煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用
等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用
第34卷第5期 中国矿业大学学报 V ol.34No.5 2005年9月 Jo urnal of China U niv er sity of M ining&T echnology Sep.2005文章编号:1000-1964(2005)05-0679-04等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用陈春琳1,林大杨2(1.中国煤炭地质总局第一勘探局,邯郸 056000;2.中国煤炭地质总局,北京 100039)摘要:在缺乏煤层气井生产资料的情况下,为了合理利用我国煤田地质勘探中煤层气解吸法所测的煤层气含量,使其计算的煤层气资源量与可采资源量更为接近,根据煤层气解吸特征,煤储层等温吸附特征,通过计算解吸系数,求取煤层气的解吸率.利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,并结合煤层气井的枯竭压力,估算出煤层气采收率,进而获得煤层气可采资源量.结果表明,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,另外由于生产技术的原因,参考国外煤层气实际生产情况,井深结构所能达到的最低储层压力之下的煤层气也基本上不能被采出.因此通过解吸系数法校正、等温吸附曲线法校正后,计算的煤层气资源量更能反映煤层气的可采潜力.关键词:煤层气解吸率;等温吸附曲线;可采资源量中图分类号:P618.11 文献标识码:AApplication of Isothermal Curves inEstimating Minable Resource of Coalbed M ethaneCHEN Chun-lin1,LIN Da-yang2(1.T he F ir st Ex plo ration Bur eau of China N ational A dm inistr ation of Coal G eolog y,Beijing100039,China;2.China Nat ional A dministr ation of coal G eo log y,Handan,Hebei056000,China)Abstract:The data of coalbed methane(CBM)contents obtained from coal resource ex ploration can be used to evaluate the CBM and recoverable CBM resources.Based on the characteristics of CBM desorption and coal isotherm al adsorption,the desorption ratio of CBM is obtained through calculating the CBM desorption coefficient.T he critical desorption pressure is estimated based on the relationship of isotherm al adsorption curve to the critical desorption pressure.Then,the recoverable CBM ratio can be calculated in com bination w ith the abandoned pressure of CBM w ell, and then the recoverable CBM resources can be obtained.The result show s that the remnant CBM can’t be recovered out from coal seam.Moreov er,the CBM resources under the condition of the low er lim it of the coal reservoir pressure w ith respect to the depth of CBM w ell is nearly im possible to be mined.Thus,the recoverable potential of the CBM can be reasonably reflected by the CBM resources calculated through the emendation of the desorption coefficient and isothermal adsorption curve.Key words:coalbed methane desorption ratio;isotherm al adsorption curve;recoverable resources收稿日期:20041124基金项目:973计划项目(2002CB211700)作者简介:陈春琳(1962-),女,湖南省浏阳市人,高级工程师,硕士,从事煤田地质和煤层气地质方面的研究.E-mail:chen-chun-lin@ 在煤层气资源的勘探开发中,煤层气可采资源量是保证煤层气资源开发成功与否的重要物质基础;也是确定下一步煤层气勘探开发部署、制定规划、确定投资规模的重要依据.因此,对煤层气可采资源量计算是煤层气勘探工作的一项重要内容.在煤层气资源量计算方面,前人已做了大量的研究工作,如叶建平[1]等计算我国埋深2000m以浅,含气量大于等于4m3/t的煤层气总资源量为14.34万亿m3.高瑞祺[2]等计算我国埋深300～1500m的煤层气远景资源量为27.3万亿m3.等等.在煤层气资源量的计算方法上,考虑到煤层气藏是一种裂隙—孔隙型气液两相、双重孔隙介质的储集类型,气井的动态与常规天然气有明显的不同,所以归纳总结出比较好的4种方法是:容积法、类比法、数值模拟法和产量递减法[3].