4 储层压力与吸附性

第四章煤储层压力及吸附/解吸特征第一节煤储层压力第二节煤储层的吸附特征第三节等温吸附曲线的应用第四节影响煤的吸附性因素第五节煤储层的解吸特征第一节煤储层压力一、定义指作用于煤孔隙—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。1、开放体系储层压力等于静水压力2、封闭体系储层压力等于上覆岩层压力3、半封闭体系上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担二、储层压力状态压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，%①超压：压力系数1，压力梯度0.98MPa/100m；②正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98MPa/100m；③欠压：压力系数1，压力梯度0.98MPa/100m。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33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3%，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层大多处于欠压状态。超压——煤层气井喷三、储层压力的地质控制1、埋深y=0.0114x-1.4369r=0.82142345678910111250060070080090010001100煤层埋深／m储层压力/MPa线性(实测压力)线性(正常压力)2、地应力P=Gp·HP—储层压力，MPa；Gp—压力梯度（单位垂深内的储层压力增量），MPa/100m；H—煤层中心埋藏深度，m=h·Gw—视储层压力，MPaGw—静水压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）；0.98MPa/100m（咸水）h—煤层中点处水头深度，mpp3、水文地质开放体系4、煤层气（瓦斯）压力煤层气（瓦斯）压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。煤储层试井测的储层压力是水压，二者的测试条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压与气压的总和，在封闭体系中，储层压力中水压等于气压；在开放体系中，储层压力等于水压与气压之和。吸附方式：物理吸附，范德华力吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论一、朗格缪尔理论第二节煤储层的吸附特征LLmpppVbpabpbpbpVV11VL或Vm或a—最大吸附量；VL、PL——朗格缪尔体积和压力，PL等于1／b二、平衡水等温吸附实验IS-100型气体等温吸附/解吸仪(中国矿大)数据采集系统恒温水浴煤样过滤器温度探头压力传感器到色谱仪氦或甲烷气源加湿器水浴温度显示器CDAFvBScT四、多相介质煤岩体的吸附特征（一）气相多组分吸附特征0612182430p/MPa241680Q/cm3·g-1N2CH4+N2CH4CH4+CO2+N2CH4+CO2CO2（二）吸附特征1、水对煤吸附CH4的影响0246810121401234567p/MPaVL,daf/m3t-1Mad=0.00%Mad=0.56%Mad=1.26%Mad=2.08%Mad=2.66%Mad=5.10%42号煤样012345678024681012p/MPaVL,daf/m3·t-130℃40℃50℃47号煤样024681012024681012p/MPaVL,daf/m3·t-130℃40℃50℃2、温度对煤吸附CH4的影响3、平衡水条件下煤对CH4的吸附特征y1=7.9593x+3.9913r=0.89y2=-6.5863x+61.122r=0.9705101520253035400123456789Ro，max／％VL,daf／m3.t-14.高压等温吸附实验___仪器结构及工作原理仪器的基本结构：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（图1）,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，温度和压力皆由高精度、高灵敏度测量元件进行监控。仪器的工作原理：容量法是最成熟和应用最广泛的方法之一，也是国内外煤层气吸附领域普遍采用的方法。其原理是通过P、T、V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。Adsorptiontestingsystem等温吸附测试系统RavenRidge公司美国（1994）用途：煤的单组分、多组分等温吸附实验4.高压等温吸附实验___测试仪器Adsorptiontestingsystem等温吸附测试系统TerraTek公司美国（2004）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（60～80目）（1）测试样品要求:代表性煤样，一般为煤层煤样1-2kg，实验室缩制。粒度：60-80目(0.2-0.25mm)质量：100－150克同时进行工业分析测试。（2）平衡水分测试将样品称重浸泡于玻璃烧杯，放进装有过饱和K2SO4溶液的真空干燥器中，在30℃、相对湿度96-97%下，水分平衡3－7天。煤样预处理好后，等待测试使用。测试分析流程试验条件：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8MPa或12MPa。试验步骤：（1）体积试验：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，向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。（2）压力实验:检查系统的气密性。方法: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。（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，压力为计算出的目标压力。