煤層氣賦存、產(chǎn)出機理

1、煤層氣賦存、產(chǎn)出機理煤層氣賦存、產(chǎn)出機理 煤儲層的幾何模型 煤層氣儲集機理 煤層氣吸附性能的主要影響因素 煤層氣產(chǎn)出的先決條件 煤層氣產(chǎn)出機理 小 結(jié)內(nèi)容提要一、煤儲層的幾何模型煤層氣幾何模型雙重孔隙結(jié)構(gòu)模型三元結(jié)構(gòu)模型基質(zhì)孔隙裂隙孔隙兩級擴散宏觀裂隙孔 隙煤儲層的非均質(zhì)性，很難用統(tǒng)一的模型來表述。 雙直徑球型模型適用中煤階分I、類和、類顯微裂隙一、煤儲層的幾何模型Root雙重孔隙幾何模型由該模型可知煤層氣由基質(zhì)孔隙解吸擴散到割理系統(tǒng)，然后沿割理以達西流運移到井筒。根據(jù)Root模型煤中孔隙分類一、煤儲層的幾何模型XooT依據(jù)工業(yè)吸附劑提出：微孔構(gòu)成煤的吸附容積，小孔構(gòu)成煤層氣的毛細(xì)凝結(jié)和擴散區(qū)

2、域，中孔構(gòu)成煤層氣緩慢層流紊流區(qū)域，大孔則構(gòu)成劇烈層流滲透區(qū)域。煤孔隙分類一覽表研究者級 別微孔小孔中孔大孔XooT（1961）1000Gan等（1972)30國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（1972)50一、煤儲層的幾何模型根據(jù)Root模型煤中孔隙分類煤中基質(zhì)孔隙的類型及特征類型孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征油氣運移和儲集氣體擴散孔隙類型1000多以管狀、板狀孔隙為主易于液態(tài)烴、氣態(tài)烴儲集和運移，排驅(qū)效果好氣體容積型擴散孔隙1000-100以板狀、管狀孔隙為主，間有不平行板狀易于液態(tài)烴、氣態(tài)烴儲集和運移 100-10以不平行板狀孔隙為主，有一部分墨水瓶狀孔隙易于氣體儲集，但不利于重?zé)N氣體的運移氣體分子型擴散孔隙

3、10具有較多的墨水瓶孔隙和不平行板狀毛細(xì)管孔隙氣體能儲集，但不利于運移一、煤儲層的幾何模型裂隙外生裂隙 割理（內(nèi)生裂隙）剪切外生裂隙張性外生裂隙劈理面割理（主內(nèi)生裂隙）端割理（次內(nèi)生裂隙）繼承性裂隙一、煤儲層的幾何模型直線型延伸的一組割理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間的端割理一、煤儲層的幾何模型雙直徑球形幾何模型由該模型可知煤儲層滲透性的主要貢獻者為外生裂隙，在無煙煤中更是如此，割理的主要貢獻是溝通了基質(zhì)塊與外生裂隙的聯(lián)系。一、煤儲層的幾何模型raRaraRiri碎粒煤，焦作朱村煤礦山西組糜棱煤，鞏義大峪溝煤礦山西組 糜棱煤，湖南紅衛(wèi)煤礦下石炭統(tǒng)受構(gòu)造破壞

4、嚴(yán)重的碎粒煤和糜棱煤一、煤儲層的幾何模型雙直徑球形幾何模型由該模型可知：煤層氣由基質(zhì)微孔隙表面解吸擴散至基質(zhì)大孔隙中，繼而由基質(zhì)大孔隙擴散至井孔產(chǎn)出。即在這類儲層內(nèi)不存在達西流。一、煤儲層的幾何模型根據(jù)雙直徑孔隙結(jié)構(gòu)模型煤中孔隙分類及成因 由裂縫切割出的基質(zhì)塊內(nèi)未被固態(tài)物質(zhì)充填的空間稱為基質(zhì)孔隙，基質(zhì)孔隙主要影響煤層氣的賦存?；|(zhì)孔隙按成因可將孔隙分為氣孔、殘留植物組織孔、溶蝕孔、晶間孔、原生粒間孔等。按孔徑大小可分為微孔、小孔、中孔和大孔。氣孔是指煤化作用過程中氣體逸出留下的痕跡。殘留植物組織孔是植物本身組織結(jié)構(gòu)的繼承。次生孔隙是煤中礦物質(zhì)，如黃鐵礦、碳酸鹽等在地下水循環(huán)過程中被溶蝕形成的。

