第五章_煤层气储层压力、吸附、解吸特征
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。
煤层气产出过程
第五章煤层气产出过程煤层气井的排采过程与常规天然气井显然不同，通常具有一个产气高峰期。
这种差异，起源于煤层气主要以吸附状态赋存。
第一节主要内容：在煤层气开采初期一般要进行“脱水”处理，即所谓的“排水降压”过程，目的是诱导煤层气的解吸、扩散、渗流作用由高势能方向往低势能方向连续进行。
一、煤层气流动机理煤层气产出包括三个相互联系的过程，即解吸、扩散与渗流。
地下水的采出使煤层气压力降低。
当煤层压力降低到一定程度时，煤中被吸附的气体开始从微孔隙表面分离，即解吸。
解析气浓度在解吸面附近较高，在裂隙空间中较低。
因此，煤层气会在浓度梯度的驱动下，通过孔隙—微裂隙系统向裂隙空间扩散。
在煤层中，可能有三种扩散机理：以分子之间相互作用为主的体积扩散，以分子—表面相互作用为主的Knudsen扩散，基质表面的吸附气层表面扩散。
按照煤层中发生的物理过程，煤层气产出相继经历了三个阶段：第一阶段，水的单相流。
在此阶段，煤层裂隙空间被水所充满，为地下水单相流动阶段。
第二阶段，非饱和单相流。
这一阶段，裂隙中为地下水的非饱和单相流阶段，虽然出现气—水两项阶段，单只有水相才能够连续流动。
第三阶段，气—水两相流。
随着储层压力下降和水饱和度降低，水的相对渗透率不断下降，气的相对渗透率逐渐升高。
最终，在煤层裂隙系统中形成了气—水两相达西流，煤层气连续产出。
上述三个阶段在时间和空间上都是一个连续的过程。
随着排采时间的延长，第三阶段从井筒沿径向逐渐向周围的煤层中推进，形成一个足以使煤层气连续产出的降压漏斗。
二、煤层气开采过程原始地层条件下，煤层及其围岩中地下水一般较多，储层压力大致等同于水头压力，气体在压力作用下吸附于煤层中。
当排水使储层压力降至临界解吸压力之后，煤层气开始解吸，并通过扩散进入裂隙系统产生流动。
1、煤层气井排水阶段煤层气井的排水阶段主要取决于临解比（临界解吸压力与储层压力之比）和煤层渗透率。
临解比大，所需的压降幅度就大，排水量多，排水时间相对较长。
第5章 煤层气藏形成条件及特征
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（2）水压向斜型煤层气富集区：一般为中小型盆 地，这类气藏位于盆地内构造向斜部位，是由于大气水 的渗流受阻形成异常高压，阻止气体向外扩散、渗流而 聚集成藏；
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（3）气压向斜型煤层气富集区：是指在盆地深部， 煤生成的气体的扩散速率小于聚集速率，形成气压单斜 气藏。具有埋深大、渗透率低的特点，是深盆气的一种。
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（2）中煤阶煤层气藏
多数为深成变质作用的结果，一般不存在二次 变质作用。
如山西河东煤田、美国的Piceance盆地、 SunJuan盆地。
此类煤层气藏以含气量较高、储层渗透性好为 特征。
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（3）低煤阶煤层气藏
低煤阶煤层气藏可区分为两类：
① 未成熟低煤阶煤层气藏
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（1）高煤阶煤层气藏
一般情况下高煤阶煤层气藏都存在二次变质作用。 先期发生了正常古地温下的深成变质作用和与之伴随 的第一次生烃；之后在区域岩浆热作用之下发生了第 二次变质作用，使得煤阶增高并发生第二次生烃。
此类煤层气藏以煤的吸附能力强、含气量高、渗 透性较差为特征，如山西沁水盆地东南部、宁夏二道 岭煤层气藏。
（2）赵庆波等（1996）根据构造和水动力提出了 四种煤层气藏类型：压力封闭气藏、承压封堵气藏、顶 板网络微渗滤水封堵气藏和构造圈闭气藏，该分类方案 侧重于水动力影响，对其精他选版控课件气ppt 地质因素考虑不周。15
（3）孙平等（2007）以压力为主线、结合边界类 型及煤层气藏自身的构造特征，提出了一套煤层气藏分 类方案：
孙平（2007）在借鉴国外煤层气成藏条件的基础上， 结合我国煤层气藏的研究，认为煤层气成藏条件包括： 含气性、吸附特征、煤阶储层物性、压力、封闭条件、 煤层空间展布等。
煤层气实验四煤储层的解吸特征
实验四 煤层气的解吸特征一、实验目的掌握解吸法测试煤层气含量的方法；掌握损失气（逸散气）的推算方法；掌握吸附时间的计算方法。
二、实验内容1、逸散气量（损失气量）的推算逸散气量（损失气量）与取心至样品密封解吸罐中所需时间有关，取心、装罐所需时间越短，则计算的逸散气量（损失气量）越准确。
当逸散气量（损失气量）不超过总含气量的20%时，直接法所测的含气量比较准确。
