煤層氣勘探與開發(fā)利用技術(shù)-第二章課件

煤層氣勘探與開發(fā)利用技術(shù)亞美大陸煤層氣有限公司張留子郵：zhangwei8365@163.com公共信箱：jcmeicengqi2011@163.com密碼：555888煤層氣勘探與開發(fā)利用技術(shù)亞美大陸煤層氣有限公司1第二章煤儲層及其基本物理性質(zhì)問題：1、什么是煤儲層？煤層氣是怎樣賦存在煤儲層中的？2、煤儲層的基本結(jié)構(gòu)及組成？3、什么是吸附？吸附過程存在哪兩種情況？第二章煤儲層及其基本物理性質(zhì)問題：2煤儲層是指地層條件下儲集煤層氣的煤層。與常規(guī)天然氣儲層相比，具有雙重空隙介質(zhì)、滲透性較低、空隙比表面積較大、吸附能力極強、儲氣能力大等特點。煤儲層是一種有機儲層，這是煤儲層有別于主要由礦物質(zhì)構(gòu)成的常規(guī)天然氣儲層的最根本區(qū)別。從而導(dǎo)致煤層氣富集和開采中的一系列特有性質(zhì)。煤儲層是指地層條件下儲集煤層氣的煤層。與常規(guī)天然氣儲層相比，3第一節(jié)煤儲層三相物質(zhì)組成煤儲層由固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)三相物質(zhì)所構(gòu)成。1、固態(tài)物質(zhì)是煤基質(zhì)，2、液態(tài)物質(zhì)一般是煤層中的水（有時也含有液態(tài)烴類物質(zhì)），3、氣態(tài)物質(zhì)即煤層氣。在地層狀態(tài)下含有煤層氣的煤層，才稱為煤儲層，否則都只是一般的煤層。第一節(jié)煤儲層三相物質(zhì)組成煤儲層由固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)三相物質(zhì)4一、煤儲層固態(tài)物質(zhì)組成煤儲層以固體有機質(zhì)為主，含有數(shù)量不等的礦物質(zhì)，它們共同構(gòu)成了煤的固體骨架。固態(tài)物質(zhì)成分，可從宏觀、微觀、大分子結(jié)構(gòu)三個層面予以描述。固態(tài)物質(zhì)組成的特性，一方面影響到煤儲層儲氣空間發(fā)育特性，另一方面與煤的吸附/解吸性密切相關(guān)，此外很大程度上還會影響煤儲層的滲透性和工程力學(xué)特性。一、煤儲層固態(tài)物質(zhì)組成51、宏觀煤巖組成煤是一種有機巖類，包括三種成因類型，一是主要來源于高等植物的腐植煤，二為主要由低等生物形成的腐泥煤，三是介于前兩者之間的腐植泥煤。自然界中以腐植煤為主，也是煤層氣賦集的主要煤儲層。煤巖類型（成分）包括鏡煤、絲炭、亮炭和暗煤。2、顯微煤巖組成顯微煤巖組成包括顯微組分和礦物質(zhì)。在光學(xué)顯微鏡下能夠識別的煤的基本有機成分，稱為顯微組分。顯微組分的鑒別標(biāo)志包括顏色、突起、反射力、光學(xué)各向異性，結(jié)構(gòu)，形態(tài)等1、宏觀煤巖組成6在腐泥煤中，藻類體和由低等生物源高度降解形成的腐泥基質(zhì)是煤中的主要顯微成分。顯微組分種類和含量的不同，煤的生氣、儲集、滲透性能均有差別。煤中礦物質(zhì)種類、含量、賦存形式等直接關(guān)系煤儲層含氣量高低，也涉及煤儲層中裂隙發(fā)育特征和力學(xué)性質(zhì)，對煤層氣開采有顯著影響。在腐泥煤中，藻類體和由低等生物源高度降解形成的腐泥基質(zhì)是煤中73、煤的大分子結(jié)構(gòu)煤中有機質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元（BSU）的骨架結(jié)構(gòu)由縮合芳環(huán)體系組成，其基本化學(xué)結(jié)構(gòu)為芳香環(huán)。