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采气工程第一章煤层气赋存、产出机理采气工程煤层气赋存、产出机理煤储层的几何模型煤层气储集机理煤层气吸附性能的主要影响因素煤层气产出的先决条件煤层气产出机理小结内容提要采气工程一、煤储层的几何模型煤层气几何模型双重孔隙结构模型三元结构模型基质孔隙裂隙孔隙两级扩散宏观裂隙孔隙煤储层的非均质性，很难用统一的模型来表述。双直径球型模型适用中煤阶分I、Ⅱ类和Ⅲ、Ⅳ类显微裂隙采气工程一、煤储层的几何模型Root双重孔隙几何模型由该模型可知煤层气由基质孔隙解吸扩散到割理系统，然后沿割理以达西流运移到井筒。采气工程根据Root模型煤中孔隙分类一、煤储层的几何模型XoЛoT依据工业吸附剂提出：微孔构成煤的吸附容积，小孔构成煤层气的毛细凝结和扩散区域，中孔构成煤层气缓慢层流紊流区域，大孔则构成剧烈层流渗透区域。煤孔隙分类一览表单位：nm研究者级别微孔小孔中孔大孔XoЛoT（1961）1010-100100-10001000Gan等（1972)1.21.2-3030国际理论与应用化学联合会（1972)0.80.8-22-5050采气工程一、煤储层的几何模型根据Root模型煤中孔隙分类煤中基质孔隙的类型及特征类型孔径孔隙结构特征油气运移和储集气体扩散孔隙类型Ⅰ1000多以管状、板状孔隙为主易于液态烃、气态烃储集和运移，排驱效果好气体容积型扩散孔隙Ⅱ1000-100以板状、管状孔隙为主，间有不平行板状易于液态烃、气态烃储集和运移Ⅲ100-10以不平行板状孔隙为主，有一部分墨水瓶状孔隙易于气体储集，但不利于重烃气体的运移气体分子型扩散孔隙Ⅳ10具有较多的墨水瓶孔隙和不平行板状毛细管孔隙气体能储集，但不利于运移采气工程一、煤储层的几何模型裂隙外生裂隙割理（内生裂隙）剪切外生裂隙张性外生裂隙劈理面割理（主内生裂隙）端割理（次内生裂隙）继承性裂隙采气工程一、煤储层的几何模型直线型延伸的一组割理S型割理被方解石完全充填主外生裂隙，次外生裂隙面割理和限于面割理之间的端割理采气工程raRaraRiri一、煤储层的几何模型双直径球形几何模型由该模型可知煤储层渗透性的主要贡献者为外生裂隙，在无烟煤中更是如此，割理的主要贡献是沟通了基质块与外生裂隙的联系。采气工程一、煤储层的几何模型碎粒煤，焦作朱村煤矿山西组糜棱煤，巩义大峪沟煤矿山西组糜棱煤，湖南红卫煤矿下石炭统受构造破坏严重的碎粒煤和糜棱煤采气工程一、煤储层的几何模型双直径球形几何模型raRaraRiri由该模型可知：煤层气由基质微孔隙表面解吸扩散至基质大孔隙中，继而由基质大孔隙扩散至井孔产出。即在这类储层内不存在达西流。采气工程一、煤储层的几何模型根据双直径孔隙结构模型煤中孔隙分类及成因由裂缝切割出的基质块内未被固态物质充填的空间称为基质孔隙，基质孔隙主要影响煤层气的赋存。基质孔隙按成因可将孔隙分为气孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔、原生粒间孔等。按孔径大小可分为微孔、小孔、中孔和大孔。气孔是指煤化作用过程中气体逸出留下的痕迹。残留植物组织孔是植物本身组织结构的继承。次生孔隙是煤中矿物质，如黄铁矿、碳酸盐等在地下水循环过程中被溶蚀形成的。晶间孔是原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。原生粒间孔是各种成煤物质颗粒间的孔隙，是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。采气工程一、煤储层的几何模型煤中孔隙分类及成因孔隙按孔径大小分类及流态特征孔隙分级孔隙分类孔径/nm煤层气储运特征吸附微孔25吸附与扩散过渡孔25~75吸附与扩散渗透中孔75~1000层流渗透过渡孔1000~2500剧烈层流大孔2500紊流采气工程一、煤储层的几何模型三元结构模型宏观裂隙大、中、小、微一级、二级、三级割理显微裂隙阶梯状、雁列式、帚状、X式孔隙大孔、中孔、过渡孔、微孔渗流孔、吸附孔采气工程一、煤储层的几何模型基于三元结构的煤中孔隙分类基于煤层气运移特征的煤孔隙分类单位：nm孔隙分级孔隙分类孔半径煤层气流动特征扩散微孔8表面扩散过渡孔8-20混合扩散小孔20-65Kundsen扩散渗透中孔65-325稳定层流过渡孔325-1000剧烈层流大孔1000紊流认为：65nm为吸附和扩散场所，65nm为渗流通道。