第三章煤层气储层压力和赋存状态
煤层气
煤层气煤层气（Coalbed Methane）储层参数，主要包括煤的等温吸附特性参数、煤层气含量、渗透率、储层压力、原地应力，以及有关煤岩煤质特征的镜质组反射率、显微组分、水分、灰分和挥发分等，相应的测试分析技术有：煤的高压等温吸附试验（容量法）、煤层气含量测定、煤层气试井和煤岩煤质分析等。
煤的高压容量法等温吸附实验，是煤层气资源可采性评价和指导煤层气井排采生产的关键技术参数，等温吸附数据测定准确性，直接关系到煤层气开发项目的成败和煤层气产业的发展。
许多研究表明，煤是具有巨大内表面积的多孔介质，象其它吸附剂如硅胶、活性碳一样，具有吸附气体的能力。
煤层气以物理吸附方式储存在煤中，主要证据有：甲烷的吸附热比气化热低2—3倍（Moffat＆Weale，1955；Yang＆Saunders，1985），氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；大量试验也证明，煤对气体吸附是可逆的（Daines，1968；Maver 等，1990）。
结合国内外资料，推荐吸附样粒度为60—80目。
煤的平衡水分—当煤样在温度30℃、相对湿度96%条件下，煤中孔隙达到水分平衡时的含水量。
测试平衡水平的主要目的是：恢复储层条件下煤的含水情况，为煤的吸附实验做准备。
煤层气含量—指单位重量煤中所含的标准状态下（温度20℃、压力101.33kpa）气体的体积，单位是cm3/g或m3/t。
它是煤层气资源评价和开发过程中计算煤层气资源量和储量、预测煤层气井产量的重要煤储层参数之一。
煤层气含量的测定方法大体上可分为两类：直接法（解吸法）和间接法（包括等温吸附曲线法和单位体积密度测井法）。
在直接法中，保压取心解吸法是精确获得原地煤层气含量最好的方法。
直接法的基本原理煤心煤样的煤层气总量由三部分气体量构成：一是损失气（lost gas）,二是实测气（measured gas），三是残余气（residual gas）。
损失气量估算主要采用美国矿业局直接法（USBM法），该法假设煤中气体解吸可理想化地看作球形煤粒中气体在恒温下扩散，可以用扩散方程来描述，球形煤粒内气体的初始浓度为常数。
煤层气储层特征研究分解
欠饱和的
饱和煤层（A）含有最大的气含量， 这在理论上是可能的，如由实验室确定 的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水 和压力下降时，气生产立即开始。
欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸 附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事 件。为了使气产气甚至需要几年的时间进 行脱水和降压，而最终的储力
超压——煤层气井喷
三、储层的空隙压力与原地应力
2、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。煤储层试井测得储层压力是水压，二者的测试 条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压和气压的总和，在封闭 体系中，储层压力中水压等于气压；在开发体系中，储层压力等于水 压与气压之和。
同一煤样吸附不同气体：CO2>CH4>N2
CH4 CO2 N2
8
10
CH4 CO2 N2
8
10
四、煤储层的吸附性
2、煤层气吸附／解吸过程的差异与解吸作用类型划分
地质条件下的煤层气吸附过程与开采条件下的煤层气解吸过程的差异对比
煤层气物理吸附
煤层气物理解吸
作用过程
吸附偶于煤的热演化生烃、排烃 人为的排水-降压-解吸过程（是一 过程之中（是一种“自发过程”） 种“被动过程”）
一、煤层气的概念
1、煤层气
煤层气是以甲烷为主要成分的矿产，是在煤化作用过程中形成、储集 在煤层及其临近岩层中的非常规天然气。
2、煤层气储层
煤层作为煤层气的源岩和储层，具有2方面的特征：一是在压力作用 下具有容纳气体的能力； 二是具有允许气体流动的能力。
二、煤储层的渗透性
1、概念
储集层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的 性质，也就是说，渗透性是指岩石传导流体的能力，渗透性优劣用渗透 率表示。
煤层气的藏保存条件及其吸附性分析
煤层气藏保存条件煤层气藏定义：含有一定量煤层气，具有相对独立流体流动系统的煤体或地质体。
即煤层气藏是煤层气聚集的最小单元，具有统一压力系统。
煤层气作为开采利用对象，煤层气藏必须具有一定量煤层气。
其处于同一个压力系统，受相同流体流动系统控制，属于最基本单元。
该地质体不仅指煤层，同时包含了煤层顶、底板。
煤是一种有机质高度富集的烃源岩, 生烃能力很强，其生气能力远超煤层自身储气能力，因而决定煤层含气量的主要因素不是煤层生气能力, 而是其储气能力与保存条件。
保存条件主要指盖层的封盖能力、水动力条件和构造运动等因素。