煤中有機質(zhì)大分子基本結(jié)構(gòu)單元的縮聚過程主要起源于三種反應(yīng)機制，即芳結(jié)構(gòu)作用、環(huán)縮合作用和拼疊作用。3、煤的大分子結(jié)構(gòu)煤中有機質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元（BSU）8二、煤儲層液態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中液態(tài)物質(zhì)包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及煤基質(zhì)中的束縛水。在煤化學(xué)中，將煤中水分劃為三類，即外在水分，內(nèi)在水分和化合水。平衡水分含量相當(dāng)于工業(yè)分析中空氣干燥基水分和煤樣水平衡時吸附水分含量之和。二、煤儲層液態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中液態(tài)物質(zhì)包括裂隙、大孔隙中的自9三、煤儲層氣態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中賦存的氣態(tài)物質(zhì)就是煤層氣，主要化學(xué)組分為甲烷、二氧化碳、氮氣、重?zé)N氣。其中甲烷在煤儲層中的賦存方式有游離態(tài)、吸附態(tài)、固溶態(tài)和水溶態(tài)。三、煤儲層氣態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中賦存的氣態(tài)物質(zhì)就是煤層氣，主要10第二節(jié)煤儲層多重孔隙結(jié)構(gòu)煤儲層是由孔隙和裂隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)。才使得煤儲層具有儲氣的功能和允許煤層氣擴散---滲流---運移的能力。因此，了解煤儲層的孔隙---裂隙系統(tǒng)及其特征，是進(jìn)一步解決煤層氣勘探開發(fā)中相關(guān)問題的重要基礎(chǔ)。第二節(jié)煤儲層多重孔隙結(jié)構(gòu)煤儲層是由孔隙和裂隙構(gòu)成的多孔介11一、煤儲層孔隙—裂隙系統(tǒng)1、一般認(rèn)為煤儲層具有由孔隙、裂隙組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)。2、P.Gamsonetal認(rèn)為孔隙、裂隙之間還存在著一種過渡型。3、傅雪海提出：煤儲層是由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元孔隙—裂隙介質(zhì)。其中，孔隙是煤層氣主要儲集場所，宏觀裂隙是煤層氣運移的通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與裂隙的較量。一、煤儲層孔隙—裂隙系統(tǒng)124、英國理工學(xué)院Shietal認(rèn)為，目前被廣泛用來模擬氣體在煤基質(zhì)中運移的雙重孔隙模型并不適合于所有煤基的煤儲層。例如：低煤基煤大孔中世紀(jì)賦存著相當(dāng)數(shù)量的游離氣，但雙重孔隙模型卻假定氣體在煤基質(zhì)中僅以吸附相存在，對游離相忽略不計。5、很多實驗也證實，煤中存在雙種形式或多種形式的孔隙。基于這種認(rèn)識，建立了三重孔隙模型和雙分散孔隙擴散模型，并將其用于煤儲層數(shù)值模擬。4、英國理工學(xué)院Shietal認(rèn)為，目前被廣泛用來模136、煤儲層中天然裂隙在國外被稱為割理。