5、晶間孔是原生礦物或次生礦物晶粒間的孔隙。原生粒間孔是各種成煤物質(zhì)顆粒間的孔隙，是成巖作用過程中煤物質(zhì)顆粒經(jīng)壓實、脫水后仍保留下來的孔隙。一、煤儲層的幾何模型煤中孔隙分類及成因孔隙按孔徑大小分類及流態(tài)特征孔隙分級孔隙分類孔徑/nm煤層氣儲運特征吸附微孔2500紊流一、煤儲層的幾何模型三元結(jié)構(gòu)模型宏觀裂隙大、中、小、微一級、二級、三級割理顯微裂隙階梯狀、雁列式、帚狀、X式孔隙大孔、中孔、過渡孔、微孔滲流孔、吸附孔一、煤儲層的幾何模型基于三元結(jié)構(gòu)的煤中孔隙分類基于煤層氣運移特征的煤孔隙分類 單位：nm孔隙分級孔隙分類孔半徑煤層氣流動特征擴散微孔1000紊流認(rèn)為：65nm為滲流通道。 甲烷在常溫常壓的

6、純凈水中有一定的溶解度，但溶解度很小。而煤層氣儲層多是飽含水的，因此在一定的地層條件下，必定有一部分煤層氣要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述： 甲烷在水中的溶解度主要取決于水的溫度、礦化度、環(huán)境壓力和氣體成分。bcbcbpKpKC1p VZ n R T游 離二、煤層氣的儲集機理1.溶解態(tài):二、煤層氣的儲集機理 游離氣指儲存在煤層孔隙或裂隙中能自由移動的天然氣，這部分氣體服從一般氣體方程，對于象煤層氣這樣的真實氣體，可用范德華方程描述： 游離氣量的大小取決于孔隙體積、溫度、氣體壓力和氣體壓縮系數(shù)。2.游離態(tài):Z n R TVp游 離 或二、煤層氣的儲集機理3.吸附態(tài): 1916年，Langm

7、uir 在研究低壓下氣體于金屬表面上的吸附時，將所得數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律性的東西，并從動力學(xué)的觀點出發(fā)，提出了固體對氣體的吸附理論，這個理論常稱為單分子層吸附理論。二、煤層氣的儲集機理二、煤層氣的儲集機理a 單個煤體“球形”吸附層結(jié)構(gòu)示意圖b煤孔隙三元結(jié)構(gòu)吸附煤層氣示意圖圖 煤孔隙系統(tǒng)吸附煤層氣情況示意圖煤核心煤表面內(nèi)生裂隙外生裂隙宏觀裂隙穩(wěn)定吸附層平衡吸附層自由氣體層CH4 煤基質(zhì) 面裂隙 端裂隙 H24O顯微裂隙孔隙H2OCH4煤基質(zhì)吸附氣吸附特征不飽和力場德拜誘導(dǎo)力和倫敦色散力吸附勢阱 捕獲分子二、煤層氣的儲集機理煤層氣與常規(guī)油氣開發(fā)方法差異游離氣吸附氣水溶氣煤層氣：項目 常規(guī)油氣 煤

8、層氣儲層 孔隙裂隙 基質(zhì)表面及割理成藏 游離型 自生自儲吸附型勘探 圈閉、巖性 承壓水、高飽和試氣 單井 短期 大井組長期產(chǎn)出 初期產(chǎn)量高 中期產(chǎn)量高開采 注水保壓 排水降壓二、煤層氣的儲集機理賦存狀態(tài)的轉(zhuǎn)化吸附氣溶解氣游離氣溫度不變情況下轉(zhuǎn)化關(guān)系壓力升高壓力升高壓力降低條 件甲烷氣體濃度溶解度甲烷氣體濃度溶解度原始賦存狀態(tài) 吸附氣+溶解氣 吸附氣+溶解氣 +游離氣圖 煤層氣在煤儲層中賦存狀態(tài)及轉(zhuǎn)化關(guān)系二、煤層氣的儲集機理吸附性能影響因素內(nèi)部因素外部環(huán)境物質(zhì)組成孔隙特征灰分水分溫 度壓 力三、煤層氣吸附性能的主要影響因素三、煤層氣吸附性能的主要影響因素1.壓力圖 瓦斯壓力吸附瓦斯量關(guān)系曲線 吸

