礦大煤層氣地質(zhì)學(xué)4-儲(chǔ)層壓力與吸附性

1、煤儲(chǔ)層壓力 煤儲(chǔ)層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應(yīng)用 煤儲(chǔ)層的解吸特征,第四章 煤儲(chǔ)層壓力及吸附/解吸特征,,第一節(jié) 煤儲(chǔ)層壓力,儲(chǔ)層壓力：指作用于煤孔隙—裂隙空間上的流體壓力（包括水壓和氣壓），故又稱為孔隙流體壓力。 開放體系：儲(chǔ)層壓力等于靜水壓力 封閉體系：儲(chǔ)層壓力等于上覆巖層壓力 半封閉體系：上覆巖層壓力由儲(chǔ)層內(nèi)孔隙流體和煤基 質(zhì)塊共同承擔(dān),1、定義,,壓力系數(shù)：即實(shí)測儲(chǔ)層壓力與同深度靜水壓力之比。 超

2、壓：壓力系數(shù)>1，壓力梯度>0.98 MPa/100m； 正常壓力：壓力系數(shù)=1，壓力梯度=0.98 MPa/100m； 欠壓：壓力系數(shù)<1，壓力梯度<0.98 MPa/100m。 我國三十二個(gè)礦區(qū)煤層氣試井結(jié)果表明，各煤級(jí)煤儲(chǔ)層 超壓狀態(tài)占33.2%，正常壓力狀態(tài)占21.9%，欠壓狀態(tài)占45.3 %，各煤級(jí)煤儲(chǔ)層中三種狀態(tài)均有分布，其中中煤級(jí)煤儲(chǔ)層

3、大多處于欠壓狀態(tài)。,2、儲(chǔ)層壓力狀態(tài),,,超壓——煤層氣井噴,埋深,3、儲(chǔ)層壓力的地質(zhì)控制,,地應(yīng)力,P=Gp·H P—儲(chǔ)層壓力，MPa； Gp—壓力梯度（單位垂深內(nèi)的儲(chǔ)層壓力增量）， MPa/100m； H—煤層中心埋藏深度，m p’=h·Gw p’ —視儲(chǔ)層壓力，MPa Gw—靜水

4、壓力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水） h—煤層中點(diǎn)處水頭深度，m,水文地質(zhì),開放體系,煤層氣（瓦斯）壓力,煤層氣（瓦斯）壓力是指在煤田勘探鉆孔或煤礦礦井中測得的煤層孔隙中的氣體壓力。煤儲(chǔ)層試井測的儲(chǔ)層壓力是水壓，二者的測試條件和測試方法明顯不同。煤儲(chǔ)層壓力是水壓與氣壓的總和，在開放體系中，儲(chǔ)層壓力中水壓等于氣壓；在封閉體系中，儲(chǔ)層壓力等于

5、水壓與氣壓之和。,煤儲(chǔ)層壓力 煤儲(chǔ)層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應(yīng)用 煤儲(chǔ)層的解吸特征,第四章 煤儲(chǔ)層壓力及吸附/解吸特征,,吸附方式：物理吸附，范德華力吸附模型單層吸附:Langmuir 模型多層吸附:BET模型,FHH模型容積充填理論:D-R,D-A 理論,,1、 Langmuir理論,VL或Vm或a—最大吸附量； VL 、PL——朗格繆爾體積和壓力，PL等于1／b,2、吸附性及其地質(zhì)控制,氣體成分與

6、煤吸附性,相對(duì)吸附能力： N2＜CH4＜C2H6＜CO2＜C3H8＜H2O 。多元?dú)怏w吸附等溫線，總是介于強(qiáng)、弱吸附氣體吸附等溫線之間。,煤物質(zhì)組成與煤吸附性,干燥煤樣,水分校正結(jié)果,煤孔隙結(jié)構(gòu)與煤吸附性,新集肥煤,煤吸附性隨煤級(jí)的演化,地層溫度/壓力與煤吸附性,朗格繆爾體積衰減系數(shù)：溫度升高1℃， VL減小數(shù)量。溫度每升高10℃，煤樣吸附量衰減速率比上一個(gè)等間距溫度段約減小一半。,壓力增高，吸附增量減小，吸附趨于飽和。埋深增大，