在整個煤儲層中連續(xù)分布的割理稱為面割理，終止于面割理或與面割理交叉的不連續(xù)割理稱為端割理，兩種割理通常相互垂直或近似直交。7、我國對煤層割理認(rèn)識有三種：割理基本上是煤儲層中收縮裂隙，走向受形成期古構(gòu)造應(yīng)力場控制；割理相當(dāng)于其他巖層的節(jié)理；割理是煤層中基本上沒有發(fā)生位移的張性裂隙。6、煤儲層中天然裂隙在國外被稱為割理。在整個煤儲層中連續(xù)分148、對煤層割理的認(rèn)識有三種：1、強調(diào)內(nèi)應(yīng)力作用，認(rèn)為割理是煤化作用過程中，由于垂向亞實作用和脫水作用引起煤基質(zhì)收縮而形成，即傳統(tǒng)意義上的內(nèi)生裂隙；2、強調(diào)外應(yīng)力作用，認(rèn)為割理的形成與古構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)；3、強調(diào)綜合作用，認(rèn)為割理是煤化作用、構(gòu)造應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果。9、因為國內(nèi)沒有對割理進(jìn)行明確的定義，所以提出宏觀裂隙概念。8、對煤層割理的認(rèn)識有三種：1、強調(diào)內(nèi)應(yīng)力作用，認(rèn)為割理是煤15二、煤儲層宏觀裂隙1、在我國，以面裂隙代替面割理，以端裂隙代替端割理。煤層中往往面裂隙相對發(fā)育，連通性相對較好，滲透性相對較高，這種特征是導(dǎo)致煤儲層滲透率各向異性的關(guān)鍵因素。2、根據(jù)規(guī)模，形態(tài)，成因等特征，可將煤儲層中宏觀裂隙劃分為四級，包括大裂隙，中裂隙，小裂隙和微裂隙（見圖2-4和表2-5）二、煤儲層宏觀裂隙1、在我國，以面裂隙代替面割理，以端裂隙代161、根據(jù)裂面形成時的受力狀態(tài)，將宏觀裂隙分成三類：1、張性裂隙，張應(yīng)力超過煤巖抗張強度時產(chǎn)生，不受剪應(yīng)力作用，裂隙面粗糙不平；2、張性剪裂隙，破裂時裂隙面即承受壓應(yīng)力，又承受剪應(yīng)力；3、壓性剪裂隙，破裂時裂隙面即承受壓應(yīng)力，有承受較大的剪應(yīng)力，裂隙面平直光滑。2、煤儲層中裂隙有三種組合形式：1、矩形網(wǎng)狀裂隙；2、不規(guī)則網(wǎng)狀裂隙；3、平行狀裂隙。3、在煤層氣開發(fā)過程中，其受力會發(fā)生變化，導(dǎo)致裂隙面位移，見圖2--51、根據(jù)裂面形成時的受力狀態(tài)，將宏觀裂隙分成三類：1、張性裂174、剪切程度公式：A=1-(1-?N/PO)1.5AN--被剪切掉的凸起體面積與裂隙總面積之比?N—裂隙面上的正應(yīng)力，即?N=?n-aP;P—裂隙內(nèi)流體壓力；a—比奧特系數(shù)；Po---煤巖單軸抗壓強度。裂隙粗糙度的算式：C=1+8.8(e/2b)1.5C---粗糙度，b---裂隙密度，e----凸起高度。4、剪切程度公式：18三、煤儲層顯微裂隙1、顯微裂隙是肉眼看不到的，必須借助顯微鏡才能看到的裂隙。2、顯微裂隙往往局限于一個煤巖分層內(nèi)，發(fā)育多組，方向零亂，是主要由流體壓力、收縮應(yīng)力等形成的內(nèi)生裂隙，但也同樣課件由外應(yīng)力形成的構(gòu)造裂隙。3、顯微裂隙的組合形態(tài)有矩形網(wǎng)絡(luò)狀、菱形網(wǎng)絡(luò)狀、三角形網(wǎng)絡(luò)狀、不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)狀、樹枝狀、T形、X形等。