采气工程甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但溶解度很小。而煤层气储层多是饱含水的，因此在一定的地层条件下，必定有一部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：甲烷在水中的溶解度主要取决于水的温度、矿化度、环境压力和气体成分。bcbCKpbcbcbpKpKC'1二、煤层气的储集机理1.溶解态:或采气工程二、煤层气的储集机理游离气指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由移动的天然气，这部分气体服从一般气体方程，对于象煤层气这样的真实气体，可用范德华方程描述：游离气量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数。2.游离态:pVZnRT游离ZnRTVp游离或采气工程煤层作为固体，具有固体的两个共同特点：第一，分子几乎是不动的；第二，表面中的原子或分子都处于力场的不饱和状态，且具有较大的表面自由能，属于热力学的不稳定态。煤具有非常大的内表面积，当气体分子运动碰到煤体表面时，由于气体分子受到煤体表面不饱和力场的作用，会停留在表面上，使其表面上气体分子的浓度提高，这就是煤对气体的吸附。而解吸是指煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成游离气体，其结果是造成吸附量减少。气体在煤中的吸附量随着压力和温度的变化而变化。二、煤层气的储集机理3.吸附态:采气工程1916年，Langmuir在研究低压下气体于金属表面上的吸附时，将所得数据处理后发现一些规律性的东西，并从动力学的观点出发，提出了固体对气体的吸附理论，这个理论常称为单分子层吸附理论。煤层的脱吸附性能通过等温吸附规律来表征。一般认为，恒温条件下被吸附物质数量与压力的变化规律符合朗格缪尔模型，吸附量和压力的关系称为朗格缪尔方程：PPPVVLL上式可用朗格缪尔等温吸附曲线表示。兰氏体积(VL)和兰氏压力(PL)被称为等温吸附参数，是决定朗格缪尔等温吸附曲线特征的关键。兰氏体积代表煤层的吸附能力。兰氏压力决定了等温吸附曲线低压段的斜率，代表煤层吸附气体的难易程度。兰氏压力越小吸附越容易，进入低压阶段的解吸效率也就越高。二、煤层气的储集机理采气工程二、煤层气的储集机理a单个煤体“球形”吸附层结构示意图b煤孔隙三元结构吸附煤层气示意图图煤孔隙系统吸附煤层气情况示意图煤核心煤表面内生裂隙外生裂隙宏观裂隙稳定吸附层平衡吸附层自由气体层CH4煤基质面裂隙端裂隙H24O显微裂隙孔隙H2OCH4煤基质吸附气吸附特征不饱和力场德拜诱导力和伦敦色散力吸附势阱捕获分子采气工程Langmuir单分子层吸附理论的基本要点是：固体表面的吸附能力是因为其表面上的原子力场的不饱和性。当气体分子碰撞到固体表面时，其中一部分就被吸附并放出热量，但是，对气体分子的吸附只在固体表面空白位置上发生，当吸附的气体分子在固体表面上覆盖满一层后力场即达饱和，因此吸附为单分子层吸附。固体的表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的吸附热是个常数，不随覆盖度变化。已被吸附的分子从固体表面返回气相的几率，不受周围环境和位置的影响，这表明吸附质分子间无作用力。吸附平衡是动态平衡。即当吸附达到平衡时，吸附仍在进行，相应的解吸也在进行，只是吸附速度等于解吸速度二、煤层气的储集机理采气工程煤层气与常规油气开发方法差异游离气吸附气水溶气煤层气：项目常规油气煤层气储层孔隙裂隙基质表面及割理成藏游离型自生自储吸附型勘探圈闭、岩性承压水、高饱和试气单井短期大井组长期产出初期产量高中期产量高开采注水保压排水降压二、煤层气的储集机理采气工程赋存状态的转化吸附气溶解气游离气温度不变情况下转化关系压力升高压力升高压力降低条件甲烷气体浓度≤溶解度甲烷气体浓度﹥溶解度原始赋存状态吸附气+溶解气吸附气+溶解气+游离气图煤层气在煤储层中赋存状态及转化关系二、煤层气的储集机理采气工程吸附性能影响因素内部因素外部环境物质组成孔隙特征灰分水分温度压力三、煤层气吸附性能的主要影响因素采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素1.