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1、第一章 煤层气赋存、产出机理,煤层气赋存、产出机理,煤储层的几何模型 煤层气储集机理 煤层气吸附性能的主要影响因素 煤层气产出的先决条件 煤层气产出机理 小 结,内容提要,一、煤储层的几何模型,煤层气几何模型,双重孔隙结构模型,三元结构模型,基质孔隙,裂隙孔隙,两级扩散,宏观裂隙,孔 隙,煤储层的非均质性，很难用统一的模型来表述。,双直径球型模型,适用中煤阶,分I、类和、类,显微裂隙,一、煤储层的几何模型,Root双重孔隙几何模型,由该模型可知煤层气由基质孔隙解吸扩散到割理系统，然后沿割理以达西流运移到井筒。,根据Root模型煤中孔隙分类,一、煤储层的几何模型,XooT依据工业吸附剂提出：微孔
2、构成煤的吸附容积，小孔构成煤层气的毛细凝结和扩散区域，中孔构成煤层气缓慢层流紊流区域，大孔则构成剧烈层流渗透区域。,煤孔隙分类一览表 单位：nm,一、煤储层的几何模型,根据Root模型煤中孔隙分类,煤中基质孔隙的类型及特征,一、煤储层的几何模型,一、煤储层的几何模型,直线型延伸的一组割理,S型割理被方解石完全充填,主外生裂隙，次外生裂隙,面割理和限于面割理之间的端割理,一、煤储层的几何模型,双直径球形几何模型,由该模型可知煤储层渗透性的主要贡献者为外生裂隙，在无烟煤中更是如此，割理的主要贡献是沟通了基质块与外生裂隙的联系。,一、煤储层的几何模型,碎粒煤，焦作朱村煤矿山西组,糜棱煤，巩义大峪沟煤
3、矿山西组,糜棱煤，湖南红卫煤矿下石炭统,受构造破坏严重的碎粒煤和糜棱煤,一、煤储层的几何模型,双直径球形几何模型,由该模型可知：煤层气由基质微孔隙表面解吸扩散至基质大孔隙中，继而由基质大孔隙扩散至井孔产出。即在这类储层内不存在达西流。,一、煤储层的几何模型,根据双直径孔隙结构模型煤中孔隙分类及成因,由裂缝切割出的基质块内未被固态物质充填的空间称为基质孔隙，基质孔隙主要影响煤层气的赋存。基质孔隙按成因可将孔隙分为气孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔、原生粒间孔等。按孔径大小可分为微孔、小孔、中孔和大孔。,气孔是指煤化作用过程中气体逸出留下的痕迹。,残留植物组织孔是植物本身组织结构的继承。,次生孔
4、隙是煤中矿物质，如黄铁矿、碳酸盐等在地下水循环过程中被溶蚀形成的。,晶间孔是原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。,原生粒间孔是各种成煤物质颗粒间的孔隙，是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。,一、煤储层的几何模型,煤中孔隙分类及成因,孔隙按孔径大小分类及流态特征,一、煤储层的几何模型,三元结构模型,宏观裂隙大、中、小、微一级、二级、三级割理显微裂隙阶梯状、雁列式、帚状、X式孔隙大孔、中孔、过渡孔、微孔渗流孔、吸附孔,一、煤储层的几何模型,基于三元结构的煤中孔隙分类,基于煤层气运移特征的煤孔隙分类 单位：nm,认为：65nm为渗流通道。,甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但
5、溶解度很小。而煤层气储层多是饱含水的，因此在一定的地层条件下，必定有一部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：甲烷在水中的溶解度主要取决于水的温度、矿化度、环境压力和气体成分。,或,二、煤层气的储集机理,1.溶解态:,二、煤层气的储集机理,游离气指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由移动的天然气，这部分气体服从一般气体方程，对于象煤层气这样的真实气体，可用范德华方程描述：游离气量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数。,2.游离态:,或,煤层作为固体，具有固体的两个共同特点：第一，分子几乎是不动的；第二，表面中的原子或分子都处于力场的不饱和状态，且具有较大的表面自由能，属于热力学
6、的不稳定态。煤具有非常大的内表面积，当气体分子运动碰到煤体表面时，由于气体分子受到煤体表面不饱和力场的作用，会停留在表面上，使其表面上气体分子的浓度提高，这就是煤对气体的吸附。而解吸是指煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成游离气体，其结果是造成吸附量减少。气体在煤中的吸附量随着压力和温度的变化而变化。,二、煤层气的储集机理,3.吸附态:,1916年，Langmuir 在研究低压下气体于金属表面上的吸附时，将所得数据处理后发现一些规律性的东西，并从动力学的观点出发，提出了固体对气体的吸附理论，这个理论常称为单分子层吸附理论。,二、煤层气的储集机理,二、煤层气的储集机理,吸附气吸附特征,Lang
7、muir单分子层吸附理论的基本要点是：固体表面的吸附能力是因为其表面上的原子力场的 不饱和性。当气体分子碰撞到固体表面时，其中 一部分就被吸附并放出热量，但是，对气体分子 的吸附只在固体表面空白位置上发生，当吸附的 气体分子在固体表面上覆盖满一层后力场即达饱 和，因此吸附为单分子层吸附。固体的表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的 吸附热是个常数，不随覆盖度变化。已被吸附的分子从固体表面返回气相的几率，不受 周围环境和位置的影响，这表明吸附质分子间无 作用力。吸附平衡是动态平衡。即当吸附达到平衡时，吸附 仍在进行，相应的解吸也在进行，只是吸附速度等 于解吸速度,二、煤层气的储集机理,煤层气与常规