比较4种计算方法,以数值模拟法和产量递减法较好,所计算的资源量比较接近实际产量;而容积法和类比法所计算的资源量与实际产量存在很大的误差.但前2种计算方法中需要有一定时间的排采数据,而我国目前煤层气勘探开发还处于实验阶段,也即小井网开采试验阶段;目前还没有进入开发中后期的煤层气藏资料.因此,对煤层气资源量计算大多采用容积法,但利用容积法计算的煤层气资源量比较笼统,没有充分考虑煤层气的解吸特性以及煤层气井的产出条件,所计算的资源量实际上是资源的地下聚集量(也即地质资源量),而真正可以被采出地面的只是其中的一部分(也即可采资源量),容积法计算的资源量把不能被采出地面的一部分数量也包含在内了.这样所计算的资源量就会很高,而无效值的比例会过大[4-5],使真正有利的勘探目标的优选变的困难,也给后期的勘探开发部署、制定规划、确定投资规模带来很大的风险.因此,如何将其校正为有效资源(也即可采资源量),是当前我国煤层气勘探开发中的一个重要问题,它已引起了同行专家们的普遍关注,也是国家“973”煤层气项目要解决的问题之一.1 解吸系数法校正我国煤层含气量的测定在时间上跨度较大,在测定方法上也不尽相同.上世纪六十、七十年代主要是采用集气式,测定的煤层含气量数据误差太大,只能作为参考,一般不参与资源量计算.八十年代采用解吸法,其原理和现在的直接法一样,但解吸的时间相对较短,所测的煤层含气量一般都由采样过程中的损失量、自然状态下的解吸量、真空状态下加热粉碎前脱气量、真空状态下加热粉碎后脱气量四部分组成,后两部分也称残余气.进入九十年代,美国的直接测定法已经在我国煤层气含量测定中逐渐采用;所测的煤层含气量是由损失气、解吸气和残余气3部分组成.显然,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,因此在煤层气资源量计算时应除去这一部分气量.对资源量中残余气的影响可以通过计算解吸系数(解吸法测定煤层含气量时,损失量与解吸量之和占总量的百分比)来校正.其公式如下R v=(V1+V2)/(V1+V2+V3)×100%,G v=G i R v,式中:G v为煤层气可解吸资源量,108m3;G i为煤层气地质资源量,108m3;R v为解吸率,%.我国煤田地质勘探中,煤层气解吸法煤层气样数量多,在估算我国煤层气解吸系数时可选择若干刻度区进行解剖,再用类比法得出各煤层气资源量/资源量计算区块的解吸系数.据张群[6]等研究我国煤的残余气含量变化范围为0～3m3/t,残余气的含量在煤层气含量中占的比例为1.5%～30.0%;换言之,煤层气的解吸率变化于98.5%～70.0%之间.2 等温吸附曲线法校正煤层气开发是一项复杂的、多因素及多层次的系统工程.煤层气井的产量除受控于煤层的含气性、煤的吸附-解吸特性以及煤层所处的原始压力系统外,在相当程度上受控于煤层气的钻井、完井和开采工艺,即煤层被打开后储层压力所能降低的程度和压降大小;压降越大,煤层气采收率就越高.因此,经过容积法计算、解吸系数法校正所得的煤层气资源量仍然不是煤层气井可开采出来的气量——可采资源量,还要考虑井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力).与常规储层相比,煤储层属低孔隙度、低渗透率储层.在开采煤层气时,当产层打开后,首先是排水降低储层压力,只有当储层压力下降到临界解吸压力以后,煤层气才能逐渐解吸产出.据傅雪海[7]等研究煤层气临界解吸压力与煤储层的含气量及吸附解吸特性呈函数关系.因此,在缺乏煤层气井生产资料的情况下,利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,然后结合煤层气井的枯竭压力,可以估算出煤层气采收率,进而获得可采资源量.680 中国矿业大学学报 第34卷2.1 等温吸附曲线图解法吸附等温线获得比较容易,现在应用已经比较普遍.我国部分目标区的煤层气参数井均获得了实测含气量、储层压力、等温吸附曲线等资料,从而可根据井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力),通过吸附等温线估算出残余气量,与实际含气量结合起来即可估算出煤层气可采率及可采资源量,见图1.煤层气可采率和可解吸资源量的计算公式如下R f =(C gi -C ga )/C gi ,G g =G i R f ,式中:R f 为煤层气可采率,%;C gi 为原始储层条件下的煤层气含量,m 3/t ;C ga 为废弃压力条件下的煤层气含量,m 3/t ;C g 为原始储层条件下的煤层气可解吸资源量,m 3;C i 为原始储层条件下的煤层气总资源量,m 3.图1 利用等温解吸曲线计算煤层气采收率图解Fig.1 Diag ram fo r estimating the recoverable coalbed methane r atio using t he isotherm adsor ption curv e2.2 等温吸附曲线公式法公式法主要是通过等温吸附曲线计算出煤层气的临界解吸压力、理论最大采收率,进而可估算出煤层气的可采资源量,其计算公式如下:临界解吸压力:P cd =V me P L /(v L -V me )理论最大采收率:G =1-P ad (1+b P cd )/P cd (1+b P ad )或G =1-P ad (P L +P cd )/P cd (P L +P ad )可采资源量:G r =G i G式中:P cd 为临界解吸压力,MPa ;P ad 为可能达到的最低储层压力,即煤层气井的枯竭压力,M Pa;V me 为实测煤层气含量,m 3/t;P L 为兰氏压力,MPa;V L 为兰氏体积,m 3/t;G 为煤层气理论最大采收率,%.值得注意的是,我国现在还仅处于小井网开采试验阶段,目前还没有已经干枯或濒临枯竭煤层气藏资料.在利用等温吸附曲线估算采收率过程中,枯竭压力的采用一般根据美国的经验可降至的最低储层压力为100磅/平方英寸,约为0.7MPa 进行计算.3 实 例选择华北石炭—二叠系聚煤盆地中的平顶山矿区八矿深部、寿阳矿区韩庄及韩城矿区板桥目标区内的主要可采煤层为计算对象,详细分析目标区煤储层的吸附——解吸特征,进行等温吸附试验,获取等温吸附曲线[8](图2～4),分析其试验结果.结合区内的试井资料,计算各目标区主要可采煤层的解吸率、临界解吸压力、采收率及可采资源量(表1).