温度稳定后，启动等温吸附实验程序。在60秒时打开样品缸阀门，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1分钟采集一次数据，直到达到吸附平衡。重复充气、压力检测，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计算公式：VS=P2×V2/Z2×T2+P3×V3/Z3×T3-P1×V1/Z1×T1P2/Z2×T2-P1/Z1×T1式中：P1–––––平衡后压力；T1–––––平衡后温度；V1–––––系统总体积；V2–––––参考缸体积；V3–––––样品缸体积；VS–––––煤样的体积；Z1––––––平衡条件下气体的压缩因子；P3、P2–––––样品缸、参考缸初始压力；T3、T2–––––样品缸、参考缸初始温度；Z3、Z2–––––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、连接管和阀门内部空间的体积之总和。自由空间体积计算公式为：V=V1-VS式中：V–––自由空间体积,，cm3；V1–––系统总体积，cm3；VS–––煤样的体积,，cm3。吸附量:根据参考缸、样品缸的平衡压力及温度，计算不同平衡压力点的吸附量。利用公式：PV=nZRT式中：P——压力，MPa；V——体积,cm3；n——摩尔数；Z——气体的压缩因子；R——气体常数；T——温度，K。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（n2），则煤样吸附气体的摩尔数增量（∆n）：∆n=n1－n2……………（4）式中：∆n–––––平衡前后自由气体摩尔数的增量；n1–––––平衡前系统内气体的摩尔数；n2–––––平衡后系统内气体的摩尔数。吸附气体的总体积增量（∆V总）：∆V总=∆n×22.4×1000……（5）单位吸附增量（∆V）：∆V=V总/M……………（6）式中：M–––––煤样质量；V总––––吸附气体的总体积；∆V–––––单位吸附增量。Langmuir体积（VL）和Langmuir压力（PL）的计算：求出压力及该压力对应的吸附量间的比值（P/∆V），绘出P、P/∆V之间的散点图，对这些点进行线性回归，利用最小二乘法求出直线方程及相关系数（R）。假设直线斜率为A，截距为B，则：Langmuir体积（VL）为：VL=1/A……………………（7）Langmuir压力（PL）为：PL=B/A=VLB…………………（8）测试参数：（1）平衡水分；（2）各平衡点压力下吸附量；（3）Langumuir体积、Langumuir压力、R值；（4）吸附等温线；（5）P/V─P图。等温吸附试验报告：最终测试结果、原始测试数据。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时，以供甲方使用数据时考虑。等温吸附实验数据表压力干燥无灰基PMPa实测计算实测计算0000011.28085.31655.05690.24096.24375.93890.205122.67098.46068.54460.31579.936110.03480.268834.033510.576910.88020.381312.421512.77770.324745.430112.348012.61910.439814.501514.81990.374456.750013.910013.87130.485316.335916.29040.413268.189015.205714.94310.538617.857517.54920.4586Langmuri方程:V=VL*P/(PL+P)实验参数兰氏体积VL/cm3g-1兰氏压力PL/MPaR空气干燥基23.444.660.9962干燥无灰基27.534.660.9962吸附量V/cm3g-1P/VP/V记录号空气干燥基吸附量V/cm3g-1吸附等温曲线0510152025300123456789压力P/MPa吸附量V/cm3g-1空气干燥基干燥无灰基线性回归y=0.0363x+0.1691R2=0.9925y=0.0427x+0.1986R2=0.99250.00.10.20.30.40.50.60123456789压力(MPa)P/V空气干燥基干燥无灰基试验方法精度及质量要求（1）重现性要求平衡湿度重现性相对误差不大于10%；VL重现性相对误差不大于15%；PL重现性相对误差不大于15%。（2）再现性要求平衡湿度再现性相对误差不大于20%；VL再现性相对误差不大于20%；PL再现性相对误差不大于20%。（3）样品实验质量要求相关系数用来判定实验的质量，P/∆V与P的相关系数R≥0.98时认为实验结果更接近Langmuir方程，可以提交实验报告。结束语2006年，国务院办公厅发布了“关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见”（国办发2006年47号文），其后国土资源部颁发了“关于加强煤炭和煤层气资源综合勘查开采管理的通知”（国土资发2007年96号文），今后国家煤层气勘探开发会向纵深发展，我们将在国土资源部的直接领导下，一如既往，不断完善已有方法，进行技术创新，提高人员素质，为我国能源事业和煤层气勘探开发再立新功。第三节等温吸附曲线的应用一、理论饱和度或实测饱和度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比值。理论饱和度:实际含气量与兰氏体积之比值S理=V实/VLS理—理论饱和度，%；V实—实测含气量，m3/t；padpad吸附等温线:V=ＶＬＰ/（P+ＰＬ）Ｖ/Ｐ＝Ｖ/ＰＬ＋ＶＬ/ＰＬ实测饱和度: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。S实=V实/VV=VLP/(P+PL)V实—实测甲烷含量；S实—含气饱和度。V—理论含气量，m3/tVL—Langmuir体积，m3/t；PL—Langmuir压力，MPa；；P—煤储层压力，MPa；吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和二、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量所对应的压力。临