第四章煤储层压力及吸附.docx

1、第四章 煤储层压力及吸附第四章 煤储层压力及吸附/解吸特征煤层气以游离、吸附、固溶和溶解多种状态赋存于煤储层中。其中吸附状态是煤层气最主要的赋存形式，储层压力是控制煤层吸附气量的最关键因素。第一节 煤储层压力一、定义煤储层通常受到三个方向的应力作用：垂直主应力，近似于上覆岩层的重量；两个相互正交的水平主应力，其大小明显不同，两者比值一般介于0.20.8之间，且很少与垂向主应力相等。构造应力与所处构造部位密切相关，水平应力在逆断层或褶皱发育地段要远大于垂向主应力，在正断层发育地段则小于垂向应力（国家地震局地壳应力研究所，1990）。煤储层压力，是指作用于煤孔隙裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压

2、），故又称为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力。煤储层压力一般通过试井分析测得，即利用外推方法求取原始地层条件下相对平衡状态的初始压力。煤储层压力与煤层含气性密切相关，它与吸附性（特别是临界解吸压力）之间的相对关系直接影响采气过程中排水降压的难易程度。因此，煤储层压力的研究，不仅对煤层含气性和开采地质条件的评价十分重要，同时也可为完井工艺提供重要参数。煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括上覆岩层静压力、静水柱压力和构造应力。当煤储层渗透性较好并与地下水连通时，孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压力，即是说储层压力等于静水压力。若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体

3、被封闭而不能自由流动，储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，这时储层压力便等于上覆岩层压力。在煤储层渗透性很差且与地下水连通性不好的条件下，由于岩性不均而形成局部半封闭状态，则上覆岩层压力即由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担，即：Vp （4-1）式中，V上覆岩层压力，MPa；p煤储层压力，MPa；煤储层骨架应力，MPa。此时，煤储层压力将小于上覆岩层压力而大于静水压力。二、压力状态在实践中，为了对比不同地区或不同储层的压力特征，通常根据储层压力与静水柱压力之间的相对关系确定储层的压力状态，采用的参数为储层压力梯度或压力系数。储层压力梯度：系指单位垂深内的储层压力增量，常用井底压力除以从地表到

4、测试井段中点深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示，在煤储层研究中应用广泛。储层压力梯度若等于静水压力梯度（9.78kPa/m，淡水），储层压力状态为正常；若大于静水压力梯度，则称为高压或超压异常状态；若小于静水压力梯度，则称为低压异常状态。压力系数，被定义为实测地层压力与同深度静水压力之比值，石油天然气地质界常用该参数表示储层压力的性质和大小。当压力系数等于1时，储层压力与静水柱压力相等，储层压力正常；在压力系数大于1的情况下，储层压力高于静水压力，称为高异常压力，如果储层压力远远大于静水压力则称超压异常；若压力系数小于1，储层压力低于静水压力时，称低异常压力。因此，在煤储层压力研究

5、中，需要综合考虑上覆岩层的性质和厚度、储层与上覆岩层的水力联系、构造特征和构造应力场分布等因素，从而对储层压力状态及其作用因素进行评价。三、地质控制煤储层压力受地质构造演化、生气阶段、水文地质条件（水位、矿化度、温度）、埋深、含气量、大地构造位置、地应力等诸多因素的影响。煤层埋深和地应力的是储层压力的主要控制因素。我国煤储层试井成果表明，我国煤储层压力梯度最低为2.24 kPa/m，最高达17.28 kPa/m。处于欠压状态的煤储层占总测试层次数的45.3；处于正常压力状态的煤储层占总层次数的21.9；处于高压异常状态占总层次数的32.8（叶建平等，1998）。上述情况表明：我国以欠压煤储层为