图2 平顶山矿区三9-10、二1煤层等温吸附曲线Fig .2 Isot her m adsorption cur ve of coal seam Ⅱ1andⅢ9-10in Ping ding shan miningdistrict图3 韩城矿区3号、11号煤层等温吸附曲线F ig.3 I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3and 11in Hancheng miningdistrict图4 寿阳矿区3号、15号煤层等温吸附曲线F ig.4 I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3and 15in Shouyang mining distr ict681第5期 陈春琳等:等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用表1 研究目标区主要可采煤层中煤层气可采资源量计算表Table1 Recoverabl e coalbed gas resources of the maj or coal seams in the area studied 计算参数平顶山八矿目标区韩城板桥目标区寿阳韩庄目标区煤层三9二13号11号3号15号煤层埋深/m600～900800～1100500～900600～1000400～600500～700解吸率/%658581.7886.3289.586.2实测含气量/(m3õt-1)8.588.9510.739.511.612.90兰氏体积/(m3õt-1)22.2728.3321.2820.2035.838.51兰氏压力/M Pa 3.48 2.89 1.100.90 1.85 1.97临界解吸压力/M Pa 2.18 1.34 1.120.800.890.99预计枯竭压力/M Pa0.70.70.70.70.70.7预计可采率/%56.5338.2822.88 6.9815.2821.74地质资源量/万M37670013640087500328700181000372800可解吸资源量/万M34985511594071557.5283733.8161995321353.6可采资源量/万M328184.7844381.6316368.4919786.724753.869844.474 结 语煤层气在地质赋存条件和开发技术要求上的特殊性决定了其资源量/储量评价方法的特殊性,特别在资源量计算、采收率计算等方面都有着明显不同于其它矿种的特殊性.我国有丰富的煤层气资源,也已经有不同的全国煤层气资源量预测值.但是,在现有或可预见的不久将来的技术经济条件下,在庞大的资源量预测值中有多少是可被采出的?这是煤层气勘探开发研究中的一个重要的、极待解决的问题.笔者根据解吸率—等温吸附曲线计算煤层气可采资源量的方法还存在着一定的问题,就是计算的临界解吸压力值普遍偏低,临储比很小,可能会导致气井采收率偏低.参考文献:[1] 叶建平,秦 勇,林大杨.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.43-44.[2] 高瑞祺,赵政璋.中国油气新区勘探[M].北京:石油工业出版社,2001.29-36.[3] 李明宅,胡爱梅,孙晗严,等.煤层气储量计算方法[J].天然气工业,2002,22(5):33-34.Li M Z,Hu A M,Sun H Y,et al.T he method forcalculating of coalbed methane reser ves[J].N 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煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用
煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用与常规天然气相比煤层气被吸附在煤层微孔隙的内表面上。
由于煤的微孔隙极其发育具有特别大的比表面每克煤的内表面可达到通过吸附作用煤比常规砂岩具有更高的储气能力。
煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度。
煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面煤层气的吸附能力由煤质、煤阶成熟度、埋藏深度等状态所决定。
等温吸附曲线是指在某一温度条件下以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量吸附气量关系曲线。
因此对等温吸附曲线特征的描述在很大程度上成为煤层气勘探开发决策依据之一。
1等温吸附实验1.1实验原理煤的吸附性是煤的一种自然属性。
煤是一种多孔介质具有很大的比表面积。
由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用气体有被吸附到煤内表面上的趋势这种吸附属于物理吸附符合兰格缪尔单分子层吸附理论。
煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述式中—兰氏体积表征煤具有的最大吸附能力—兰氏压力反映煤内表面对气体的吸附能力。
当压p=pL V=VL VL和pL得。
1.2TerraTek公司IS34g 6823p/V=p/VL+pL VL绘制成以p为横坐标、以p/V归直线方程及相关系数R4V和压力p绘制等温吸附曲线。
1.3煤吸附性能的影响因素煤的吸附性能受煤阶、煤层上覆有效地层厚度H、镜质组含量X、灰分V等的影响Q Ro、煤层上覆有效地层厚度H、镜质组含量X和灰分含量V[1]Q=-1.2803+0.0037+0.005+0.43X+5.9846RoR0.844 3R为相关系数。
分0.8Ro2力区[2],范围主要取决于3等温吸附曲线应用3.1利用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压Lp/(pL+p)则d e!"pdp=tanθ= LpLp+p! "L pLpL453和6L越大L d[d e!"pdp]dpL=dtanθdpL=L(p pL)p+p! "L3 p pL pL pL pL3L34、5和6pL p pL pL低至pLp pL和L L和pLpL越小[3]32利用等温吸附曲线估算煤层气可采特征,线0.7 MPa进行计算。