在地质历史中，上述地质作用主要是通过改变地层的温压条件而改变吸附与解吸和吸附与溶解之间的平衡，来控制地层中的煤层气赋存形式，从而影响煤层气的保存与富集。
1、较强的吸附能力是煤层气富集的前提煤层气以溶解气、游离气和吸附气三种方式赋存于煤层的双孔隙系统中：割理系统和微孔隙系统。
割理孔隙度一般都较小且被水充满，溶解气、游离气较少，煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中，吸附气占总含气量的90～９５％以上，正是由于煤的这种吸附特性决定了煤的储集能力。
在地层条件下，吸附气、游离气和溶解气处于一种动态平衡过程中，在达到吸附平衡后，吸附量是压力和温度的函数。
但煤对气体的吸附属于物理吸附，吸附与解吸是可逆的，当温度和压力条件改变后，吸附量也会改变：当压力下降或温度升高时，吸附气就会解吸，转化为游离气。
同样，在地层水交替作用下，原有的平衡条件也会被打破而使吸附气越来越少。
由于吸附气的活性较游离气和溶解气弱得多，更易保存，因此煤的吸附能力越强，吸附量越大，越有利于煤层气的保存。
各种地质作用就是通过改变吸附与解吸及吸附与溶解的关系而影响煤层气的保存。
2、良好的封盖条件是煤层气保存的重要因素煤层气属于自生自储式，不需要初次运移，这就要求自生气开始，就需要有良好的封盖条件才能使煤层气得以保存。
盖层对于煤层气藏的作用主要是维持吸附与解吸的平衡，减少游离气的逸散和减弱交替地层水的影响。
煤层气储量规范-第三章煤层气规范
采收率参数可采用与国内外相同地质条件类比和数值模拟等其他方法
法取得。
3 术语和定义
3.3.3 经济可采储量 economic recoverable reserve
可采储量的一部分。是指在现行的经济条件技术条件下，通过理
论估算或类比的方法的可采出的煤层气总量。按勘查程度分为控制的 和探明的两级。
3.3.4 已开发经济可采储量
工程的基础上部署。其工程布置及密度应达到划分勘查区内不同参数类型的 地质块段的目的，并满足计算控制可采储量所需参数的要求。
3 术语和定义
3.4.3 排采井（组）
为取得产气量、气体成分、储层压力、产水量、水质及井间干扰试验为
主要目的的工程井（组）。排采井一般应在完成探井和参数井工程的基础上 部署，其工程布置及密度应满足计算探明可采储量所需参数的要求。
3 术语和定义
3.3 煤层气储量 coalbed methane reserve
3.3.1 地质储量 coalbed methane in place
在原始状态下，赋存于已发现的具有明确估算边界的煤层中、有现实 经济意义的煤层气总量。按勘查程度分为预测的、控制的和探明的三
级。
3.3.2 可采储量 recoverable reserve 地质储量的可采部分。是指在现行法规政策和市场条件下，采用 现有的技术，通过理论计算或类比的方法算得，从已知煤层中可采出 的煤层气总量。按勘查程度分为控制的和探明的两级。
煤层气资源/储量计算规范
国土部油气储量评审办公室 2012年9月22日
煤层气资源/储量计算规范
目 录
第一章 我国油气资源储量管理体系 第二章 国内外煤层气资源储量开发利用状况 第二章 煤层气资源/储量计算规范
煤层气地质学--方勇
不同类型的地质构造，在其形成过程中构造应力场特征及其内部应
力分布状况的不同，均会导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂
隙发育状况及地下水径流条件等出现差异并进而影响到煤储层的含气特 性。
煤层气有关的构造可归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱—逆冲推覆
构造和伸展构造四个大类。
四、影响煤储层含气性的地质因素
发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也
生成了以甲烷为主的气体。 煤化作用要经历两个过程，即生物成因过程和热成因过 程。
二、煤储层及煤层气的物质组成 2.2 煤层气的化学组成
煤层气的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物）、非烃类气体 （二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体氦、氩等）。 其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高， 二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。
一般较为发育，渗透率为1.5~2.5×10－3μm２，普遍含水，对煤层气
的保存十分不利。一方面煤层气通过煤储层顶底板灰岩中的孔隙和裂 隙发生运移，另一方面它又被灰岩中地下水径流带走。
砂岩类型
砂岩顶底板，总体上不利于煤层气的保存，但因其成分、结构 的不同及成岩后生作用的差异，对于煤储层的封盖能力变化极大。
二、煤储层及煤层气的物质组成
2.4煤储层的物质组成
煤储层系由煤基质块（被裂隙切割的最小基质单元）、 气、水（油）三相物质组成的三维地质体。