7、壓力對(duì)煤吸附增量的影響漸趨減小，溫度作用增大。在一定埋深下將會(huì)達(dá)到“吸附飽和臨界深度”。,,,,KT100-68HT型氣體等溫吸附/解吸儀(中國礦大),4、等溫吸附實(shí)驗(yàn),容量法等溫吸附儀,Adsorption testing system 等溫吸附測試系統(tǒng)Terra Tek 公司 美國（2004）,儀器結(jié)構(gòu)及工作原理,儀器的基本結(jié)構(gòu)： 高壓容量法等溫吸附儀是由結(jié)構(gòu)完全相同的數(shù)個(gè)單元構(gòu)成,彼此獨(dú)立，可以同時(shí)對(duì)不同

8、煤樣進(jìn)行不同條件實(shí)驗(yàn)。每個(gè)單元由樣品缸和參考缸組成，用不銹鋼制造的耐高壓的密封容器。樣品缸和參考缸置于恒溫裝置內(nèi)，保持溫度的穩(wěn)定性和一致性，溫度和壓力皆由高精度、高靈敏度測量元件進(jìn)行監(jiān)控。 儀器的工作原理： 容量法是最成熟和應(yīng)用最廣泛的方法之一，也是國內(nèi)外煤層氣吸附領(lǐng)域普遍采用的方法。其原理是通過P、T、V三參數(shù)關(guān)系分別計(jì)算吸附平衡前后的自由氣體量，其差值即吸附量。,平衡水分測試,,,,,體積實(shí)驗(yàn),壓力實(shí)驗(yàn),,,,,數(shù)據(jù)

9、處理,報(bào)告審查,成果報(bào)出,煤樣裝缸,,測試報(bào)告,,,,等溫吸附試驗(yàn),,,,煤樣制備（60～80目）,,,,,（1）測試樣品 要求: 代表性煤樣，一般為煤層煤樣1-2kg，實(shí)驗(yàn)室縮制。 粒度：60-80目 (0.2-0.25mm) 質(zhì)量：100－150克 同時(shí)進(jìn)行工業(yè)分析測試。 （2）平衡水分測試 將樣品稱重浸泡于玻璃燒杯，放進(jìn)裝有過飽和K2SO4溶液的真空干燥器中，在30℃、相

10、對(duì)濕度96-97%下，水分平衡3－7天。 煤樣預(yù)處理好后，等待測試使用。,測試分析流程,試驗(yàn)條件： 試驗(yàn)在儲(chǔ)層溫度下進(jìn)行吸附測試。 試驗(yàn)最高壓力大于實(shí)測儲(chǔ)層壓力，取 8 MPa 或 12MPa。 試驗(yàn)步驟： （1）體積試驗(yàn)：測試煤樣的真實(shí)體積和密度 。 步驟：關(guān)閉參考缸和樣品缸間閥門，向參考缸中充氦氣止壓力（2.06 - 2.08MPa）

11、。然后打開閥門讓參考缸、樣品缸平衡。記錄平衡前后壓力、溫度值，通過真實(shí)氣體狀態(tài)方程計(jì)算煤樣真實(shí)體積和密度。通過煤樣的體積，就得到樣品缸的自由空間體積。 （2）壓力實(shí)驗(yàn): 檢查系統(tǒng)的氣密性。 方法: 向系統(tǒng)充氦氣，壓力超過實(shí)驗(yàn)要求的最高壓力（或儲(chǔ)層壓力），保證接下來的整個(gè)等溫吸附實(shí)驗(yàn)在密封條件下進(jìn)行。調(diào)節(jié)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。,（3）等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試：在溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，確定系統(tǒng)密封不漏氣時(shí)方可進(jìn)行。