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。
潘庄煤层气区块15号煤储层物性特征研究
潘庄煤层气区块15号煤储层物性特征研究武杰;刘捷【摘要】煤储层物性特征是影响煤层气开发成效的关键因素,文章基于潘庄煤层气区块地质、煤层气地质及煤层气勘探开发资料,采用煤层气地质理论对该区15号煤储层物性特征进行了研究.结果表明:研究区15号煤储层具有较好的含煤性和含气性,可为煤层气开发提供较好开发对象和气源保障;煤的孔裂隙系统相对发育,煤层渗透性好、渗透率高,有利于煤层气吸附、储集、扩散及渗流;15号煤储层地层能量普遍较弱,煤储层压力为\"欠压\"状态,不利于驱动煤层气高效产出;煤中具有良好的吸附储集煤层气空间,煤对煤层气的吸附能力强、吸附量大,但煤层气解吸速率较低.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2019(028)006【总页数】5页(P1-5)【关键词】潘庄煤层气区块;15号煤层;煤储层物性特征【作者】武杰;刘捷【作者单位】煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048012;易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西太原 030000;中国石油西部钻探工程有限公司井下作业公司,新疆克拉玛依 834000【正文语种】中文【中图分类】P618.131 研究区概况潘庄煤层气区块位于沁水盆地东南部晋城矿区，地理坐标为东经112°24' 00"～112°36'00"，北纬35°40' 00"～35°34' 43"，面积为157.755 km2。
区块内煤系地层相对发育，煤层累计厚度大、可采煤层多，具有良好的含煤性和含气性。
为解决煤层高瓦斯给矿井煤炭开采造成的难题，晋煤集团于20世纪90年代在该区开展了地面煤层气抽采、相关煤层气地质及勘探开发理论方面的研究工作，为我国“采煤采气一体化”的煤与煤层气绿色共采开创出了一条新路[1-2]。
煤层是煤层气的生气层和储集层，具有极强的非均质性，其物性特征不仅影响着煤层气开发技术选择，亦是造成不同煤矿区、不同井田、块段煤层气开发成效的关键之因[3-5]。
煤层气的超临界吸附研究
煤层气的超临界吸附研究摘要：以沁水盆地平衡水煤样的不同组分气体等温吸附实验为基础，通过煤吸附气体动力学过程和吸附量计算理论及方法的分析，对实验结果进行了深入探讨。
认为气体的超临界吸附的高压阶段累计吸附量下降是一个普遍的现象，这是由gibbs的吸附定义引起的“视吸附量”降低，而非“绝对吸附量”下降。
并且指出不同气体组分的竞争吸附作用改变了煤的吸附特性，致使煤的三元混合气体等温吸附曲线没有下降；但同时认为，只要实验条件允许，压力足够高，三元混合气体的吸附曲线也必将呈下降趋势。
关键词：安全技术及工程；超临界吸附；gibbs吸附定义；视吸附量；绝对吸附量一、吸附力和吸附能煤对瓦斯的吸附从本质上说是由煤体表面的原子或离子与气体分子之间的相互作用力引起的。
根据分子热力学和表面物理化学的知识，这些作用力可分为物理作用力和化学作用力。
吸附热较小、吸附速率快、吸附与解吸可逆等证据显示煤吸附气体基本上为物理吸附。
据量子力学理论推导出孤立两原子之间的总势能（lennard-jones势能）数学表达式：（1）式中：c为瞬时偶极—偶极作用常数；b为经验常数；r为两原子中心距离，加式中负号表示吸引。
吸附剂表面吸附很多吸附质分子，吸附系统总势能为：（2）二、等温吸附量的测定原理与计算方法目前测试气体吸附等温线大多采用的是静态容积法。
静态容积法是在恒定温度下，测试吸附前后体系的压力变化来计算获得吸附等温线数据。
其步骤是先通过标定装有吸附剂空间的总体积（通常使用he标定），然后充入定剂量的吸附气体，再测试吸附平衡后的压力。
当充摩的气体进入体积为的吸附空间后，在吸附作用下气体的压力会不断下降，当到达平衡压力时，可以通过气体状态方程或已知实验数据求得这时的气相密度。
虽然无法知道吸附后剩余气体所占的体积，但由于吸附相体积远小于，因此可以利用总体积代替来计算吸附空间剩余的气体量，静态容积法正是利用这个原理来求取平衡吸附量。
（1）还可以得到以下关系式：（2）（3）将式（2）代入式（3）可得：（4）即：，将其代入式（1）可得：（5）吸附相密度等于吸附相分子总量与吸附相体积的比值，即：，代入式（5）得：（6）式（6）中的可称为“绝对吸附量”，它反映了吸附剂上吸附相的真实值；的值是由静态容积法测定并计算得到的吸附量，并非吸附相的真实值，可称为“视吸附量”。
煤层气考试重点(经典)
煤层气是一种在煤化作用过程中形成的、并赋存在煤层中的以甲烷为主的混合气体，也称煤层吸附气、煤层甲烷或煤层瓦斯。
瓦斯是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。
煤层气两种基本成因类型：生物成因和热成因。
生物成因气分为原生生物成因气与次生生物成因气生物气的形成应满足两个条件：一是要有丰富的有机质提供产气的物质基础；二是具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。
控制煤层气化学组成的主要因素：1）煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度2）储层压力3）煤化作用程度，即煤阶/煤级4）煤层气解吸阶段5）水文地质条件壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力.三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性组最低。
同位素的分布特征我国煤层气的δ13C1地域分布总体上体现出不同地质时代构造背景下煤中有机质生烃演化的特点。
δ13C1随最大反射率增高变重，但二者之间的这种正相关关系并非是线性的华北和华南煤层气δ13C1值与全国性规律一致，随煤级增高而变重，东北煤层气δ13C1 值的演化却与此相反，煤级增高，δ13C1值变小，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要控制因素。