9、附是氣體與固體表面之間未達熱力學(xué)平衡時發(fā)生的，達到平衡是“吸附質(zhì)”的氣體分子在“吸附劑”的固體表面上的積累實現(xiàn)的。 實驗表明，在給定的溫度下，隨著瓦斯壓力的升高，煤體吸附瓦斯量增大，并且將超于某個定值。三、煤層氣吸附性能的主要影響因素2.溫度圖 溫度對瓦斯吸附量的影響曲線溫度總是對脫附起活化作用，溫度越高，游離氣越多，吸附氣越少。 實驗研究結(jié)果表明，溫度每升高1，煤吸附瓦斯的能力降低約為8%，其原因是溫度升高時，瓦斯活性增大，難于被煤體吸附，同時己被吸附的瓦斯分子易于獲得動能，從煤體表面脫逸出來。三、煤層氣吸附性能的主要影響因素3.水分含量圖 水分對瓦斯吸附量的影響曲線 水分和氣體分子與煤之間

10、具有相似的特性，水與煤之間都不存在共價鍵，都是以較弱的范德華力吸附在煤中。 只有在未達到臨界水分含量時，它的增加使甲烷的吸附量降低，超過臨界水分含量的部分只覆蓋煤顆粒表面，不影響吸附過程，甲烷的吸附量不再減少。三、煤層氣吸附性能的主要影響因素4.煤階三、煤層氣吸附性能的主要影響因素5.煤的顯微組分 在瘦煤之前，煤的吸附能力是:惰質(zhì)組(指有胞腔結(jié)構(gòu)無充填物的絲質(zhì)體)鏡質(zhì)組惰質(zhì)組(粗粒體和有胞腔結(jié)構(gòu)但被充填的絲質(zhì)體)，原因是在煤變質(zhì)較低的煤中惰質(zhì)組中有大量的紋孔，而鏡質(zhì)組孔隙和內(nèi)表面積紋孔少，造成惰質(zhì)組比鏡質(zhì)組吸附能力強。在無煙煤3號變質(zhì)階段，煤的吸附能力是:鏡質(zhì)組惰質(zhì)組，原因是在高變質(zhì)階段，鏡質(zhì)

11、組中有更多的揮發(fā)物質(zhì)產(chǎn)出，引起微孔增多之故。三、煤層氣吸附性能的主要影響因素6.煤孔隙特征 煤巖比表面積的大小取決于微孔體積的大小，與中孔體積大小關(guān)系不明顯；孔隙平均直徑越大，總比表面積越??；煤對甲烷吸附能力與總孔體積、總孔比表面積、微孔比表面積呈正相關(guān)關(guān)系。煤的儲集能力與煤的孔隙密切相關(guān)，孔體積和比表面積越大，煤儲集氣的能力越強。四、煤層氣產(chǎn)出的先決條件 煤層氣的產(chǎn)出條件可從物質(zhì)基礎(chǔ)、流動通道及能量系統(tǒng)等三個方面進行闡述。產(chǎn)出的先決條件 一定的資源量是進行煤層氣開采的基礎(chǔ) 滲透能力的大小是連接氣體賦存空間與外部環(huán)境 的重要紐帶 解吸能力的強弱將直接影響煤層氣的開采難易 程度及采收率資源量 運

12、移通道滲透能力解吸能力采收率開采效果經(jīng)濟效益四、煤層氣產(chǎn)出的先決條件圖 煤層氣產(chǎn)出先決條件及控制因素框圖煤層氣產(chǎn)出先決條件及控制因 素人為難改變因素人為較易改變因素 原始含氣量 煤層總厚度 資源豐度 資源量 儲層本身條件 臨界解吸壓力 解吸時間 連通程度 含氣飽和度 原始儲層壓力 物質(zhì)基礎(chǔ) 裂隙間距 滲透率 解 吸 擴散滲流 排采制度 排采強度 排采時間 運移產(chǎn)出 產(chǎn)出的主控因素五、煤層氣產(chǎn)出機理圖中:A(PL,VL)-最大吸附點; B(P1,V1)-理論吸附點; C(P1,V2)-實際吸附點; D(Pi,Vi)-采收過程吸附點; E(Pn,Vn)-枯竭吸附點; C(P2,V2)-臨界解吸吸附

13、點. 壓力/P吸附體積/V0ABCDEPLVLP1V1V2PiViPnVnLangmuir吸附等溫線CP2曲線方程：V=VL*P/(PL+P)五、煤層氣產(chǎn)出機理uVL:煤巖的最大吸附能力(這時P),簡稱蘭氏體積. PL:吸附量V達到VL/2時所對應(yīng)的壓力值,簡稱蘭氏壓力.影響吸附等溫線的形態(tài)參 數(shù),反映煤層氣解吸的難易,值越低,脫附越容易,開發(fā)越有利.V1:當(dāng)前地層壓力下的煤巖理論含氣量. P1:儲層壓力,即當(dāng)前煤儲層壓力.V2:當(dāng)前地層壓力下的實際含氣量. P2:臨界解吸壓力,甲烷開始解吸的壓力點.Vi:排采過程中含氣量. Pi:排采過程中的儲層壓力.Vn:煤層殘留含氣量. Pn:煤層氣井的