6、主、分布普遍，但也不乏高压煤储层。红阳CW1井的7煤、铁法DT1井的13煤、太原西山XG1井的2煤、韩城HS1井的5煤和11煤等为高压煤储层；沈北、平顶山、淮南、离柳三交、大城、峰峰等地区所测试的煤层几乎均为正常压力状态煤储层或略高于静水压力的高压煤储层；而阜新、开滦、安阳鹤壁、焦作、淮北、阳泉寿阳、丰城等地区所测试的煤层全部或大部分为欠压煤储层。应当指出，个别超压煤储层的存在可能与试井作业代表性有关，应当结合水文地质条件作具体的分析。1、埋深煤储层压力总体上与埋深呈线性正相关关系，煤层埋深增加，储层压力随之增高（图4-1），但数据较为离散（表4-1）。我国煤层气试井成果表明，在埋深小于500

7、m时，煤储层平均压力均小于5MPa，如晋城、韩城、沁源、柳林等地；埋深小于1000 m时，除韩城、太原西山、开滦等矿区的个别层次接近11 MPa以外，绝大部分煤储层的平均压力均小于10MPa；当埋深大于1000 m 时，除开滦矿区较低外，其他矿区煤储层平均压力均大于10 MPa，如大城、平顶山、淮南、吴堡等地。 图 4-1淮南煤田煤储层压力与埋藏深度之间的关系表4-1 淮南煤田主煤层储层压力试井数据统计表试井参数新集矿区谢李矿区潘集矿区13-18613-16, 7, 811-213-1储层压力/MPa4.967.347.364.6211.4510.346.78埋深/m501.01772.637

8、07.69810.531060.19957.41698.97压力梯度/MPa/hm0.990.951.040.571.081.080.97压力系数1.011.131.070.581.101.100.962、地应力构造应力增加，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压以及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集。不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔裂隙被压缩，体积变小，储层压力变大；当地应力变小，孔裂隙体积变大，储层压力则变小。因此，地应力与储层压力存在相关性。

9、煤层气井的注入/压降试井的微型压裂法可测到煤储层的闭合压力，最小主应力实际上是指煤体被压开的裂缝开启后闭合时的闭合压力。现有试井资料而言，我国煤储层闭合压力变化于6.022.7MPa之间，主要集中在816MPa。高应力值分布于井深大于1200 m的大城和吴堡地区；埋深小于1000 m的高应力地区则分布于韩城北部、红阳、淮北、西山等矿区。美国黑勇士盆地地应力值为16 MPa，澳大利亚东部悉尼盆地、鲍恩盆地为110 MPa，少数达14 MPa（Enever和Hennig，1997），而中国地应力低限 图4-2 煤储层压力与闭合压力的关系值大体相当于美国黑勇士盆地地应力的高限值。 （据唐书衡，200

10、1）与美国和澳大利亚相比，中国煤储层所承受的原地应力要大。据煤层气井储层压力与闭合压力测试结果，煤储层压力与闭合压力之间呈指数正相关关系（图4-2），当最小主应力达到10MPa时，煤储层压力一般在5MPa左右；最小主应力增至20MPa时，煤储层平均压力增大至8MPa。这种特征显然在储层压力梯度与地应力梯度关系中也应具有相同的显现形式。在平均地应力梯度高于1.5MPa/100m的地区，煤储层平均压力梯度大于1.03MPa/100m，均为高压或超压储层；在平均地应力梯度低于1.5MPa/100m 的地区，除韩城之外，煤储层平均压力梯度均小于1.03MPa/100m，为正常或欠压储层。储层压力与最小

11、主应力之间的这种规律，对于煤层气开采是一对矛盾，储层压力大，容易排水降压，形成压力差，气体易解吸；最小主应力对煤层气开采有负面影响，应力对孔裂隙起着闭合作用，应力越大，孔裂隙的开启程度越小，对流体的渗流通道有影响，降低了煤储层的渗透率，也就影响到产气量。因此，煤层气开采应选择应力小的区域和储层压力高的区域。值得进一步指出的是我国晚古生代、中生代煤储层为无水煤层或弱含水煤层，只有新生代个别煤层为含水层，按美国的试井方法以水流体为载体得出的煤储层压力，很难反映我国煤储层压力的全貌，因为煤储层压力中包括水压和气压，对应于煤储层三元结构系统，实际上存在三级压力场。3、水文地质在开放的条件下，储层压力的