临界压力是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度时，气体凝析所需的压力。
高于临界温度，无论压力多大，气体不会液化；高于临界压力，不管温度多少，液态和气态不能同时存在。
溶解度（m3气/m3水）：20℃、1atm下单位体积水中溶解的气体体积，溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（m3/m3·atm）。
溶解度特征：温度对溶解度的较复杂,温度<80℃时,随温度升高溶解度降低;温度>80℃时,溶解度随升高而增加。
甲烷溶解度随压力的增加而增加,低压时呈线性关系,高压时(>10MPa)呈曲线关系;甲烷溶解度随矿化度的增加而减少。
所以在高温高压的地下水中溶解气明显增加。
煤的等温吸附测试中数据处理问题研究
第28卷第2期煤 炭 学 报Vol.28 No.2 2003年4月J OURNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Apr. 2003 文章编号:0253-9993(2003)02-0131-05煤的等温吸附测试中数据处理问题研究张庆玲1,曹利戈2(11煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安 710054;21西安邮电学院基础部,陕西西安 710061)摘 要:通过大量等温吸附实验数据分析,结合多口煤层气勘探试验井的实测气含量、储层压力等资料,分别进行了吸附相体积校正前后纯甲烷气体等温吸附曲线比较,认为不校正吸附相体积的等温吸附实验数据更符合实际情况.吸附相虽然客观存在,但被吸附状态存在的甲烷体积和以自由气体状态存在的甲烷体积相比,吸附相体积要小得多,校正后兰氏体积和兰氏压力比未校正值增加了30%～40%,严重偏离了真实情况.指出了使用校正公式存在的问题,提出了等温吸附实验数据处理方法.关键词:煤;甲烷;吸附;体积;校正中图分类号:P618111 文献标识码:A 煤的等温吸附实验是煤层气测试技术中不可缺少的重要组成部分,其主要目的是确定Langmuir体积、Langmuir压力、等温吸附曲线等技术参数,这些参数在煤层气资源评价开发中起重要作用.煤层等温吸附曲线是描述煤对甲烷气体的吸附能力以及吸附量与压力的关系,它反映煤的储气能力大小,是煤化性质、储层压力、地层温度、煤中矿物质、水分、煤岩组分的函数.等温吸附数据的正确测量和解释,是理解和预测煤层甲烷储层气体生产动态的重要因素,可以估算煤层的含气量,判断煤层的含气饱和度,确定煤层的临界解吸压力,预测在生产过程中降压解吸的可开采量等,为资源量计算、储层模拟、产能预测等方面提供了所需参数.如何得到准确的等温吸附数据,是煤层气测试技术人员一直追求的目标.国内外许多高压容量法测试煤对甲烷的吸附仪器(如美国Reven Ridge Resources,Terratek公司产品),实验过程多采用煤在平衡水分条件下[1]增压法.在每个平衡压力点下,计算吸附量是否需要进行吸附相体积校正,是目前认识分歧较大的焦点之一. 吸附相体积是指在等温吸附实验中,处于被吸附状态甲烷的体积.以被吸附状态存在的甲烷体积和以自由气体状态存在的甲烷体积相比,吸附相体积要小得多.计算吸附量时是否需要体积校正,笔者通过大量的实验数据以及多口煤层气勘探试验井的实测含气量、储层压力等资料,分别进行了吸附相体积校正前、后纯甲烷气体等温吸附曲线的比较,计算了部分煤层的含气饱和度和临界解吸压力,通过对比认为不校正吸附相体积的等温吸附实验数据更符合实际情况.吸附相体积校正后,各压力点下校正值高于未校正值,并且压力越高差值越大.由于每个压力点下得到的吸附量不同,吸附实验得到的各项参数明显不同,兰氏体积和兰氏压力比未校正值增加了30%～40%,严重偏离了真实情况.另外笔者还认为,目前所采用的等温吸附曲线都是用纯甲烷测定的,而没有考虑煤层气中存在的其它气体成分,导致测定的兰氏体积和兰氏压力比实际偏高.而吸附相体积校正后各项参数更高,这样与实际偏差就更大.所以用Langmuir 方程描述煤的等温吸附过程,得到的结果是比较准确的,吸附相体积不应校正,或现使用的校正公式不符合要求.收稿日期:2002-11-17 基金项目:国家“十五”重点科技攻关项目(2001BA605A-07-01)1 吸附相体积校正存在的问题 目前所采用的校正公式最早是J.Sommen[2],D.H.Moffat和K. E.Weale[3]等人提出的,即V a=V G1-ρf/ρs,(1)式中,V a为绝对吸附量,cm3/g;V G为G ibbs吸附量或视吸附量、表观吸附量、过剩吸附量,可通过Langmuir方程求得,cm3/g;ρf为平衡条件下的自由气体密度,可通过实验测出,g/cm3;ρs为吸附气体密度,g/cm3. 采用式(1)进行体积校正前,首先要确定吸附相密度.而吸附相难以直接观测,因此对气体的吸附相认识仍处于理论假设阶段,吸附相气体的密度常用2种方法来估算(Menon,1968):①假设该密度为常压沸点下其液体的密度,在这种情况下,甲烷的密度为01421g/cm3;②当温度高于临界温度时(通常情况下),使用Van der Waals状态方程中的共容积常数,甲烷的密度为01375g/cm3.另外还有一些其它估算方法得出甲烷吸附相密度.采用的甲烷吸附相密度见表1,可见采用的吸附相密度值差别较大.采用不同的甲烷吸附相密度值,计算出的结果也不同,分别利用方法1,2,3,5对同一煤样吸附甲烷数据进行处理,结果见表2、图1.图中曲线说明校正后的结果明显高于未校正值,采用的吸附相密度值越小,校正结果越高.