三、煤儲層顯微裂隙1、顯微裂隙是肉眼看不到的，必須借助顯微鏡19四、煤中孔隙1、煤中的孔隙是指煤基塊中未被固體物（有機質(zhì)和礦物質(zhì)）充填的空間，煤的孔徑結(jié)構(gòu)是研究煤層氣賦存狀態(tài)、氣---水介質(zhì)與煤基質(zhì)間相互作用及煤層氣解吸—擴散—滲流的重要理論。2、以顯微煤巖組分和變質(zhì)變形特征為基礎(chǔ)，從掃描電鏡觀察結(jié)果，將煤孔隙的成因類型劃分為四類十型，見表2—6.四、煤中孔隙1、煤中的孔隙是指煤基塊中未被固體物（有機質(zhì)和礦203、我國煤層氣界廣泛用B.BXOДOT的十進(jìn)制分類系統(tǒng)（見表2--7）。認(rèn)為氣體在大孔中主要以劇烈層流和紊流方式滲流，在微孔以毛細(xì)管凝結(jié)、物理吸附及擴散現(xiàn)象等方式存在。4、國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會提出用汞侵入法和低溫氮吸附法。汞侵入法可以測直徑大于7.2nm的孔隙；低溫氮吸附法可測出直徑為0.35nm的孔隙。3、我國煤層氣界廣泛用B.BXOДOT的十進(jìn)制分類系統(tǒng)（215、孔容和表面積是孔隙的重要特征?？兹菥褪强紫兜捏w積，用比孔容表示，單位為cm3/g?？偪兹莩Ｓ肧ANS法、CO2吸附法或純氦比重法測算。與煤級和煤物質(zhì)組成密切相關(guān)，隨著煤級增高，煤的總孔容先減小后增大，約在焦煤中期階段達(dá)到極小值（見圖2--6）。6、煤的表面積包括外表面積和內(nèi)表面積，外表面積多占比例較小，煤的內(nèi)表面積用比表面積表征，單位為cm2/g。5、孔容和表面積是孔隙的重要特征?？兹菥褪强紫兜捏w積，用比孔227、煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙體積與煤總體積之百分比，可采用密度法、煤油法、氦氣法、二氧化碳法進(jìn)行測試。其大小與煤級和煤物質(zhì)組成有關(guān)。鏡煤的孔隙率隨著煤級增高而發(fā)生規(guī)律性變化，分別在焦炭中期和高級無煙煤末期達(dá)到極小值，在中級無煙煤初期達(dá)到極大值。7、煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙體積與煤總體積之百分比，可采用23第三節(jié)煤對氣體的吸附特性煤層氣與常規(guī)天然氣的根本區(qū)別是，煤儲層有強烈的吸附性，兩者之間有根本的區(qū)別。煤層氣在產(chǎn)出之前要先發(fā)生解吸，煤層氣的吸附性和解吸性是煤層氣勘探和開發(fā)的必備基礎(chǔ)知識。一、煤的吸附理論1、基本原理吸附是物質(zhì)在相界面上的過剩現(xiàn)象，如煤層氣分子和煤孔隙之間的關(guān)系。吸附作用表示其物質(zhì)表面氣體或液體分子的積累，是一種表面現(xiàn)象。吸附也屬于一種傳質(zhì)過程，物質(zhì)內(nèi)部分子和周圍分子有相互吸引的引力，液體和固體的表面可以吸附其他液體和氣體，由其表面積很大的物質(zhì)。第三節(jié)煤對氣體的吸附特性煤層氣與常規(guī)天然氣的根本區(qū)別是，241)、吸附有兩種情況：1、物理吸附，吸附過程中不改變原來的性質(zhì)，因此吸附能量小，容易脫落；2)、化學(xué)吸附，吸附過程中不僅有引力，還存在化學(xué)鍵，因此吸附能量較大，改變這種吸附需要很大的能量，即使被逐出，會發(fā)生化學(xué)變化。煤層氣主要是以物理吸附方式存在于煤儲層中。