12、 測試步驟：關(guān)閉樣品缸閥門，向參考缸充甲烷氣體，壓力為計(jì)算出的目標(biāo)壓力。溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)等溫吸附實(shí)驗(yàn)程序。在60秒時(shí)打開樣品缸閥門，記錄不同時(shí)間的壓力與溫度。前300秒每秒采集一次數(shù)據(jù)，以后1分鐘采集一次數(shù)據(jù)，直到達(dá)到吸附平衡。 重復(fù)充氣、壓力檢測，到最終壓力為止。 第一個(gè)壓力點(diǎn)完成后，關(guān)閉閥門，繼續(xù)往參考缸中充氣，達(dá)到計(jì)算出的第二個(gè)目標(biāo)壓力，溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)等溫吸附實(shí)驗(yàn)程序，在60秒時(shí)打開閥門讓兩缸平衡。平衡

13、后重復(fù)以上過程，直至最后一個(gè)壓力點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。,煤樣體積和自由空間體積計(jì)算 煤樣體積計(jì)算公式： V S = P2×V2 / Z2×T2 + P3×V3 / Z3× T3 - P1×V1 /Z1×T1 P2 / Z2× T2- P1 / Z1 ×T1

14、 式中： P1–––––平衡后壓力； T1–––––平衡后溫度； V1–––––系統(tǒng)總體積； V2–––––參考缸體積； V3–––––樣品缸體積； VS–––––煤樣的體積；

15、 Z1––––––平衡條件下氣體的壓縮因子； P3、 P2–––––樣品缸、參考缸初始?jí)毫Γ?T3、 T2–––––樣品缸、參考缸初始溫度； Z3、Z2–––––樣品缸、參考缸初始?jí)嚎s因子.,求出煤樣的體積，就可計(jì)算出樣品缸內(nèi)自由空間體積。自由空間體積是指樣品缸裝入煤樣后煤樣顆粒之間的空隙、煤樣顆粒內(nèi)部微

16、細(xì)空隙、樣品缸剩余的自由空間、連接管和閥門內(nèi)部空間的體積之總和。 自由空間體積計(jì)算公式為： V = V1 - VS 式中： V –––自由空間體積, ，cm3； V1 ––– 系統(tǒng)總體積，

17、cm3； VS ––– 煤樣的體積, ， cm3。,吸附量:根據(jù)參考缸、樣品缸的平衡壓力及溫度，計(jì)算不同平衡壓力點(diǎn)的吸附量。 利用公式： PV = nZRT式中：P——壓力，MPa； V——體積, cm3； n——摩爾數(shù)； Z——?dú)怏w的壓縮因子； R——?dú)怏w常數(shù)；

18、 T——溫度，K。,分別求出平衡前系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)（n1）和平衡后系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)（n2），則煤樣吸附氣體的摩爾數(shù)增量（?n）： ?n=n1－n2 …………… （4）式中： ?n––––– 平衡前后自由氣體摩爾 數(shù)的增量； n1––––– 平衡前系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)； n2––––– 平衡后系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)。吸附氣體的總體積增量（?V總）：

19、 ?V總=?n×22.4×1000 …… （5）單位吸附增量（?V）： ?V = V總 / M ……………..（6）式中：M–––––煤樣質(zhì)量； V總––––吸附氣體的總體積； ?V–––––單位吸附增量。,Langmuir體積（VL）和Langmuir壓力（PL）的計(jì)算： 求出壓力及該壓力對(duì)應(yīng)的吸附量間的比值（P/?V），繪出P、

20、P/?V之間的散點(diǎn)圖，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，利用最小二乘法求出直線方程及相關(guān)系數(shù)（R）。 假設(shè)直線斜率為A，截距為B，則： Langmuir體積（VL）為： VL = 1/A …………………… （7） Langmuir壓力（PL）為： PL = B/A=V