12、大小通常根据压力水头（液柱高度）与静水压力梯度之积（又称之为视储层压力）来度量，地下水水头高度是表征储层压力的直接数据。一般水头越高，储层压力就越大。在煤系中，由于各个煤层与主要含水层间无明显的水力联系，往往构成不同的水动力系统，储层压力主要是由储层本身的直接充水含水层的水头高度来度量。如华北地区太原组煤层的直接充水含水层是其顶板的石灰岩含水层，山西组煤层的直接充水含水层是其下部的砂岩含水层。这两个含水层之间没有或水力联系微弱，具有相互独立的补排系统。因此，同一个测试井的上下两个煤层，可能具有完全不同的原始储层压力状态，与储层的直接充水含水层的富水性、补给条件、水头高度等有关。压力水头的埋藏深

13、浅（水位）造成不同的水动力条件，也是影响储层压力及梯度变化的重要因素。一般压力水头埋藏越深，压力梯度就越小；埋藏越浅则压力梯度越高。储层压力状态是按大于、等于或小于淡水静水压力梯度（9.78kPa/m）的标准来判定的。因此，地下水矿化度是影响储层压力状态的重要因素。地下水矿化度越高其比重越大，在相同的压力水头高度下，高矿化水比低矿化水的水头压力要大。因此，在封闭、滞流、地下水补排条件较差的高矿化度水分布区段，往往出现储层压力的高压异常状态。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

14、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。煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大，介于1.213.4kPa/m之间，抚顺矿区的气压最低，天府矿区的气压最高。气压高低与煤层含气饱和度、煤层风化带的深度有关。第二节 煤储层的吸附特征吸附（或称表面吸附）系固体或液体表面粘着的一层极薄的分子层（如气体、固体或液体分子），且它们与固体或液体表面处于接触状态。吸附是气体与固体表面之间未达到热力学平衡时发生的，达到平衡是作为“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累实现的。吸附的结果，在固体表面上形成了由吸附质构成的“吸附层

15、”。Moffat等（1955），Yang等（1985）测得煤对甲烷的吸附热比汽化热低23倍，煤层甲烷以物理吸附方式储存在煤中，氮气、二氧化碳等的吸附也与甲烷一样，表明煤对气体的吸附性是无选择性的（Moffat，1955；Yang，1985）。大量实验证明，煤对气体的吸附是可逆的。由于范德华力的作用，在临界温度以下所有气体都有吸附势，并会形成多层吸附，甚至产生凝结现象。甲烷气体与煤表面相互作用的现场低温红外光谱实验表明：甲烷与煤核表面的相互作用是各向异性的，当甲烷在煤核表面呈正三角锥重叠时能量最低，相互作用势最大；在-10030范围内未发现化学吸附态的存在（陈昌国，1995）。物理吸附释放的热量

16、很低，一般只有2.0920.92J/mol，化学吸附释放的热量较高，可达20.9241.84J/mol。量子化学计算得出，当甲烷吸附于煤d002面时，最大吸附势仅为2.65kJ/mol，显然属于物理吸附过程，即表面凝聚（李葵英，1998）。源于范德华力的物理吸附释放的热量与气体凝聚成液态所需热量接近，从本质上讲，物理吸附和凝聚作用相似。因此，吸附状态的甲烷与液体状态的甲烷具有相似的物理性质和相似的密度。 一、吸附等温线类型在恒定的温度和压力变化条件下的吸附过程称为等温吸附，描述等温吸附时压力与吸附量之间关系的曲线称为等温吸附曲线。按Bruhauer等人的分类，煤对甲烷的吸附属于第类吸附等温线（