煤對氣體的吸附是可逆的，由于范德華力的作用，在臨界溫度以下所有氣體都有吸附，可以產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，在—100攝氏度----30攝氏度范圍未發(fā)生化學(xué)吸附。1)、吸附有兩種情況：1、物理吸附，吸附過程中不改變原來的性252)、物理吸附釋放的熱量很低，物理吸附和凝聚作用相似。因此吸附態(tài)甲烷和液體甲烷具有相似的物理性質(zhì)和密度。3)、煤的吸附特性一般用吸附等溫線直觀表征，在溫度恒定和壓力變化條件下的吸附過程稱為等溫吸附，詳見圖2-7.4)、實驗證明：1.在恒壓條件下測定不同溫度時的吸附量（等壓線），2.吸附物質(zhì)的量或體積一定時，比較不同溫度下的壓力變化（等容線），3.在恒溫條件下測定不同壓時被吸附物質(zhì)的數(shù)量（等溫線）。2)、物理吸附釋放的熱量很低，物理吸附和凝聚作用相似。因此吸262、單相氣體吸附模型1)、郎繆爾模型：其基本假設(shè)為：1、固體表面的吸附力起因于表面原子力的欠飽和，氣體分子只有碰到尚未被吸附的空白表面才能被吸附，若固體表面排滿一層分子后這種力場得到飽和，因此吸附是單分子層的；2、固體表面是均勻的，各處吸附能力相同，吸附熱不隨覆蓋度變化，是個常數(shù)。3、已被吸附的分子，其熱動能足以克服吸附劑引力場位壘時，又會重新回到氣相，被吸附分子之間無作用力，吸附與解吸是可逆的。4、吸附平衡時動態(tài)平衡，吸附的同時解吸也在進(jìn)行，吸附達(dá)到平衡，也是吸附速度等于解吸速度。2、單相氣體吸附模型272)、朗繆爾吸附等溫方程式?=V/Vm=bp/（1+bp）或V=Vmbp/（1+bp）=abp/（1+bp）=VLp/(p+pL)。式中：?---煤孔隙表面被氣體分子覆蓋的百分?jǐn)?shù)，稱為覆蓋度。VL，Vm，a---煤孔隙表面覆蓋滿分子層時的吸附量，即最大吸附量，VL為朗繆爾體積；b---吸附系數(shù)，是溫度和吸附熱的函數(shù)。V---氣體壓力為p時的吸附量。pL---朗繆爾壓力（為1/b）。溫度升高，b減小或pL增大，故吸附量隨溫度的升高而降低。2)、朗繆爾吸附等溫方程式283、BET多分子吸附模型：其假設(shè)如下：1、被吸附分子和碰撞到其上面氣體分子之間也存在范德華力，因而繁盛多層吸附。2、第一吸附層的吸附熱和以后各層的吸附熱不同，而第二層以上各層的吸附熱相同。3、吸附質(zhì)的吸附和脫附只發(fā)生在直接暴露于氣相的表面上。BET方程的二常數(shù)表達(dá)式為：P/V(p0-p)=1/VmC+(C-1)/VmC*P/p0Vm---單分子層達(dá)到飽和時的吸附量p0---實驗溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓C---與吸附熱和吸附質(zhì)液化有關(guān)的系數(shù)3、BET多分子吸附模型：其假設(shè)如下：1、被吸附分子和碰撞到293、多項氣體吸附模型----了解內(nèi)容4、吸附勢理論------了解內(nèi)容二、煤對純氣體的吸附特征1、不同純氣體的吸附能力，取決于氣體分子與煤分子之間的作用力，與各種吸附質(zhì)的沸點有關(guān)，沸點高，則吸附能力強，煤層氣各組分的吸附能力：N2<CH4<C2H6<CO2<C3H8<H2O.2、水分含量對煤的吸附能力有顯著的影響，抑制了煤對氣體的吸附，降低了吸附能力。3、多項氣體吸附模型----了解內(nèi)容30三、煤對多元氣體的吸附特征1、兩種氣體的朗繆爾等溫方程式分別為：?A=bApA/(1+bApA+bBpB)?覆蓋度p為分壓?B=bBpB/(1+bApA+bBpB)n元氣體的朗繆爾等溫吸附方程式：?i=bip;/(1+∑bipi)二元氣體的吸附等溫線，總是介于強吸附氣體與弱吸附氣體的吸附等溫線之間。