表1 采用不同方法得到甲烷的吸附相密度值T able1 Methane adsorption2phase densityobtained with different methods 方 法相对密度/kg・m-3常压沸点时液态甲烷密度424临界状态甲烷密度163最大压缩状态的气体375理论模型推算(233～333K)150～350利用经验公式590吸附相密度随吸附质和吸附剂的距离变化[4]-表2 采用不同甲烷吸附相密度值得到的吸附参数T able2 Methane adsorption parameters derived fromdifferent adsorption2phase density甲烷密度/kg・m-3兰氏体积V L/cm3・g-1兰氏压力p L/MPa未校正37173119059048178312542455110410237558162414516320917422189图1 采用不同吸附相密度得到的吸附等温线Fig11 Adsorption isotherm derived from differentadsorption2phase density 由表2、图1可知,对同一煤样采用不同的甲烷密度得到的兰氏体积和兰氏压力相差很大.以上采用不同方法得到的甲烷密度都是推测值,并非代表处于吸附相状态甲烷的真实密度,相应校正后的体积也是一个估算值,这样会给试验的计算引进不准确数值. 甲烷密度的物理含义是单位体积的甲烷含量.对同一煤样来说,在等温吸附实验中,每个吸附平衡点压力不同,吸附量大小不同,单位体积甲烷的吸附量不同,即每个吸附平衡点下甲烷吸附相密度不同.对不同煤样而论,从褐煤到无烟煤,对甲烷的吸附能力不同,差异就更大.用同一甲烷吸附相密度来计算,吸附量显然不合理,所以笔者认为,目前采用吸附相校正公式存在问题.由于目前对吸附相认识还很不完善,吸附相虽然客观存在,但吸附相甲烷体积能占多少,每个吸附平衡点甲烷密度怎样计算,还是有待讨论的问题.Ruppe(1974)等发现[5],校正后并不能231煤 炭 学 报2003年第28卷使结果更符合Langmuir 等温线,因为等温吸附的表达式(Langmuir 方程)就是由绝对吸附而导出的.吸附相体积,只是微观现象,是分子间占的体积,与宏观甲烷自由气体体积相比是微不足道的,所以在等温吸附实验中,如果人为的加以校正,会给试验结果带来相当大的误差.如果在进行煤层气资源量评价、储层特征描述、产能预测时,使用有误差的吸附数据,得到的将是有偏差的结果甚至产生错误的结论,势必会影响煤层气的勘探、开发工作.2 校正前、后的等温吸附实验结果比较 由于煤层气的等温吸附实验多数在甲烷的临界温度以上,如果把被吸附的甲烷当作最大压缩极限的气体,通过范德华气体状态方程中体积修正项b 求出甲烷的吸附相密度为375kg/m 3,利用式(1)对不同变质程度煤样的等温吸附结果进行处理,煤样分别采自山西晋城、寿阳、柳林及兴县、淮南新集、河北大城、四川南桐、新疆吐哈等多个生产矿井,校正前、后的Langmuir 参数及相对误差见表3,计算相对误差时把校正后的数据当作真实值. 由表3可知,体积校正前、后Langmuir 参数差异很大,校正后的结果明显高于未校正值.Langmuir 体积随煤级增高相对误差变小,而Langmuir 压力随煤级增高相对误差没有明显变化.表3 不同变质程度煤样体积校正前、后的Langmuir 参数T able 3 Langmuir parameters of coals in different ranks before and after volume correction样 品Langmuir 体积/cm 3・g -1校正前校正后相对误差/%Langumir 压力/MPa校正前校正后相对误差/%褐煤1116417133-32183711911130-361371512825154-401181110119109-42132长焰煤1812726147-3019861479191-341711417822121-33147713511163-361761912426122-2616241346130-31111气煤1913426112-26100613311172-451991819925189-2616541366143-32119肥煤1714123124-2510931394187301391917327158-281463102419038137焦煤2813237128-2410431915158-291872411031156-2316431495102-30148瘦煤3514545179-2215811702167-36133贫煤3512345152-2216011442135-381503116740158-2119611632155-36108无烟煤4417457187-2216921583177-311533918751145-2215121523176-321983 校正前、后的等温吸附实验结果的实例分析 根据煤层气参数井取得的实测含气量、储层压力、纯甲烷气体等温吸附曲线等资料,计算部分煤层的含气饱和度和临界解吸压力,发现有些矿区的煤储层实测饱和度和临界解吸压力很低,临储比很小,导致气井采收率较低.根据这些参数评价这些矿区都没有实际经济开发意义,但煤层气试验井的排采资料表明,气井的实际临界解吸压力要高于根据等温吸附曲线所计算的值.如某煤层气试验井,液面降到85m 处时就开始产气,上煤组深度为532m ,实际临界解吸压力为4147MPa ,要比计算的临界解吸压力高得331第2期张庆玲等:煤的等温吸附测试中数据处理问题研究多,见表4.表4 某煤层气试验井煤储层参数与体积校正前、后数据的比较T able 4 Coal reservoir parameters and d ata comparison before and after volume correction of a coal 2bed gas test w ell 样品编号储层压力/MPa 临界解吸压力/MPa 实测校正前校正后含气量/m 3・t -1实测校正前校正后含气饱和度/%校正前校正后15185313031152160617081821012075196651692615541475100219571037196111208813262177图2 体积校正前、后某试验井煤储层参数的对比Fig 12 Coal reservoir parameters comparison of a test well before and after volume correction 寿阳HG -6井和屯留TL -003井也有类似情况.图2为北方某煤层气试验井实测数据与纯甲烷气体等温吸附曲线,体积校正前、后与实际临界解吸压力和含气饱和度比较,图中试验井的原始储层压力为6155MPa ,实测临界解吸压力为4147MPa ,校正前临界解吸压力为5100MPa ,校正后临界解吸压力为2195MPa.