17、图4-3），其特征是不存在吸附分子与脱附分子的分离现象，即不存在所谓的吸附回线；不仅单分子层吸附表现出第类吸附等温线，当吸附剂仅有2.03.0nm或以下的微孔时，虽发生多层吸附与毛细凝聚，其吸附等温线仍表现为第种类型。煤层气的吸附理论有朗格缪尔单分子层吸附理论、BET多分子层吸附理论和容积充填理论，目前使用最广的是朗格缪尔理论。图4-3 气体在固体表面上吸附等温线的不同类型二、吸附理论（一）朗格缪尔理论 朗格缪尔模型（Langmuir，1916）是根据汽化和凝聚的动力学平衡原理建立的，其方程简单实用，已广泛用于煤和其它吸附剂对气体的吸附，大多数研究煤的等温吸附仪也是遵循这一理论设计的。 朗格缪

18、尔模型是基于单分子层吸附理论得出的，其基本假设为： 固体表面具有吸附能力是因为其表面上的原子力场没有得到饱和，有剩余力存在，当气体分子碰撞到固体表面上时，其中一部分就被吸附并放出热量。但是气体分子只有碰撞到尚未被吸附的空白表面上才能够发生吸附作用。当固体表面排满一层分子之后，这种力场得到了饱和，因此吸附是单分子层的； 固体表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的，吸附热不随覆盖度变化，是一个常数； 已被吸附的分子，当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场位垒时，又会重新回到气相，再回到气相的机会不会受邻近其它吸附分子的影响，即被吸附分子之间无作用力； 吸附平衡是动态平衡。所谓动态平衡是指吸附达到平衡时

19、，吸附仍在进行，相应的解吸（脱附）也在进行，只是吸附速度等于解吸速度而已。上述过程可表示为： 吸附气体分子（空间） 气体分子（被吸附在固体表面上） 解吸若用代表表面被覆盖的百分数，称为覆盖度，即： （4-2）式中，为已被吸附质覆盖的固体表面积；为固体的总表面积。则（1-）表示空白百分数。当吸附达平衡时，根据基本假设可知，吸附速度等于脱附速度。若以N代表单位时间内单位表面上的碰撞分子数，根据气体分子运动论，有： （4-3）式中，p为气体压力；m为气体分子的质量；k为Boltzman 常数；T为绝对温度。 设为碰撞分子中被吸附的分数，根据Langmuir模型中的基本假设，吸附速度应为： （4-4）

20、由基本假设可知，单位时间，单位面积上解吸的分子数只与被覆盖的分子数成正比，所以解吸速度为： （4-5）式中，为解吸比例常数，由上式可以看出，它为1时的解吸速度。吸附平衡时，即可导出： （4-6）式（4-6）即为Langmuir吸附等温式，其中， （4-7）Langmuir吸附等温式还可写为： 或 （4-8）式中，VL或或a代表吸附剂的表面覆盖满单分子层时的吸附量，也称最大吸附量，通常称为朗格缪尔体积，即平衡水条件下测得的最大吸附量，通常指干燥条件下测得的最大吸附量；是吸附剂在气体压力为p时吸附气体的吸附量；PL为朗格缪尔压力，PL等于1b。在计算时均以在标准状态下的体积表示。 式（4-6）中b

21、称为吸附系数。若一个分子被吸附时放热q，则被吸附分子中具有q以上能量的分子就能离开表面返回气相。根据Boltzmann定理，返回气相的分子数与exp-q/kT成正比，所以： （4-9）式中，为初始解吸比例常数，其它符号同前。式（4-9）代入式（4-7）得： （4-10）式（4-10）可以看出，b主要是温度和吸附热的函数。对于放热过程，q增加，b也随之增大，温度升高，b减小。所以一般提高温度，吸附量降低。为了进行数据拟合，式（4-8）可化为直线型，即： （4-11）第一步，据实测每个压力点（P）的吸附体积（V），计算V/P；第二步作V/P与V的散点图，拟合出直线的截距和斜率；第三步由和计算出和P