見圖2—12.三、煤對多元氣體的吸附特征1、兩種氣體的朗繆爾等溫方程式分別31四、影響煤吸附的地質(zhì)因素1、地球物理場因素煤儲層壓力受煤層埋藏深度、構(gòu)造應(yīng)力場、地溫場、地下流體系統(tǒng)等得綜合影響。一般煤儲層壓力增大，煤對甲烷的吸附量隨之增高。在較低壓力壓段，吸附量壓力基本呈線性增長，朗繆爾方程見53頁。溫度提供的能量使吸附氣活化，溫度越高，越有利于煤層氣解吸見圖2—13；溫度升高，煤的最大吸附能力減弱，見圖2—14.四、影響煤吸附的地質(zhì)因素1、地球物理場因素322、煤質(zhì)煤巖因素煤的物質(zhì)組成是影響其吸附性的另一個因素。礦物質(zhì)對煤層氣沒有吸附力，煤中的礦物質(zhì)含量越高，其吸附性降低。2、煤質(zhì)煤巖因素33第四節(jié)煤儲層的工程力學(xué)特性煤層及其頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)，是影響煤儲層蓋章效果的重要因素，煤巖與巖石的力學(xué)參數(shù)，是煤儲層三維應(yīng)力狀態(tài)和壓裂裂縫模擬、壓裂壓力曲線分析、壓裂施工工藝優(yōu)化設(shè)計的必要依據(jù)。一、巖石力學(xué)參數(shù)1、煤巖的力學(xué)強度煤巖的力學(xué)強度包括抗壓強度、抗張強度和抗剪強度。第四節(jié)煤儲層的工程力學(xué)特性煤層及其頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)，是影341)、煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時的壓力，稱為單軸抗壓強度（pc），是巖石力學(xué)實驗中的重要指標(biāo)，可以反映煤儲層的破裂強度。2)、巖石抗拉強度(pt)是巖樣受拉伸道道破壞時的極限應(yīng)力。煤層不同方向上的抗拉強度直接影響到裂縫產(chǎn)狀，尤其是確定水平縫和垂直縫必不可少的參數(shù)。煤儲層與其頂?shù)装逯g抗張強度的差值，現(xiàn)住地影響到壓裂裂縫高度的擴展。1)、煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時的壓力，稱為單軸抗壓強353)、抗剪強度是莫爾強度理論的重要指標(biāo)，是計算破裂壓力的重要參數(shù)。利用傾斜壓模剪切儀，變動角度可以方便地得到不同正應(yīng)力?和剪應(yīng)力￠數(shù)值。巖石的破壞是在某個面上的剪切破壞，剪切破壞時該畫面上的正應(yīng)力?與剪應(yīng)力￠滿足￠=f(?)的關(guān)系，這就是莫爾強度理論。巖石包絡(luò)線有多種形式，如拋物線形、雙曲線形、擺線形、直線形等，煤巖這類弱巖石的包絡(luò)線一般為拋物線形。等應(yīng)力小于10兆帕?xí)r，可采用直線形包絡(luò)線，即如58頁公式。3)、抗剪強度是莫爾強度理論的重要指標(biāo)，是計算破裂壓力的重要362、彈性模量及相關(guān)系數(shù)1)、彈性模量是材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變力與應(yīng)變的比值。在力學(xué)上反應(yīng)材料的堅固性。煤巖彈性模量(E)對煤層壓裂裂縫發(fā)育影響極大，裂縫的寬度與彈性模量成反比關(guān)系，是計算裂縫尺寸的直接參數(shù)之一。如果煤層與其頂?shù)装鍘r層之間存在足夠的彈性模量差，就具備了控制壓裂裂縫不向頂?shù)装鍞U展的重要自然條件。三軸切線模量計算公式如下：58頁。2、彈性模量及相關(guān)系數(shù)372)