解吸气和逸散气（损失气量）是煤层气的可采部分，因此准确测定逸散气（损失气量）至关重要。
美国矿业局采用的直接法计算逸散气的理论依据是：煤体内的空隙是球形的，且孔径的分布是单峰的，气体在孔隙中的扩散是等温的且服从菲克第一定律，所有孔隙中气体的初始浓度相同，球体的边界处浓度为零。
则解吸最初几个小时释放出的气体与解吸时间的平方根成正比，总的解吸量可由下式表示：01t t a V V ++=总式中：总V —总解吸量，ml ；1V —逸散气量，ml ；a —系数；t —解吸罐解吸时间，min ；0t —逸散时间，min 。
令0t t T +=，则上式写为：aT V V +=1总其中实测解吸气量aT V =2。
由此在解吸气量与时间的平方根的图中（一般取前10个点），反向延长到计时起点，即可估算出逸散气量（图4-1）。
图4-1 逸散气量的估算直接法的计时起点与钻井液类型有关，对于气相或雾相取心，假设取心筒穿透煤层即开始解吸，损失时间（逸散时间）为取心时间、起钻时间和样品到达地面后密封在解吸罐中之前时间的总和。
对于清水取心，假设当岩心提到距井口一半时开始解吸，这种情况下，损失时间为起钻时间的一半加上地面装罐之前的时间。
2、吸附时间的计算吸附时间通常由煤样的自然解吸实验（美国的直接法）来确定。
1）计算累计达到总解吸气量的63.2%时所对应的气体体积V 63.2%=总解吸气量（STP ）×63.2% 2）计算累计达到总解吸气量的63.2%时所对应的时间在煤样的自然解吸实验中找到该样品累计达到总解吸气量的63.2%时所在的时间区间t 1和t 2，其所对应的累计解吸量为V t1和V t2，则：121%2.63121)(t t t V V V V t t t --⨯-+=τ三、实验报告根据煤样的自然解吸实验（美国的直接法，表4-1，煤层段为清水钻进）推算损失气（逸散气）含量和计算吸附时间。
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响
煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响摘要：本文旨在探讨煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征的影响。
通过实验研究，结果表明，煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征具有重要意义，主要体现在以下几个方面：1）小粒径煤体表面纳气（吸附）能力强，对于吸附和解吸有重要影响；2）煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量会影响煤层气的产出特征；3）气体流动性能与孔隙尺寸大小有关；4）煤体的结构特征会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
本文研究结果为开发煤层气提供了理论基础。
关键词：煤体结构；煤层气；吸附-解吸；产出特征正文：煤体结构是影响煤层气吸附-解吸及产出特征的重要因素，通常由煤体的外部特征（如结构类型、粒度、水分含量等）和内部特征（如孔隙径、孔隙空间结构和气体流动性能等）两个方面来描述。
1. 对于煤体的小粒径，表面积比大粒径煤体更大，可以有效地提高吸附和解吸能力。
实验证明，当粒径小于0.05mm时，煤体的吸附-解吸特征变化较大。
2. 煤体的结构类型、孔隙侵蚀和水分含量均会影响煤层气的产出特征，孔洞类型越多越复杂，产出率越高；水分含量越高，煤体的渗透性越强，可以有效降低煤层气的产出。
3. 气体流动性能与孔隙尺寸大小有关，孔隙尺寸小时，气体流动受到阻碍，影响煤层气的产出。
4. 最后，煤体的结构特征会影响气体的分布，同时也会影响煤层气的吸附-解吸及产出特征。
结论：煤体结构对煤层气的吸附-解吸及产出特征具有重要意义，因此，我们在建立煤层气模型和研究煤层气资源开发时应将其作为一个重要参考因素。
本文还探讨了另外两个因素对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响，即压力和温度。
在实验条件下，压力的升高会增加吸附量，但也可能减少吸附特性的稳定性；温度的升高会提高解吸速率，从而改变吸附-解吸平衡点。
此外，随着温度的升高，气体的渗透度也会增加，结果会促进分布均匀的气体流动。
同时，压力和温度也会直接影响煤层气的产出。
实验研究表明，在某些情况下，随着压力的降低，煤层气的产出会减小，而温度的升高会提高煤层气的产出。
不同含水及负压条件下煤层气等温吸附解吸规律
不同含水及负压条件下煤层气等温吸附解吸规律
煤层气等温吸附解吸规律是关于不同含水及负压条件下煤层气的吸附
解吸特性的一种定律。
它对于评价煤层气储层的渗流效率，及其与藏
层岩性特征的关系有着重要作用。
下面结合NSLQ（模型名称）等模
型分述煤层气等温吸附解吸规律:
1、吸附等温规律：煤层吸附容量随着负压和含水量的变化而变化，如果负压趋于0且/或含水量较高，煤层气会有较大的吸附容量；而负压