煤基 质块
煤 储 层
煤岩 和矿物质 游离气（气态） 吸附气（准液态） 吸收气（固溶体） 水溶态（溶解气）
裂隙、大孔隙中的自由水， 显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水 与煤中矿物质结合的化学水
4.3构造类型
煤层气基础知识
1、煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体；煤层气爆炸范围为5—15%2、煤层气的主要成分甲烷、二氧化碳、氮气3、煤层气储层是（基质）孔隙、裂隙双重介质结构4、煤层气的赋存状态吸附态（80-90%），游离态（20%-10%）、水溶态（5%以下）。
游离态煤层气以自由气体状态储积在煤的割理和其他裂缝空隙中，在压力的作用下自由运动5、煤层气的产出机理：通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，使吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。
即排水－降压－解析－扩散－渗流煤层气的运移方式：微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝6、在煤体的大孔和裂隙中，煤层气流动是以压力梯度为动力，其运移遵循达西定律；而在微孔结构中，煤层气流动是以浓度梯度为动力，运移遵循菲克定律。
7、井底压力：是指煤层气井储层流体流动压力8、压降漏斗：由于排水降压，供水边界到井底洞穴形成压差,其压差形状为漏斗状曲面,该曲面被称为压降漏斗，由于洞穴压力最低，煤层气定向解析，扩散，渗流和运移至洞穴。
排采时间越长，压降漏斗有效半径越大，其影响范围逐渐增加。
9、吸附：煤层气分子由气相赋存到煤体表面的过程。
10、煤中自然形成的裂缝称为割理；割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理；另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理11、达西定律：Q=KA△h/L式中Q为单位时间渗流量，A为过水断面面积，△h为总水头损失（高度差），L 为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗流系数。
关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。
从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面A的乘积，即Q＝Av。
菲克定律：菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大12、临界解吸压力：对于未饱和煤层气藏，只有压力下降到含气量吸附等温线上，气体才开始解吸，该压力称为临界解吸压力。
第三章 煤层气的储层压力及赋存状态
φi = φi (Tr , p r )
式中： 气体的对比温度； 式中：Tr—气体的对比温度；pr—气体的对比压力 气体的对比温度 气体的对比压力
根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得： 根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得：
Tr = T / Tc
界压力，MPa
p r = p / pc
fi—气体的气相逸度
φi
1、逸度的计算
逸度可以根据逸度因子的定义来求取 ：
fi φi = p
式中： φi —组分 i 的逸度因子；p—系统的压力，MPa
由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上， 由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上，临界条件下的 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。物理化学研究表明逸度因子 与对比压力和对比温度有关 ：
2、地应力 、
3、水文地质 、
开放体系
P=Gp·H P—储层压力，MPa； 储层压力，MPa； 压力梯度（单位垂深内的储层压力增量） Gp—压力梯度（单位垂深内的储层压力增量）， MPa/100m MPa/100m； H—煤层中心埋藏深度，m 煤层中心埋藏深度，
p′ p′
=h·Gw =h·
—视储层压力，MPa 储层压力， 0.98MPa/100m（咸水） 98MPa/100m 咸水）
3、溶解度的计算
根据以上的逸度及逸度因子的计算公式可导出： 根据以上的逸度及逸度因子的计算公式可导出：
f i φi p ci = = Hi Hi
假设地表温度为290 K，地温梯度为 ℃/100 m，静水压力梯度 假设地表温度为 ，地温梯度为3℃ ， 取一值进行计算， 为1 MPa/100 m。从地表每 。从地表每100 m取一值进行计算，求取不同 取一值进行计算 埋深CO 溶解度，并计算其比值。 埋深 2与CH4溶解度，并计算其比值。