22、L，将和PL 代入（4-8），即可得到朗格缪尔方程。（二）多分子层吸附理论BET方程多分子层吸附理论是由布鲁劳尔（Brunauer）、埃麦特(Emmet)、特勒（Teller）三人于1938年在单分子层吸附理论基础上提出的。它除Langmuir上述单分层模型中的前三项假设（即吸附是动态平衡，固体表面是均匀的，被吸附分子间相互作用力）外，还补充了以下假设： 被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力，因而发生多层吸附； 第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同； 吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。虽然吸附是多分子层的，但不是第一层吸附满时才进行

23、第二层吸附，而是每一层都有可能有“空着”的吸附位，吸附层是不连续的。这种吸附由BET方程描述。BET方程的二常数表达式为 （4-12）式中，Vm-单分子层达到饱和时的吸附量；po实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力；C与吸附热和吸附质液化热有关的系数。多分子层吸附理论可以描述前述所有5种类型的吸附等温线，它的一个重要用途是测定固体的比表面积。（三）吸附势理论吸附势理论认为吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势，就如同地球存在引力场，使空气在地球表面附近包覆成大气层一样。距离固体表面越近吸附势能越高，因此吸附质的浓度也越高，反之则越低。Polanyi曾对吸附势进行了定量描述，因此这

24、种理论有时也被称为Polanyi吸附势理论。吸附势理论对微孔吸附剂的等温吸附进行定量描述的方程是DubininRadushkevich （Rd）方程，即：V= （4-13）式中，Vo微孔体积；吸附质的亲和系数；K吸附质的饱和蒸汽压力；po实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力。吸附势模型可描述前述类吸附等温线，适合于孔径较小的物质（一般孔径0.6nm 0.7nm），并且不易发生多层吸附或毛细凝结现象。（四）统计势动力学理论多相吸附模型单分子层吸附和多分子层吸附理论是基于两相平衡的概念，即吸附气相与游离气相之间是平衡的。而Collins则认为，煤内部孔隙中的气体分子不是游离的，而是处于煤分子的电磁场中。

25、正是这种分子力改变了微孔中流体的性质。于是他提出四相平衡的新吸附理论，即吸附剂外表的游离气相、单分子层吸附相、孔隙气相、类液相四相平衡。该理论认为，气体分子与固体分子间的作用力为伦敦分散力，气体分子之间为范德华力。假设多孔介质为具有一定孔隙体积的固体，这个孔隙体积由所有具有同样半径的圆筒形孔隙的集合体组成，则较高压力下的吸附等温线方程为 （4-14）式中，Na吸附剂中的气体分子数；PL压力常数；G（T）孔隙相气体密度的校正因子；常数；Vp吸附剂孔隙体积；KBoltzman常数；S吸附位总数量；hPlank常数；m气体分子量；T绝对温度；（T）=；比表面积，单位孔隙体积的表面积；B范德华因子。公

26、式中的第一项为单层吸附的分子数量，实际为Langmuir等温吸附；第二项为以“孔隙气”形式存在于孔隙体积Vp中的分子数量；最后一项为以“压缩”或“类液层”形式存在的气体分之数量，在压力较低时为零。这种吸附等温线可用图4-4来表示，属前述的类吸附等温线。图4-4 等温吸附条件下多孔固体中的三种相态三、 平衡水等温吸附实验 煤层气大部分以吸附形式存储于煤储层中，煤的吸附与解吸可由下面的实验来确定：在恒压条件下测定不同温度时的吸附量（等压线）； 吸附物质的量或体积一定时，比较不同温度下的压力变化（等容线）； 在恒温条件下测定不同压力时被吸附物质的数量（等温线）。由于一种类型的曲线可以换算成另一种类型

