4 储层压力与吸附性

流体的渗流通道有影响，降低了煤储层的渗透率，也就
影响到产气量。 因此，煤层气开采应选择应力小的区域和储层压力高
的区域。
注： 我国晚古生代、中生代煤储层为无水煤层或 弱含水煤层，只有新生代个别煤层为含水层，试 井方法以水流体为载体得出的煤储层压力，很难 反映我国煤储层压力的全貌，因为煤储层压力中
包括水压和气压，对应于煤储层三元结构系统，
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。
煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大， 介于1.2~13.4kPa/m之间，抚顺矿区的气压最低，天府 矿区的气压最高。气压高低与煤层含气饱和度、煤层 风化带的深度有关。
储层压力状态是按>、=或<淡水静水压力梯度来判 定的。因此，地下水矿化度是影响储层压力状态的重
要因素：
地下水矿化度越高其比重越大，在相同的压力水 头高度下，高矿化水比低矿化水的水头压力要大。因
此，在封闭、滞流、地下水补排条件较差的高矿化度
水分布区段，往往出现储层压力的高压异常状态。
4、煤层气（瓦斯）压力
3、吸附势理论
Vo—微孔体积，m3/g ； β—吸附质的亲和系数； K—与孔隙结构有关的参数； R—普氏常数，8.314J/(mol*K)； Po—实验温度下吸附质的饱和蒸汽压力； T—平衡温度，K； p —吸附平衡时的气体压力，MPa；
二、 平衡水等温吸附实验
IS-100型气体等温吸附/解吸仪
时也可为完井工艺提供重要参数。
煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括上覆岩 层静压力、静水柱压力和构造应力。
1、开放体系 煤储层渗透性较好并与地下水连通。 孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压力，即 储层压力=静水压力。 2、封闭体系 若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体被封闭而 不能自由流动。 储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，这时储层 压力=上覆岩层压力。 3、半封闭体系 在煤储层渗透性很差且与地下水连通性不好的条件下， 由于岩性不均而形成局部半封闭状态。 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担： σV＝P＋σ σV—上覆岩层压力，MPa；P—煤储层压力，MPa； σ—煤储层骨架应力，MPa。
实际上存在三级压力场。
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
G p =h· w
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
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
单组分和多组分混合气体等温吸附曲线
（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
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
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；
吸附状态：过饱和，饱和，欠饱和
说明： 1）理论饱和度为100%时，则为气饱和储层；<100%时， 则为欠饱和储层；>100%时，则为过饱和储层，说明 煤储层内存在较多游离态和水溶态气体。 2）实测饱和度的可靠程度虽然远高于理论饱和度，但
第三节 等温吸附曲线的应用
在煤层气研究工作中，煤的等温吸附曲线 主要应用于以下三方面： 1、确定煤储层中的煤层气临界解吸压力； 2、估算煤储层的理论含气量和确定煤层气 的饱和状态； 3、预测煤储层在降压解吸过程中煤层气的 采收率或可采资源量。
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。在实 际操作中，常用吸附气饱和度来近似表示煤储层含气饱和 度。应当指出：等温吸附曲线和煤层含气量均应校正为干 燥无灰基，才能进行对比。
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%
不同含水条件下的CH4等温吸附曲线
2、煤级变化对CH4的吸附特征
60
50
40
a值/cm .g
3
-1
30
20
10
0.5
2、地应力
构造应力增加，有利于煤储层压力的保持，但往 往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压以及煤层 气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤 为如此。总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高 产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集。 不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔 裂隙被压缩，体积变小，储层压力变大；当地应力变小， 孔裂隙体积变大，储层压力则变小。因此，地应力与储 层压力存在相关性。
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
C D A Fv 恒 温 水浴 B
加湿器
Hale Waihona Puke 水 浴 温度 显 示 器 数 据 采 集 系统
IS-100仪器结构框图
三、等温吸附曲线类型
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
V
p
气体在固体表面上吸附等温线的不同类型
四、多相介质煤岩体的吸附特征
（一） 气相多组分吸附特征
不同煤级煤的平衡水样最大吸附量与Ro,max的关系
认识：
1）对于干燥煤样，随煤级的增高，朗缪尔体积分别 在R0 max 1.3%和1.5%附近达到极小值和极大值，具有“三段
式”的演化模式，至无烟煤中-晚期阶段吸附性消失。
2）平衡水条件下，朗缪尔体积仅在R0max为4.5%附近 达到最大值，实际呈现为“两段式”演化模式。这一发现， 为合理评价煤储层的吸附性与含气性提供了重要科学依据。
Pad ( PL Pcd ) 1 Pcd ( PL Pad )
Pcd—临界解吸压力； Pad—枯竭压力，约为0.7MPa
我国部分矿区煤层气实测饱和度及临界解吸压力
矿区 韩城 铁法 峰峰 阳泉寿阳 淮南谢李 大城 开滦 淮北芦岭 平顶山 煤层 3 5 13,14 2 3 15 13 4 5,8,9 8,9 二1 煤层埋 深 /m 630 662 824 580 436 553 750 1190 800 610 900 含气量(m3/t) 实测 10.37 4.72 8.85 9.83 10.12 9.54 14.88 13.67 4.64 13.31 6.87 饱和 21.2 19.2 32.4 26.3 21.7 21.4 20.9 16.4 10.0 20.2 24.4 实测饱和 临界解吸压力 Pcd/MPa 度/% 48.9 24.6 27.3 15.8 46.6 44.6 62.3 83.3 46.4 65.9 28.2 1.2 0.8 0.51 0.77 1.04 0.96 1.03 6.51 0.5 5.98 1.74 理论采收率 /% 31.22 10.24 0 6.7 24.0 20.6 27.9 70.2 0 76.5 51.7
Vm bp VL p abp V 1 bp 1 bp p p L
VL或Vm或a—最大吸附量； VL 、PL——朗格缪尔体积 和压力，PL等于1／b
1 0 0 2
4
6 p / MPa
8
10
2、BET多分子层吸附模型
V—吸附量（m3/g）； P—平衡气体压力（MPa）； Vm—单分子层达到饱和的吸附量（m3/g）； P0—实验温度下吸附质的饱和蒸气压（MPa）； C—与吸附热和吸附质液化有关的系数。
煤层气井的注入/压降试井的微型压裂法可测到煤储层 的闭合压力，最小主应力实际上是指煤体被压开的裂缝开启 后闭合时的闭合压力。
煤储层压力与闭合压力的关系
储层压力与最小主应力之间的这种规律，对于煤层气 开采是一对矛盾： 储层压力大，容易排水降压，形成压力差，气体易解
吸；
最小主应力对煤层气开采有负面影响，应力对孔裂隙 起着闭合作用，应力越大，孔裂隙的开启程度越小，对
第二节 煤储层的吸附特征
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、吸附理论模型 1、Langmuir模型
t VL ,daf / m 3 ·-1
8 7 6 5 4 3 2 42号煤样 30℃ 40℃ 50℃
12 10
t VL ,daf / m 3 ·-1
12
8 6 4 2 0
1
2 R o,max /%
3
4 5
6 78 9
不同煤级煤的干燥样最大吸附量与Ro,max的关系
40 35 30 y 2 = -6.5863x + 61.122 r = 0.97
VL,daf／m 3 . t-1
25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 R o ， max ／％ 4 5 6 7 8 9 y 1 = 7.9593x + 3.9913 r = 0.89