变化。
所以,在测定煤样含气量时并不是按这三种状态去测定的。
测定气体含气量时,通常只测其游离气和吸附气含量,且必须注意,煤层气在地下的三种赋存状态和样品状态下分别测定的阶段含气量不能等同而论。
吸附气可由等温吸附实验来模拟(见第五章),溶解气可由溶解度实验来模拟,游离气可按理想气体状态方程来计算。
1、溶解气
甲烷溶解度实验表明:
矿化度相同的水样(模拟离子浓度,如NaHCO3)甲烷溶解度随压力增加而增大;当温度低于80℃时,甲烷溶解度随温度的升高而降低。
根据不同的储层温度、压力在不同矿化度系列图上量出相应的水溶甲熔含量,建立不同储层压力、温度条件下,矿化度与水溶甲烷的量板(图4-1),通过此量板可得出不同温度、压力和矿化度条件下的水溶甲烷含量。
甲烷在煤层水中的溶解度大于去离子水中的溶解度,去离子水中的溶解度又大于相同矿化度水中的溶解度,压力越高越明显图4-1甲烷溶解度与矿化度的关系
(表4-1),可见煤层水中的有机质随压力增加
对甲烷具有较强的吸附作用。
因此,水溶气还应包括有机质微粒的吸附气。
煤储层中水溶气的含量可由煤层水样在原位温、压条件下的溶解度实验,结合煤储层原位含水量得出。
表4-1甲烷溶解度实验成果单位:
m3甲烷/m3水
温度/℃
压力/MPa
潘庄煤层气井水样
等量矿化度样
去离子水溶液*
20
5
1.162
0.354
0.827
140
22
3.898
1.463
1.967
140
36
4.530
1.862
2.945
*据郑大庆,等(1996)在100℃、相同压力下去离子水溶液中溶解度的线性插值
2、游离气
存在于煤孔隙和裂隙空间的自由气体,称为游离气。
对于气体在压力不超过20MPa,温度不低于20℃时,游离气含量通常按理想气体状态方程式进行计算,即:
或
(4-1)
式中,P0、V0、T0,标准状态下游离气压力、游离气体积(煤层总孔隙体积减去被水占据的孔隙体积)和绝对温度;P、V、T,储层状态下游离气压力、游离气体积(可由煤岩体三轴压缩实验得总孔隙体积,再减去被水占据的孔隙体积或乘以含气饱和度)和绝对温度;
,气体密度;M,气体的摩尔质量;R,阿佛加德罗常数。
实际上气体分子之间存在着作用力,且分子体积也不为零,按理想气体状态方程式进行计算可能会带来较大误差,由马略特定律得:
(4-2)
式中;Vg—换算成标准状态后的游离气体积;Z-气体压缩因子(在给定温度、压力条件下,真实气体所占体积各和相同条件下理想气体所占体积之比),压缩因子是压力和温度的函数,即Z=Z(P,T),可查表4-2得到,其它符号同前。
表4-2甲烷气体压缩系数表
甲烷压力
/MPa
温度/℃
0
10
20
30
40
50
0.1
1.00
1.04
1.08
1.12
1.16
1.20
1.0
0.97
1.02
1.06
1.10
1.14
1.18
2.0
0.95
1.00
1.04
1.08
1.12
1.16
3.0
0.92
0.97
1.02
1.06
1.10
1.14
4.0
0.90
0.95
1.00
1.04
1.08
1.12
5.0
0.87
0.93
0.98
1.02
1.06
1.11
6.0
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
7.0
0.83
0.88
0.93
0.98
1.04
1.09
三、逸散气量(损失气量)的计算
逸散气量(损失气量)与取心至样品密封解吸罐中所需时间有关,取心、装罐所需时间越短,则计算的逸散气量(损失气量)越准确。
当逸散气量(损失气量)不超过总含气量的20%时,直接法所测的含气量比较准确。
USBM直接法被认为是测定煤层含气量的工业标准,它假设煤中气体解吸的理想模式为气体从圆柱型颗粒中扩散出来,可用扩散方程来描述,初始浓度为常数,表面浓度为零,其数值解表明在初始时刻累积解吸气量与时间的平方根成正比。
由此在解吸气量与时间的平方根的图中(一般取前10个点),反向延长到计时起点,即可图4-2逸散气量(损失气量)的估算
估算出逸散气量(损失气量,图4-2)。
直接法的计时起点与钻井液类型有关,对于气相或雾相取心,假设取心筒穿透煤层即开始解吸,损失时间(逸散时间)为取心时间、起钻时间和样品到达地面后密封在解吸罐中之前时间的总和。
对于清水取心,假设当岩心提到距井口一半时开始解吸,这种情况下,损失时间为起钻时间的一半加上地面装罐之前的时间。
解吸气和逸散气(损失气量)是煤层气的可采部分,因此准确测定逸散气(损失气量)至关重要。
美国矿物局采用的直接法计算逸散气的理论依据是:
煤体内的空隙是球形的,且孔径的分布是单峰的,气体在孔隙中的扩散是等温的且服从菲克第一定律,所有孔隙中气体的初始浓度相同,球体的边界处浓度为零。
则解吸最初几个小时释放出的气体与解吸时间的平方根成正比,总的解吸量可由下式表示:
(4-3)
式中:
—总解吸量,ml;
—逸散气量,ml;
—系数;
—解吸罐解吸时间,min;
—逸散时间,min。
令
,则上式写为:
(4-4)
其中实测解吸气量
。
由该式通过两种途径计算逸散气(损失气):
一是作图法,即以T为横坐标,以实测累计解吸量V2为纵坐标,通过作图,取直线段(一般为解吸最初10个点)在纵轴上的截距即为逸散气(如图4-3,数据见附录四);另一是回归法,以最初几个小时的实测数据为依据,用最小二乘法作回归分析,求出逸散气(损失气)。
图4-3损失气含量推测
四、史密斯-威廉斯法
1、原理与方法
计算逸散气量的直接法以单峰分布为前提,即假设所有孔隙大小都是相同的。
1972年以来,对煤层中甲烷扩散作用的研究表明,煤的孔隙结构为“双峰型”。
测定逸散气量的史威法正是把这种双峰分布的孔隙结构作为前提,通过实验对比表明,双峰分布的孔隙扩散模型成功地说明了解吸特征。
史威法是史密斯和威廉斯(Smith&Williams,1981)建立的,使用钻井岩屑测定煤层含气量。
在井口收集钻屑装入解吸罐中,解吸方法与直接法相同。
该方法假设岩屑在井筒上升过程中压力线性下降,直至岩屑到达地面,通过求解扩散方程,将其分解成两个无因次时间的形式:
(4-5)
(4-6)
式中STR—表面时间比,无因次;LTR—损失时间比,无因次;
—实测被解吸出全部气体体积(STD)的25%所需的时间。
由两个无因次时间比得到校正因子(图4-4),用校正因子乘以解吸气量即得到总含气量,总含气量减解吸气量,得逸散气量。
逸散气量与总含气量的比值小于50%时,史威法是准确的,即校正因子最大值是2。
另外,虽然史威法是根据钻井岩屑解吸建立的,也适用于取心样品含气量的确定。
图4-4史密斯和威廉斯计算逸散气量
(Smith&Williams,1981)
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