21、LB …………… （8）,測試參數(shù)： （1）平衡水分； （2）各平衡點(diǎn)壓力下吸附量； （3）Langumuir體積、Langumuir壓力、 R值； （4）吸附等溫線； （5）P/V─P圖。 等溫吸附試驗(yàn)報(bào)告：最終測試結(jié)果、原始測試數(shù)據(jù)。 質(zhì)量評(píng)述： 在最終報(bào)告中提出質(zhì)量評(píng)述意見，尤其是在出現(xiàn)不可預(yù)見的問題時(shí) ，以供甲方使用數(shù)據(jù)時(shí)考慮。,重量法等溫吸附

22、儀,煤儲(chǔ)層壓力 煤儲(chǔ)層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應(yīng)用 煤儲(chǔ)層的解吸特征,第四章 煤儲(chǔ)層壓力及吸附/解吸特征,,吸附等溫線: V=ＶＬＰ/（P+ＰＬ）,含氣飽和度是指煤儲(chǔ)層在原位溫度、壓力、水分含量等儲(chǔ)層條件下，煤層含氣總量與總?cè)輾饽芰Φ谋戎怠?理論飽和度:實(shí)際含氣量與蘭氏體積之比值 S理=V實(shí)/VL S理—理論飽和度，%； V實(shí)—實(shí)測含氣量，m3/t；,1、理論飽和度和實(shí)測飽和度,實(shí)測飽和度:實(shí)測含氣量

23、與實(shí)測儲(chǔ)層壓力投影到吸附 等溫線上所對(duì)應(yīng)的理論含氣量的比值。 S實(shí)=V實(shí)/V V=VLP/(P+PL) V實(shí)—實(shí)測甲烷含量； S實(shí)—含氣飽和度。 V—理論含氣量，m3/t VL—Langmuir體積，m3/t； PL—Langmuir壓力，MPa；； P—煤儲(chǔ)層壓力，MPa；,吸附狀態(tài)：過飽和，飽

24、和，欠飽和,臨界解吸壓力：指在等溫曲線上煤樣實(shí)測含氣量所對(duì)應(yīng)的壓力。 臨儲(chǔ)壓力比：臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力之比。,,,,2、臨界解吸壓力,3、理論采收率,Pad—枯竭壓力 （據(jù)美國的經(jīng)驗(yàn)可降至的最低儲(chǔ)層壓力為100磅/平方英寸，約為0.7MPa）,煤儲(chǔ)層壓力 煤儲(chǔ)層的吸附特征及其影響因素 等溫吸附曲線的應(yīng)用 煤儲(chǔ)層的解吸特征,第四章 煤儲(chǔ)層壓力及吸附/解吸特征,,解吸率：損失氣量與解吸氣量之和與總氣量之百分比。解吸量：損失氣量與

25、現(xiàn)場兩小時(shí)解吸氣量之和， 即解吸率與該深度下實(shí)際含氣量的乘積。,1、解吸量與解吸率,吸附時(shí)間：定義為實(shí)測解吸氣體體積累計(jì)達(dá)到總解吸 氣量（STP：標(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力）63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 吸附時(shí)間與產(chǎn)能達(dá)到高峰的時(shí)間有關(guān)，與煤層氣長期的產(chǎn)能關(guān)系不密切。吸附時(shí)間短，則煤層氣井有可能在短期內(nèi)達(dá)到產(chǎn)能高峰，有利于縮短開發(fā)周期，但不利于氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)。,2、吸附時(shí)間,我國部分礦區(qū)煤層甲

26、烷平均解吸量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,東北鐵法和西北寶積山等中生界煤儲(chǔ)層埋深增大，煤層甲烷解吸率卻有降低的明顯趨勢，最佳解吸深度在400~600m之間。由此來看，不同地區(qū)和不同時(shí)代煤儲(chǔ)層甲烷解吸率與埋深之間關(guān)系往往大相徑庭。,沁水盆地中南部解吸率與煤層埋深的關(guān)系,解吸速率定義為單位時(shí)間內(nèi)的解吸氣量。它受控于煤的組成、煤基塊大小、煤化程度及煤的破碎程度。自然解吸條件下解吸速率總體表現(xiàn)為快速下降，但初始存在一個(gè)加速過程，中間可能受煤孔徑結(jié)構(gòu)的影響，解吸速率