压力图瓦斯压力吸附瓦斯量关系曲线吸附是气体与固体表面之间未达热力学平衡时发生的，达到平衡是“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累实现的。实验表明，在给定的温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大，并且将超于某个定值。采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素2.温度图温度对瓦斯吸附量的影响曲线温度总是对脱附起活化作用，温度越高，游离气越多，吸附气越少。实验研究结果表明，温度每升高1℃，煤吸附瓦斯的能力降低约为8%，其原因是温度升高时，瓦斯活性增大，难于被煤体吸附，同时己被吸附的瓦斯分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来。采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素3.水分含量图水分对瓦斯吸附量的影响曲线水分和气体分子与煤之间具有相似的特性，水与煤之间都不存在共价键，都是以较弱的范德华力吸附在煤中。只有在未达到临界水分含量时，它的增加使甲烷的吸附量降低，超过临界水分含量的部分只覆盖煤颗粒表面，不影响吸附过程，甲烷的吸附量不再减少。采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素气体吸附能力随煤阶的变化有两种趋势:一种趋势是甲烷的吸附量呈“U”字型发展，在高挥发分烟煤或含碳量85%附近〔气煤)出现最低值;另一种趋势是甲烷的吸附量随煤阶的升高而增加。4.煤阶采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素5.煤的显微组分在瘦煤之前，煤的吸附能力是:惰质组(指有胞腔结构无充填物的丝质体)镜质组惰质组(粗粒体和有胞腔结构但被充填的丝质体)，原因是在煤变质较低的煤中惰质组中有大量的纹孔，而镜质组孔隙和内表面积纹孔少，造成惰质组比镜质组吸附能力强。在无烟煤3号变质阶段，煤的吸附能力是:镜质组惰质组，原因是在高变质阶段，镜质组中有更多的挥发物质产出，引起微孔增多之故。采气工程三、煤层气吸附性能的主要影响因素6.煤孔隙特征煤岩比表面积的大小取决于微孔体积的大小，与中孔体积大小关系不明显；孔隙平均直径越大，总比表面积越小；煤对甲烷吸附能力与总孔体积、总孔比表面积、微孔比表面积呈正相关关系。煤的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。采气工程四、煤层气产出的先决条件煤层气的产出条件可从物质基础、流动通道及能量系统等三个方面进行阐述。产出的先决条件一定的资源量是进行煤层气开采的基础渗透能力的大小是连接气体赋存空间与外部环境的重要纽带解吸能力的强弱将直接影响煤层气的开采难易程度及采收率资源量运移通道渗透能力解吸能力采收率开采效果经济效益采气工程四、煤层气产出的先决条件图煤层气产出先决条件及控制因素框图煤层气产出先决条件及控制因素人为难改变因素人为较易改变因素原始含气量煤层总厚度资源丰度资源量储层本身条件临界解吸压力解吸时间连通程度含气饱和度原始储层压力物质基础裂隙间距渗透率解吸扩散渗流排采制度排采强度排采时间运移产出产出的主控因素采气工程五、煤层气产出机理图中:A(PL,VL)-最大吸附点;B(P1,V1)-理论吸附点;C(P1,V2)-实际吸附点;D(Pi,Vi)-采收过程吸附点;E(Pn,Vn)-枯竭吸附点;C’(P2,V2)-临界解吸吸附点.压力/P吸附体积/V0ABCDEPLVLP1V1V2PiViPnVnLangmuir吸附等温线C’P2曲线方程：V=VL*P/(PL+P)采气工程五、煤层气产出机理VL:煤岩的最大吸附能力(这时P→∞),简称兰氏体积.PL:吸附量V达到VL/2时所对应的压力值,简称兰氏压力.影响吸附等温线的形态参数,反映煤层气解吸的难易,值越低,脱附越容易,开发越有利.•V1:当前地层压力下的煤岩理论含气量.P1:储层压力,即当前煤储层压力.•V2:当前地层压力下的实际含气量.P2:临界解吸压力,甲烷开始解吸的压力点.•Vi:排采过程中含气量.Pi:排采过程中的储层压力.•Vn:煤层残留含气量.Pn:煤层气井的枯竭压力.Langmuir吸附等温线物理意义: