鄂尔多斯盆地深部煤层气吸附能力的影响因素及规律

１ 深部煤层气吸附实验
１．１ 煤 层 气 的 吸 附 原 理 煤层具有庞大的 微 孔 隙 内 表 面 积，一 般 可 达 数 百 平方米／克，具有 很 强 的 吸 附 性 能 。 ［４－６］ 其 吸 附 原 理 是
由于煤体内部的碳原子为饱和状态而其表面的碳原子 为不饱和状态，二者之 间 产 生 能 量 差，即 吸 附 能 （又 称 范 德 华 力 ）。 当气体分子运动 碰 到 煤 体 孔 隙 表 面 时，其 中 一 部 分就被吸附住，暂 时 停 留 在 煤 的 内 表 面 上。 这 种 吸 附 属 于 物 理 吸 附 ，吸 附 时 是 放 热 反 应 ，但 释 放 出 的 热 量 不 足以克服吸附引力，所 以 气 体 分 子 就 牢 牢 地 吸 附 在 煤 体内表面 上 而 不 能 自 由 运 动，即 呈 吸 附 状 态 的 气 体。 但 是 ，当 煤 层 温 度 升 高 或 压 力 降 低 时 ，所 产 生 的 热 量 足 以克服吸附引力时，被 吸 附 的 气 体 分 子 就 会 脱 离 煤 体 内表面而回到可以自 由 运 动 的 游 离 状 态 的 气 体，这 种 现象称为解吸。煤层气的吸附与解吸在理论上具有可 逆性，煤层内表面积 越 大，吸 附 能 量 越 大，能 被 吸 附 的 气 体 分 子 越 多 ，即 吸 附 量 越 大 。 １．２ 吸 附 实 验 在 煤 层 气 测 试 实 验 中 ，常 利 用 恒 温 下 的 吸 附 实 验 ， 做 出 等 温 吸 附 曲 线 ，来 直 观 地 反 应 煤 层 气 的 吸 附 性 能 ， 即通过等温吸附线了解煤层气吸附能力与相应压力的 对应关 系。目 前 国 内 外 煤 层 气 开 采 深 度 大 多 浅 于
图 ３ 鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 层 气 等 温 吸 附 曲 线 图 （１００℃ ）
２ 深 部 煤 层 气 吸 附 特 征 及 最 大 吸 附 量 变化规律
２．１ 深 部 煤 层 气 吸 附 特 征 针对鄂尔多斯盆地深部煤层气等温吸附特征研 究，选取 了 气、肥、焦、瘦 煤 不 同 煤 阶 （Ｒｏ 介 于 ０．６８％ ～１．９３％），按４０ ℃、５５ ℃、７０ ℃、８５ ℃、１００ ℃ 不 同 温 度 条 件 进 行 等 温 吸 附 实 验 ，煤 层 气 吸 附 特 征 如 下 ： ２．１．１ 等 温 条 件 等温吸附时，不 同 煤 阶 煤 的 甲 烷 吸 附 量 随 压 力 的 增 加 而 增 加 ，低 压 阶 段 吸 附 量 增 加 显 著 ，高 压 阶 段 吸 附 量增加缓慢；同 一 压 力 下，高 煤 阶 吸 附 量 大 于 低 煤 阶 （图 １、２、３）。
陈 刚 等 ．鄂 尔 多 斯 盆 地 深 部 煤 层 气 吸 附 能 力 的 影 响 因 素 及 规 律 ．天 然 气 工 业 ，２０１１，３１（１０）：４７－４９． 摘 要 煤层气等温吸附实验结果表明，煤层对甲烷的 吸 附 能 力 主 要 受 储 层 压 力 、温 度 的 双 重 影 响，过 去 的 研 究 主 要关注煤层气吸附量随埋深（压力）的增大而增大的变化趋 势，而 对 深 埋 带 来 的 温 度 升 高 导 致 煤 层 气 吸 附 量 减 少 则 关 注 不够。为此，以鄂尔多斯盆地某深部煤层为例，进行煤层气高 温、高 压 吸 附 实 验，以 研 究 其 吸 附 量 随 埋 深 的 变 化 趋 势 ，从 而指导煤层气资源评价与目标优选。结果表明：①等压条件下，煤层的甲烷吸附量随温度增高呈线性降 低，高 温、高 压 阶 段温度增加引起的吸附量降低更为显著；②受温度和压力的 综 合 作 用，在 较 低 温 度、压 力 条 件 下 压 力 对 煤 层 吸 附 能 力 的 影响大于温度的影响，在较高温度、压力条件下温度对煤吸附 能 力 的 影 响 大 于 压 力 的 影 响 ；③ 深 部 煤 层 气 的 吸 附 量 随 埋 深增加呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势，最大吸附量深 度 为 ９００～１ ６００ ｍ。 该 认 识 有 别 于 过 去 认 为 随 深 度 增大煤层吸附量持续升高的传统观点。
［１］钱凯，赵庆 波．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．
［２］欧成华，梁成钢，蒋建立，等．考 虑 吸 附、变 形 的 煤 层 气 分 阶 段 流 动 模 型 ［Ｊ］．天 然 气 工 业 ，２０１１，３１（３）：４８－５１．
第３１卷第１０期 地 质 勘 探
· ４９ ·
３）深部煤层气 的 吸 附 量 随 埋 深 增 大 呈 快 速 增 大、 缓慢增大、逐 步 减 小 的 变 化 趋 势，最 大 吸 附 量 深 度 为 ９００～１ ６００ ｍ。
参 考 文 献
因 此 ，在 深 部 条 件 下 ，煤 层 气 的 吸 附 性 能 受 到 地 层 温 度 、压 力 的 双 重 控 制 ，在 较 低 温 度 和 压 力 条 件 下 压 力 对煤吸附能力的影响 大 于 温 度 的 影 响，在 较 高 温 度 和 压力时温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响。 ２．２ 深 部 煤 层 气 最 大 吸 附 量 变 化 规 律 根 据 鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 地 层 温 度 、压 力 情 况 ，按 照 地温梯度２．８ ℃／１００ｍ、压 力 系 数 ０．９３ ＭＰａ／１００ ｍ， 将上述不同温度、压 力 下 的 煤 层 气 等 温 吸 附 曲 线 折 算 到相应的埋藏深度，得 到 煤 层 气 吸 附 量 随 深 度 变 化 曲 线（图５）。呈 现 如 下 变 化 规 律：不 同 煤 阶 煤 的 吸 附 量 随 深 度 的 增 加 呈 快 速 增 大 、缓 慢 增 大 、逐 步 减 小 的 变 化 趋势，最大吸 附 量 深 度 介 于 ９００～１ ６００ ｍ。 其 中，瘦 焦煤（Ｒｏ 介 于 １．２１％ ～１．９３％）煤 层 吸 附 量 在 ９００～ １ ３００ｍ附近达到最 大 吸 附 量 （１６．５～１７．２ ｍ３／ｔ），之 后 递 减 ，在３ ０００ｍ附 近 吸 附 量 降 至１４～１６ｍ３／ｔ；气
基 金 项 目 ：国 家 科 技 重 大 专 项 “深 部 煤 层 气 富 集 规 律 及 有 利 区 块 预 测 ”（编 号 ：２０１１ＺＸ０５０３３－００３）。 作者简介：陈刚，１９８０年生，工程师，博士研究生；主要从事煤层气科研生产工作。地址：（０６５００７）河北省廊坊市 ４４ 信 箱 石 油 分 院 煤 层 气 研 究 所 。 电 话 ：（０１０）６９２１３１０６，１３８１１６８１３１２。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇａｎｇ６９＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ
２．１．２ 等 压 条 件 已有研究表明，等 压 条 件 下 不 同 煤 阶 煤 的 吸 附 量 随温度增加均减小 。 ［７－１０］ 鄂尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 层 气 吸 附 实 验 显 示 ，在 等 压 条 件 下 ，煤 的 甲 烷 吸 附 量 随 温 度 增 高呈线性降低，高温 高 压 阶 段 温 度 增 加 引 起 的 吸 附 量 降 低 更 为 显 著 （图 ４）。
１９９７：７７－８３． ［５］欧成华，李 士 伦，杜 建 芬，等．煤 层 气 吸 附 机 理 研 究 的 发 展
· ４８ ·
天 然 气 工 业 ２０１１年１０月
１ ２００ｍ，煤储层温度、压 力 条 件 一 般 在５０ ℃、２０ ＭＰａ 之内，吸附实验温度一般选定为恒温３０ ℃。 实验采用 １００ｇ煤样，经破碎处理为大小介于０．２～０．２５ｍｍ 的 样 品 后 装 入 煤 样 压 力 罐 ，另 一 副 压 力 罐 充 满 甲 烷 气 体 ， 与 煤 样 罐 连 通 ，均 放 入 恒 温 水 浴 中 ，然 后 打 开 阀 门 使 气 罐中的甲烷气体充入 煤 样 罐，测 定 不 同 压 力 点 的 相 应 甲烷吸附量，获得 不 同 温 度 的 等 温 吸 附 曲 线。 笔 者 针 对１ ２００～３ ０００ ｍ 埋深的深部煤层气储层条件，改进 实验装置，将最大实验温度增加到１００ ℃，压力增加到 ３０ ＭＰａ，以研究深部煤层气吸附规律。
图 １ 鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 层 气 等 温 吸 附 曲 线 图 （４０℃ ） 图 ２ 鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 层 气 等 温 吸 附 曲 线 图 （７０℃ ）
图 ４ 鄂 尔 多 斯 盆 地 东 部 煤 层 气 等 压 吸 附 曲 线 图 （魏 家 滩 斜 沟 ，Ｒｏ＝０．７％ ）
［３］石丽娜，杜庆军，同登 科．煤 层 气 窜 流—扩 散 过 程 及 其 对 开 发效果的影响［Ｊ］．西 南 石 油 大 学 学 报：自 然 科 学 版，２０１１， ３３（３）：１３７－１４０．
［４］陶少杰．煤 层 气 的 吸 附 与 解 吸 ［Ｒ］∥ 煤 层 气 论 文 选 编．濮 阳：中原油田煤层气事业 部，中 原 油 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 经 济 技 术 信 息 中 心，
１）煤 层 在 地 层 条 件 下 对 甲 烷 的 吸 附 能 力 主 要 体 现 为储层压力、温度的 双 重 作 用，即 随 埋 深 增 大，储 层 压 力增大带来的煤层气吸附量增大与储层温度升高带来 的煤层气吸附量减小的综合作用结果。 ２）等压条件下，煤 的 甲 烷 吸 附 量 随 温 度 增 高 呈 线 性降低，高温高压阶 段 温 度 增 加 引 起 的 吸 附 量 降 低 更 为 显 著 ；受 温 度 和 压 力 的 综 合 作 用 ，在 较 低 温 度 和 压 力 条件下压力对煤吸附 能 力 的 影 响 大 于 温 度 的 影 响，在 较高温度和压力时温度对煤吸附能力的影响大于压力
第３１卷第１０期 地 质 勘 探
· ４７ ·
鄂尔多斯盆地深部煤层气吸附能力的影响因素及规律
陈 刚１，２ 李五忠２
１．中 国 矿 业 大 学 资 源 与 地 球 科 学 学 院 ２．中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 廊 坊 分 院
关键词 鄂尔多斯盆地 深部 煤层气 吸附特征 解吸 等温吸附实验 深度 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１１．１０．０１０