试验井的实测含气量为7103m 3/t ,校正前理论含气量为7196m 3/t ,校正后理论含气量为11120m 3/t. 由表4、图2可以看出,校正前的数据与气井的实际临界解吸压力和实测含气量比较接近,而校正后的数据与实际情况偏差就很大.4 结 语 在等温吸附实验中,由于目前对吸附相认识还很不完善,吸附相虽然客观存在,但吸附相甲烷体积能占多少,每个吸附平衡点甲烷密度怎样计算,还是有待讨论的问题.甲烷吸附相密度在整个等温吸附实验过程中为一变值,如果人为的加以校正,会给试验结果带来误差.结合多口煤层气勘探试验井的实测气含量、储层压力等资料,笔者认为,目前所采用的等温吸附曲线都是用纯甲烷测定的,而没有考虑煤层气中存在的其它气体成分,已导致测定的兰氏体积和兰氏压力比实际偏高.而吸附相体积校正后各项参数更高,这样与实际偏差就更大. 煤是一种多孔介质,具有很强的压缩性,压力增高煤的体积减少,等温吸附实验多采用增压法,整个实验过程压力从1MPa 增至15MPa ,煤的体积会随着减少.如果只考虑吸附相存在煤的体积增加,忽略了使煤体积减少的其它因素影响,势必给试验结果带来误差.总之,在吸附实验中煤的体积有增有减,增加和减少的体积是相互抵消的,是一方大于另一方,还是均可以忽略,这些问题都有待于进一步探讨.鉴于目前的状态,笔者认为用Langmuir 方程描述煤的等温吸附过程,得到的结果是比较准确的,吸附相体积不应校正.参考文献:[1] 张庆玲.煤储层条件下水分———平衡水分测定方法研究[J ].煤田地质与勘探,1999,26(4):25～27.[2] S ommen.Chemical structure and properties of coal Ⅶ2sorption capacity for methane [J ].Fuel ,1995,34:344.[3] Moffat D H ,Weale K E.S orption by coal of methane at high pressure [J ].Fuel ,1955,43:449.[4] K atsuyuki Murayta ,Mustapha Ei -Merraoui.A new determination of absolute adsorption isotherm of supercritical gasesunder high pressure with a special relevance to density -function theory study [J ].Journal of Chemical Physics ,2001,14(9):4196～4205.431煤 炭 学 报2003年第28卷[5] 钱 凯,赵庆波,汪泽成.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术[M ].北京:石油工业出版社,1996.作者简介: 张庆玲(1962-),女,山西芮城人,高级工程师,1983年毕业于山西大学化学系,主要从事煤系共伴生矿产开发利用和煤层气的研究试验工作,先后参加国家“九五”、“十五”重点科技攻关等科研项目10余项,发表“由等温吸附热来揭示煤吸附甲烷能力的本质”等论文10余篇.Tel :029-*******,E -mail :qqzhang333@etang 1com.Study of data processing in coal sorption isotherm testingZHAN G Qing 2ling 1,CAO Li 2ge 2(1.Xi ’an B ranch ,Chi na Coal Research Instit ute ,Xi ’an 710054,Chi na ;21Basic Education ,Xi ’an Instit ute of Posts andTelecom m unications ,Xi ’an 710061,Chi na )Abstract :Based on experiment data analysis a large number of sorption isothermal tests and combined with the data of field gas content measurement and reservoir pressure tests from many coal 2bed gas exploration wells ,it is completed that a curve comparison of sorption isotherms of pure methane before and after volume correction.The result indicated that the sorption isotherm experimental data ,not corrected for volume in sorption volume ,are more reliable.Although the sorption phase really exists ,the methane volume in sorption state is more less compared with it in free state ,and the data of Langmuir volume and Langmuir pressure after correction are larger than 30%～40%,which deviate from reality seriously.Based on above stated it is pointed out that the problems exist in current used correction formula and presented a data processing method for sorption isotherm tests.K ey w ords :coal ;methane ;sorption ;volume ;correction煤矿有望告别大气污染 今年启动的“西气东输”工程,主要是输送新疆塔里木地区的常规天然气,同时也将给长期徘徊不前的煤层气开发带来生机.