27、的曲线，故一般只进行等温吸附实验。 测量吸附等温线的方法有体积法或PVT（压力-体积-温度）法、重量法和气相色谱法。二十世纪九十年代以前，大多是在低压条件下，用重量法或容量法测定干燥煤样的等温吸附曲线。目前使用最普遍的是利用Bell、Rakop（1986）及Mavor（1990）给出的容量法，在平衡水条件下测定煤的吸附等温线（附录四）。1、实验仪器测量仪器是一台改进了的波义耳定律孔隙率仪（美国Raven Ridge 公司生产的高压等温吸附仪，图4-5），它安装在恒温水浴或油浴上，由容量为80cm3的不锈钢基准缸和容量为160cm3的不锈钢器缸组成，容器、管子和阀门的压力值必须大于实验时所预料的

28、最高压力值，所有缸和管子的容积必须精确地测定。基准缸和实验缸设在恒温器中, 其温度误差控制在0.2以内, 基准缸和实验缸压力是由高精密压力传感器单独监控，精度为3.51kPa。实验缸的温度在实验期间要确保稳定。不同时间的温度和压力数据均由计算机收集,数据采集使用高速16 图4-5 IS-100型气体等温吸附/解吸仪位模拟数字转换器完成，在前60s以每秒100个点的速度来采集，随后的数据以每秒10个点的速度采集，可以同时进行4个等温实验缸的数据采集。2、实验样品将样品破碎到小于60目（0.25mm），再进行筛分分析，以确定样品的粒径分布。在进行等温吸附实验以前，首先进行样品的工业分析，以测定样品

29、的水分、灰分、挥发分和固定碳含量。为了再现储层条件，采用美国材料实验协会（ASTM）所推荐的标准，即在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。 平衡水分含量的确定方法：首先将样品称重（约100g），精确到0.2mg，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在96%97%之间。48h后煤样即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分（Mad）与平衡煤水分含量之和。 3、容量测定 容量测定包括如下步骤： 校准仪器以确定实验缸的孔隙体积； 使基准缸充气的压力大于现时等温阶段实验缸要求的最终压力； 打开基准缸

30、和实验缸之间的阀门，使其压力相等，并关闭该阀门； 监测实验缸的压力，以确定该压力点何时达到稳定，即达到吸附或脱附平衡； 重复步骤2到步骤5，直至达到实验最终压力为止； 进行等温解吸测量。 把煤放进仪器之前，先把体积已知的钢坯放进实验缸，根据波义耳定律，用氦气确定基准缸和实验缸的总容积。在实验室温度下重复三次作初始校准，以便把实验误差降至最低。总容积测量的误差一般是0.03cm3。 一旦煤样的水分含量达到平衡，就将80g150g的样品密封在实验缸内。用氦清洗缸体，用氦标定的过程要重复进行四次，以确定实验缸的容积和煤的密度，空隙容积测量误差一般在0.03cm3以内。在标定期间，必须估算相应温度和压

31、力时氦的气体偏差系数，这种估算值可从氦的气体偏差系数表中获得。实验过程中首先用高纯甲烷（甲烷纯度为99.99% ）清洗基准缸，然后充气使基准缸的压力大于这个压力点估算的稳定压力，打开两个缸之间的阀门，使其压力相等，记录整个阶段内不同时间的压力。在该压力点早期，以0.01s的间隔收集数据，而在该压力点晚期，则以0.1min的间隔收集，这个阶段是连续的，直到30min内压力变化小于0.7kPa为止。逐渐加压直至最终压力，以确定从一个大气压到大于储层压力范围内的吸附等温线。试验压力点数根据要求的最高压力确定，当最高压力小于或等于8MPa时，压力点数一般为6个，每个压力点的吸附平衡时间一般大于12h，实验最高压力为12MPa，稳定压力为10 MPa，压力点数也为6个。 四、多相介质煤岩体的吸附特征由前面两章我们知道煤储层中含有多种介质。在此我们简单地介绍煤对多组分气相介质及对水与气二相介质的吸附特征。（一） 气相多组分吸附特征煤储层内的气相介质是由CH4、CO2 、N2、C2H6等多组分组成的混合物，仅仅研究单组分气体的吸