较大或含水量较低，煤层抽取的气体会减少，从而使吸附容量减少。
2、解吸等温规律：煤层气的解吸规律与吸附规律类似，当负压较大时，煤层气抽取容量会减少，而当负压趋于0且/或含水量较高时，煤层气
抽取容量会增加。
3、NSLQ模型等温规律：NSLQ模型研究发现不论是吸附还是解吸，
当当温度较高时，煤层气的吸附容量和解吸容量会增加，当温度较低时，吸附容量和解吸容量会减少。
4、煤层气吸附解吸动态变化：煤层气蕴藏储层的吸附和解吸是动态的，随着负压的变化，会造成吸附解吸状态的变化，负压较大时让煤层吸
附状态越来越强烈，而负压趋于0时驱动煤层气向外释放。
5、含水率、负压与吸附解吸：煤层气吸附解吸受负压和含水量影响较大。
上述模型研究表明，当含水量低时，煤层气吸附容量减少；负压越大，煤层气的吸附量越强；当含水量较高时，煤层气获取的吸附量和解吸量增加。
以上就是关于不同含水及负压条件下煤层气等温吸附解吸规律的相关研究内容，可以帮助我们更好的理解煤层气的储量及渗流能力，提高煤层气藏层的开发利用效率。
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：
煤的吸附解吸曲线
煤的吸附解吸曲线通常指的是煤对气体（如甲烷）的吸附和解吸过程中的关系曲线。
这些曲线可以用于了解煤储层中甲烷的吸附和释放行为，这对于煤层气的开发和利用具有重要的意义。
煤的吸附解吸曲线通常包括以下关键参数和特性：
1. 吸附等温线：
- 描述在特定温度下，煤对气体的吸附量随着气体压力的变化而变化的曲线。
这反映了煤对气体的吸附能力。
2. 解吸等温线：
- 描述在特定温度下，已吸附的气体在气体压力减小的情况下从煤中解吸的曲线。
这反映了储层中甲烷的释放行为。
3. 吸附解吸等温线的斜率和形状：
- 吸附解吸等温线的斜率和形状反映了煤与气体相互作用的强度和方式。
曲线的形状和斜率的变化可以提供关于储层中气体吸附和解吸机理的信息。
4. 临界吸附压力：
- 描述气体在特定温度下开始吸附的最低压力。
这对于了解气体在储层中的启动吸附条件很重要。
这些曲线通常在实验室条件下通过吸附解吸实验测定。
研究煤的吸附解吸曲线有助于了解煤层气的形成、储存和释放机制，为煤层气资源的勘探和开发提供科学依据。
需要注意的是，实际煤层气储层的吸附解吸行为受到多种因素的影响，包括煤的孔隙结构、温度、压力等，因此煤层气勘探和开发中还需要考虑更多的地质和工程因素。
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第四章 煤储层的解吸特征
一、解吸量与解吸率
解吸率：损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比。
解吸量：损失气量与现场两小时解吸气量之和， 即解吸率与该深度下实际含气量的乘积。
二、吸附时间
定义为实测பைடு நூலகம்吸气体体积累计达到总解吸气量 （STP：标准温度、压力）的63%时所对应的时间。
吸附时间与产能达到高峰的时间有关，与煤层气长期的产能 关系不密切。吸附时间短，则煤层气井有可能在短期内达到产 能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于气井的长期稳产。
p ad
pad
实测饱和度:实测含气量与实测储层压力投影到吸附等温
线上所对应的理论含气量的比值。
S实=V实/V
V=VLP/(P+PL)
V实—实测甲烷含量； S实—含气饱和度。 V—理论含气量，m3/t VL—Langmuir体积，m3/t；
PL—Langmuir压力，MPa；；
P—煤储层压力，MPa；
40 35 30 y 2 = -6.5863 x + 61.122 r = 0.97
VL,daf／m 3 . t-1
25 20 15 10 5 0 0 1 2 3
y 1 = 7.9593 x + 3.9913 r = 0.89 4 5 6 7 8 9
R o ， max ／％
第三节 等温吸附曲线的应用
C D A Fv 恒 温 水浴 B
加湿器
水 浴 温度 显 示 器 数 据 采 集 系统
四、多相介质煤岩体的吸附特征
（一） 气相多组分吸附特征
Q/cm ·g 24 16 8 0 0 6 12 18 p/MPa 24 30
3 -1
CH4 +CO2 +N2
CO2 CH4 +CO2 CH4 CH4 +N2 N2
2、地应力
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
Gw p =h·
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
吸附方式：物理吸附，范德华力
吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论
一、朗格缪尔理论