煤层气储层特征研究分解
三、储层的空隙压力与原地应力
3、原地应力
原地应力是指煤储层没有受到任何人为扰动，处于原始状态的应力。 原地应力是压裂设计的重要依据，是储层渗透性的重要控制因素，同时也 严重影响煤层气井的排采。
四、煤储层的吸附性
1、不同煤级煤吸附不同气体的差异性
吸附量 /(cm3g-1)
35 28 21 14
7 0
饱和的
欠饱和的
饱和煤层（A）含有最大的气含量， 这在理论上是可能的，如由实验室确定 的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水 和压力下降时，气生产立即开始。
欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸 附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事 件。为了使气产气甚至需要几年的时间进 行脱水和降压，而最终的储量减少。
五、吸附饱和度与临界解吸压力
减小，甚至闭合，使渗透率急剧下降。 根据大量资料指出随着有效应力的增加，渗透率呈指数降低。
二、煤储层的渗透性
2、渗透率影响因素
2）基质收缩效应 实验表明，煤体在吸附气
体或解吸气体时可引起自身的 膨胀与收缩。煤层气开发过程 中，储层压力降至临界解吸压 力以下时，煤层气便开始解吸。 由于煤体在侧向上是受围限的， 因此煤基质的收缩不可能引起 煤层整体的水平应变，只能沿 裂隙发生局部侧向应变。
2、临界解吸压力的意义
在煤层气开采过程中，压力降低到煤层气开始解吸的压力称之为临界 解吸压力，一般用MPa表示。
理论气含量
实测气含量
临
实
废弃气 含量
界
测
解
储
吸
层
废弃 压力
压
压
力
力
结束语
经过几十年的研究，煤储层领域的许多研究成果已经运用到煤层气勘探 和开发实践中。但是，煤层气储层研究仍然存在如下主要问题：
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第三章煤层气储层压力和赋存状态
第一节 煤储层压力
一、定义
指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力（包括水 压和气压），故又称为孔隙流体压力。
1、开放体系 储层压力等于静水压力
2、封闭体系 储层压力等于上覆岩层压力
3、半封闭体系 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共
Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时，在煤孔隙 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 类液态相、孔隙气态相和游离态相。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
一、 溶解态
对天然气而言，在高压条件下甲烷在水中的溶解 度可达到数十m3(气)/m3(水) 。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
Van Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存 状态：（1）吸附在微孔隙中；（2）被包裹在煤 基质孔隙中；（3）游离在煤中割理和裂隙中； （4）溶解在煤中的裂隙水中。
Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 四种：（1）压缩在孔隙中的游离态气体；（2） 浓缩为固相或液相；（3）溶解在煤结构中；（4） 吸附在煤内表面上。
通常用亨利定律描述煤层气在水中的溶解度，利 用气体逸度和亨利常数的不同可以更加合理地解 释气体在水中的溶解现象。
亨利定律最初表达式为 ： pi Hici
式 中 ： p i — 气 体 组 分 i 所 受 到 的 压 力 ， M P a ； H i — 气 体 组 分 i 的 亨 利 常 数 ， M P a ； c i — 气 体 组 分 i 在 溶 剂 中 的 摩 尔 分 数 ， m o l / m o l
600 700 800 900 1000 1100 煤层埋深／m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
2、地应力
第三章煤层气储层压力和赋存状态
3、水文地质
开放体系
P=Gp·H P—储层压力，MPa； Gp—压力梯度（单位垂深内的储层压力增量），
MPa/100m； H—煤层中心埋藏深度，m
p =h·Gw p —视储层压力，MPa
Gw—静水压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水）
h—煤层中点处水头深度，m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