14、枯竭壓力.Langmuir吸附等溫線物理意義:Langmuir吸附等溫線生產(chǎn)中的意義:uV2/V1含氣飽和度. (V2-Vn)/V2理論最大采收率. (V2-Vi)/V2生產(chǎn)過程中動態(tài)采收率.l根據(jù)臨界解吸壓力和儲層壓力可以了解煤層氣的早期排采動態(tài).若煤層欠飽和(V2P表面P微P裂縫P井底二元解吸五、煤層氣產(chǎn)出機理三層產(chǎn)出解吸機理壓 力/P吸附體積/V0ABCDEPLVL/2P1V1V2PiViPnVnCP2曲線方程：V=VL*P/（PL+P）圖 煤吸附甲烷氣體的Langmuir等溫吸附曲線示意圖圖中：A（PL,VL/2）蘭氏吸附點；B(P1,V1)-理論 吸附點；C(P1,V2)-實際吸附點

15、；D(Pi,Vi)- 采收過程吸附點； E(Pn,Vn)-枯竭吸附 點；C(P2,V2)-臨界解吸吸附點.lV2/V1含氣飽和度. (V2-Vn)/V2理論最大采收率. (V2-Vi)/V2生產(chǎn)過程中動態(tài)采收率.l根據(jù)臨界解吸壓力和儲層壓力可以了解煤層氣的早期排采動態(tài).若煤層欠飽和(V2V1),氣體的解吸和流動受到抑制,煤儲層壓力P1須降低至臨界解吸壓力P2時才開始解吸.當(dāng)V2V1時,為過飽和狀態(tài),這時C點位于B點的正上方, 當(dāng)煤層壓力降到接近P1點時就有氣體產(chǎn)出.l隨著枯竭壓力Pn的降低,最大采收率增加;因此排采過程中要盡可能的降低枯竭壓力,以獲得更高的采收率.五、煤層氣產(chǎn)出機理三層產(chǎn)出擴散

16、機理 擴散是一種以分子形式進行的傳質(zhì)作用，濃度差及能量差的客觀存在是擴散得以進行的源動力；從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運移是擴散的主方向，最終達到濃度平衡。努森擴散主要是分子與孔壁之間的相互作用。體積擴散主要是分子與分子之間的相互作用。表面擴散中，質(zhì)量傳遞是經(jīng)過吸附態(tài)流體運移進行的，沒有自由態(tài)的質(zhì)量傳遞。22CCDtX圖 基質(zhì)內(nèi)煤層甲烷 擴散示意圖五、煤層氣產(chǎn)出機理三層產(chǎn)出擴散機理 煤層氣通過煤基質(zhì)微孔隙系統(tǒng)的擴散，可以按非穩(wěn)態(tài)擴散和擬穩(wěn)態(tài)擴散兩種模式進行處理。擬穩(wěn)態(tài)擴散遵從Fick第一定律，非穩(wěn)態(tài)擴散遵從Fick第二定律。菲克第二定律：表示客觀，計算量大，反映時空變化。菲克第一定律：假設(shè)煤基質(zhì)塊內(nèi)，

17、煤層氣在擴散過程中每一個時間段都有一個平均煤層氣濃度。五、煤層氣產(chǎn)出機理煤層氣的產(chǎn)出階段影響半徑/R儲層壓力/P0階段一只有壓降傳遞無水氣流動CAB壓降曲線階段二飽和單相水流階段三非飽和單相流少量氣泡階段四水氣兩相流水氣混合階段五水氣兩相流以氣為主相對滲透率/K0.01.0氣水兩相流動區(qū)域水單相流區(qū)域水氣靜水區(qū)域NoImage煤層氣的產(chǎn)出階段u第一階段: 僅有壓降傳遞,無水氣流動階段 壓降幅度比較小,還不足以使煤層中的水產(chǎn)生流動,煤層氣無法解吸,處于靜水階段.u第二階段: 飽和水單相流階段 隨著壓降幅度的增大,煤層中的裂隙水開始流動, 極少量游離氣或溶解氣在裂隙系統(tǒng)中將處于運移狀態(tài),此階段以飽