目前已经勘探出的一批大型煤层气田和有利开发区块,包括山西河东煤田、沁水煤田、安微淮北矿区等,恰好位于规划中的“西气东输”管线附近,可以为管线提供可观的补充气源,煤层气开发也将借此迅速形成产业规模. 在我国这个世界上最大的煤炭生产国,煤矿的大气污染是一个令人头疼的难题.我国有44%的煤矿属于高瓦斯或瓦斯突出,每年因采煤向大气排放的甲烷约占世界总量的1/3,甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍.专家指出,煤层气开发的环保意义不亚于大江、大河和汽车尾气的治理.其实,这种煤层气是近一二十年在国际上崛起的洁净能源,可以与常规天然气混输、混用,我国储量居世界第3位.随着煤层气开发曙光初露,煤矿污染大气的历史有望重写.(摘自“中煤网”)531第2期张庆玲等:煤的等温吸附测试中数据处理问题研究。
贵州织金地区龙潭组煤层等温吸附特征研究及应用_丁安徐
黔西地区成煤后期（主要是燕山和喜山期）煤系 地层经受多次构造运动，构造煤发育[5，6]。典型的如 6 号煤，区内基本为粉煤。其他主力煤层，虽然在一些 部位受局部构造影响，发育碎块和粉煤，但在区内以 块煤为主，宏观煤岩类型多为光亮煤，煤岩成分以亮 煤为主，断口参差状，性硬脆，易破碎，呈碎裂结构， 内生裂隙发育，割理垂直方向延伸性差，割理缝呈闭 合状，未见充填物，黄铁矿在局部富集呈透镜体状。
很弱，矿物质通过影响煤的有机质含量和有机质结 构来影响煤的吸附能力。通过对区内煤样的分析， 试验结果表明，随矿物含量的增加，兰氏体积和兰氏 压力均呈减小趋势，呈负相关性，但离散性较强。煤 中矿物质的存在，降低了煤中吸附气体的有机物质 含量，同时还堵塞一些微孔隙，造成煤吸附气体的有 效比表面积减少，使兰氏体积减少，吸附能力降低。 另外矿物质的存在还影响煤内表面上气体的解吸和 吸附作用，使兰氏压力发生变化，当矿物含量增高 时，兰氏压力减少。
收稿日期：2011-03-09。 第一作者简介：丁安徐（1982—），男，工程师，非常规油气实验研究。
第3期
丁安徐，等.贵州织金地区龙潭组煤层等温吸附特征研究及应用
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研究区位于扬子板块西段，晚古生代至中新生 代，历经海西、印支、燕山和喜山等多旋回构造运动， 研究区内的沉积相类型主要为三角洲相和潮坪相， 龙潭组煤层发育 。 [5] 区内可采及局部可采煤层有 6 号、7 号煤层等 10 层，其中，6 号和 16 号煤层是所在井 田的主要可采煤层，二者储量之和占井田总储量的 42.5%；其次是 7、23、27 号煤层只在局部不可采。
Research and application of isothermal adsorption characteristics of the coal beds of Longtan formation in Zhijin, Guizhou
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煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用
与常规天然气相比煤层气被吸附在煤层微孔隙的内表面上。
由于煤的微孔隙极其发育具有特别大的比表面每克煤的内表面可达到通过吸附作用煤比常规砂岩具有更高的储气能力。
煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度。
煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面煤层气的吸附能力由煤质、煤阶成熟度、埋藏深度等状态所决定。
等温吸附曲线是指在某一温度条件下以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量吸附气量关系曲线。
因此对等温吸附曲线特征的描述在很大程度上成为煤层气勘探开发决策依据之一。
1等温吸附实验1.1实验原理煤的吸附性是煤的一种自然属性。
煤是一种多孔介质具有很大的比表面积。
由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用气体有被吸附到煤内表面上的趋势这种吸附属于物理吸附符合兰格缪尔单分子层吸附理论。
煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述式中—兰氏体积表征煤具有的最大吸附能力—兰氏压力反映煤内表面对气体的吸附能力。
当压
p=pL V=VL VL和pL
得。
1.2TerraTek公司IS3
4g 68
2
3
p/V=p/VL+pL VL
绘制成以p为横坐标、以p/V
归直线方程及相关系数R
4V和压力p绘制等温吸附曲线。
1.3煤吸附性能的影响因素煤的吸附性能受煤阶、煤层上覆有效地层厚度H、镜质组含量X、灰分V等的影响Q Ro、煤层上覆有效地层厚度H、镜质组含量X和
灰分含量V[1]
Q=-1.2803+0.0037+0.005+0.43X+5.9846RoR0.844 3R为相关系数。
分
0.8
Ro
2
力区[2],范围主要取决于
3等温吸附曲线应用3.1利用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压
Lp/(pL+p)则d e!"pdp=tanθ= LpLp+p! "L pL
pL453和6L越大
L d[d e!"pdp]dpL=dtanθdpL=L(p pL)p+p! "L3 p pL pL pL pL
3L34、5和6pL p pL pL
低至pL
p pL和L L和pL
pL越小[3]32利用等温吸附曲线估算煤层气可采
特征,线
0.7 MPa进行计算。
首先通过兰格缪尔方程,根据实测含气量可计算出临界解析压力pcd=VmepL/(VL-Vme)理论最大采收率为
η1-pad(pL+pcd)/pcd(pL+pad)
Gr Giη以上各式中:V p为储层pL VL pcd pad为煤层气井的枯竭压VmeηGi Gr为可采资源量[45]。
4结1
2
曲线形态分析发现气产量不仅与煤储层压力p pL和VL VL和pL
pL3。