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。
同承担
第三章煤层气储层压力和赋存状态
二、储层压力状态
压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，%
① 超压：压力系数>1，压力梯度>0.98 MPa/100m； ② 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 MPa/100m； ③ 欠压：压力系数<1，压力梯度<0.98 MPa/100m。 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层 超压状态占33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3 %，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层 大多处于欠压状态。
与对比压力和对比温度有关 ： i i(Tr,pr)
式中：Tr—气体的对比温度；pr—气体的对比压力 第三章煤层气储层压力和赋存状态
根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得：
Tr T/Tc pr p/ pc
式 中 ： T — 系 统 的 温 度 ， K ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a ； T c — 气 体 临 界 温 度 ， K ； p c — 气 体 的 临 界 压 力 ， M P a
0.9 0.8 0.7
1.1 1.0
Tr=0.5
0 .1
0 .2
0.60 0.55
0.95
1 .4 1 .6 1 .1 1 .2
0 .8 5 0 .9 0 0 .8 0
0.70 0.75
0.65
0 .3
0 .4
0 .5
2 .0 1 .5 1 .3
0.9
0 .1 0 .2
0 .3 0 .4
0 .6 0 .8 1 .0
美国化学家路易斯假定了一新的热力学量—逸度，
使得亨利定律更加完善，最终表达式为：
fi Hici
f 第三章煤层气储层压力和赋存状态
i
i
1、逸度的计算
逸度可以根据逸度因子的定义来求取 ：
i
fi p
式 中 ： i— 组 分 i的 逸 度 因 子 ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a
由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上，临界条件下的 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。物理化学研究表明逸度因子
2
3
Pr
4 5 6 8 10
气体普遍化逸度因子图
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1.3
1.5
1.1
1.0
3 .0 2 .0
1 .0
0 .8 0 .6 0 .5 0 .4
0 .3 0 .9 8
0 .2 0 .9 6
0 .1
20
30 40
2、气体亨利常数的计算
常温常压下，气体在纯水中溶解的亨利常数大多可以在各种 《化工手册》中查出 。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
第二节 煤层气赋存状态
目前，关于煤层气在煤层中的赋存状态 比较一致的观点是煤层气在煤中有三种赋 存状态：以吸附态形式存在于煤层有机质 的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气； 以游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中 裂隙中，称为游离气；以及以溶解态形式 存在于煤层中的水里，称为水溶气。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
超压——煤层气井喷
第三章煤层气储层压力和赋存状态
三、储层压力的地质控制
储 层 压/ M力P a
1、埋深
12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 500
线 性 (实 测 压 力 ) 线 性 (正 常 压 力 )
y = 0.0114x - 1.4369 r= 0.8214
CH4和CO2的临界温度和临界压力
气体 临界温度（K） 临界压力（MPa）
CO2 304.3 7.38
CH4 190.7 4.64
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1 .0 30
0 .9 0 .8 2 .0 0 .7 0 .6
0
1 .0
Φ 0 .8
0 .6 0 .5 0 .4
0 .3
0 .2
0.6 Tr=0.5