Vm bp VL p abp V 1 bp 1 bp p p L
VL或Vm或a—最大吸附量；
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 p / MPa 8 10 12 42号煤样 30℃ 40℃ 50℃
第五章 煤储层 压力及吸附/解吸特征
第一节 煤储层压力 第二节 煤储层的吸附特征 第三节 等温吸附曲线的应用 第四节 影响煤的吸附性因素 第五节 煤储层的解吸特征
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
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。
第二节 煤储层的吸附特征
一、理论饱和度或实测饱和度
含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水 分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力 的比值。 理论饱和度:实际含气量与兰氏体积之比值 S理=V实/VL
S理—理论饱和度，%；
V实—实测含气量，m3/t；
吸附等温线: V=ＶＬＰＬ/（P+ＰＬ）
Ｖ/Ｐ＝Ｖ/ＰＬ＋ＶＬ/ＰＬ
%，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。
超压——煤层气井喷
三、储层压力的地质控制
1、埋深
12 11 10 9
储层压力/MPa
线性 ( 实测压力) 线性 ( 正常压力)
8 7 6 5 4 3 2 500 600 700 800 煤层埋深／m y = 0.0114x - 1.4369 r= 0.8214 900 1000 1100
（二） 多相介质的吸附特征
1、煤对水和单组分气体CH4的吸附
14 12 10
VL ,daf / m3 t -1
8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 p /MPa 5 6 7 Mad=0.00% Mad=0.56% Mad=1.26% Mad=2.08% Mad=2.66% Mad=5.10%
2、平衡水条件下煤对CH4的吸附特征
我国部分矿区煤层甲烷平均解吸量统计结果
矿区 铁法 辽河 靖远 窑街 韩 城 淮南 新集 徐州 峰峰 潞 安 晋 城 霍 州 恩 洪 地层 时代 K1 E J1+2 J1+2 P1 C2 P2 P1 P2 P1 P1 C2 P1 C2 P1 C2 P2 P2 煤 1,2 3 11 13-1 11-2 2 2 3 15 3 15 2 10 9 15 煤 层 编 号 12 反射率 （%） 0.56 0.54 0.92 0.64 2.12 2.28 0.87 1.04 1.16 2.26 1.86 1.92 4.35 4.32 1.43 1.53 JM ,SM JM 解吸量（cm3/g） V1+V2 1.96 1.78 1.90 0.39 5.62 2.37 1.59 1.43 1.36 2.93 4.48 3.96 3.79 7.05 1.23 1.46 5.76 5.59 总量 5.23 7.86 6.38 4.26 9.67 4.39 5.40 5.15 4.82 6.53 12.51 11.81 14.24 18.46 5.60 5.00 10.82 10.63 解吸率 （%） 37.5 22.6 29.8 9.10 54.0 59.0 29.4 27.8 28.2 44.9 35.8 33.5 26.6 38.2 22.0 29.2 53.2 52.6 样本数 123 2 42 3 1 2 12 14 16 6 61 14 105 90 4 4 5 9
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 同承担
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
12 10
t -1 VL ,daf / m 3 ·
t -1 VL ,daf / m 3 ·
8 6 4 2 0
VL 、PL——朗格缪尔体积
和压力，PL等于1／b
二、 平衡水等温吸附实验
IS-100型气体等温吸附/解吸仪
到色谱仪 氦或 甲 烷 气源
压力 传 感 器 过 滤 器 温度 探头 Sc T 煤样
吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和
二、临界解吸压力
临界解吸压力：指在等温曲线上煤样实测含气量所对 应的压力。
V实 PL Pcd VL V实
临储压力比：临界解吸压力与储层压力之比。
三、理论采收率
Pad ( PL Pcd ) 1 Pcd ( PL Pad )
Pad—枯竭压力 （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） ）