8、油气开发方法差异,项目 常规油气 煤层气储层 孔隙裂隙 基质表面及割理成藏 游离型 自生自储吸附型勘探 圈闭、岩性 承压水、高饱和试气 单井 短期 大井组长期产出 初期产量高 中期产量高开采 注水保压 排水降压,二、煤层气的储集机理,赋存状态的转化,图 煤层气在煤储层中赋存状态及转化关系,二、煤层气的储集机理,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,1.压力,图 瓦斯压力吸附瓦斯量关系曲线,吸附是气体与固体表面之间未达热力学平衡时发生的，达到平衡是“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累实现的。,实验表明，在给定的温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量
9、增大，并且将超于某个定值。,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,2.温度,图 温度对瓦斯吸附量的影响曲线,温度总是对脱附起活化作用，温度越高，游离气越多，吸附气越少。,实验研究结果表明，温度每升高1，煤吸附瓦斯的能力降低约为8%，其原因是温度升高时，瓦斯活性增大，难于被煤体吸附，同时己被吸附的瓦斯分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来。,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,3.水分含量,图 水分对瓦斯吸附量的影响曲线,水分和气体分子与煤之间具有相似的特性，水与煤之间都不存在共价键，都是以较弱的范德华力吸附在煤中。,只有在未达到临界水分含量时，它的增加使甲烷的吸附量降低，超过临界水分含量的部分只覆盖煤
10、颗粒表面，不影响吸附过程，甲烷的吸附；甲烷的吸附量不再减少。,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,气体吸附能力随煤阶的变化有两种趋势:一种趋势是甲烷的吸附量呈“U”字型发展，在高挥发分烟煤或含碳量85%附近气煤)出现最低值;另一种趋势是甲烷的吸附量随煤阶的升高而增加。,4.煤阶,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,5.煤的显微组分,在瘦煤之前，煤的吸附能力是:惰质组(指有胞腔结构无充填物的丝质体)镜质组惰质组(粗粒体和有胞腔结构但被充填的丝质体)，原因是在煤变质较低的煤中惰质组中有大量的纹孔，而镜质组孔隙和内表面积纹孔少，造成惰质组比镜质组吸附能力强。在无烟煤3号变质阶段，煤的吸附能力是:镜质组惰
11、质组，原因是在高变质阶段，镜质组中有更多的挥发物质产出，引起微孔增多之故。,三、煤层气吸附性能的主要影响因素,6.煤孔隙特征,煤岩比表面积的大小取决于微孔体积的大小，与中孔体积大小关系不明显；孔隙平均直径越大，总比表面积越小；煤对甲烷吸附能力与总孔体积、总孔比表面积、微孔比表面积呈正相关关系。煤的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。,四、煤层气产出的先决条件,煤层气的产出条件可从物质基础、流动通道及能量系统等三个方面进行阐述。,产出的先决条件,一定的资源量是进行煤层气开采的基础,渗透能力的大小是连接气体赋存空间与外部环境 的重要纽带,解吸能力的强弱将直接影响煤
12、层气的开采难易 程度及采收率,四、煤层气产出的先决条件,产出的主控因素,五、煤层气产出机理,五、煤层气产出机理,VL:煤岩的最大吸附能力(这时P),简称兰氏体积.PL:吸附量V达到VL/2时所对应的压力值,简称兰氏压力.影响吸附等温线的形态参 数,反映煤层气解吸的难易,值越低,脱附越容易,开发越有利.V1:当前地层压力下的煤岩理论含气量.P1:储层压力,即当前煤储层压力.V2:当前地层压力下的实际含气量.P2:临界解吸压力,甲烷开始解吸的压力点.Vi:排采过程中含气量.Pi:排采过程中的储层压力.Vn:煤层残留含气量.Pn:煤层气井的枯竭压力.,Langmuir吸附等温线物理意义:,Langm
13、uir吸附等温线生产中的意义:,V2/V1含气饱和度.(V2-Vn)/V2理论最大采收率.(V2-Vi)/V2生产过程中动态采收率.根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动态.若煤层欠饱和(V2V1),气体的解吸和流动受到抑制,煤储层压力P1须降低至临界解吸压力P2时才开始解吸.当V2V1时,为过饱和状态,这时C点位于B点的正上方,当煤层压力降到接近P1点时就有气体产出.随着枯竭压力Pn的降低,最大采收率增加;因此排采过程中要尽可能的降低枯竭压力,以获得更高的采收率.但枯竭压力的确定要受到工艺技术和经济条件等因素的制约.另可通过注气增加储层能量,驱替置换煤层气来提高采收率.,五、煤
14、层气产出机理,图 煤层甲烷二元解吸及运移产出图,煤层气解吸运移路线：,排采过程压力大小关系为：P核心P表面P微P裂缝P井底,二元解吸,五、煤层气产出机理,三层产出解吸机理,图 煤吸附甲烷气体的Langmuir等温吸附曲线示意图,图中：A（PL,VL/2）兰氏吸附点；B(P1,V1)-理论 吸附点；C(P1,V2)-实际吸附点；D(Pi,Vi)-采收过程吸附点；E(Pn,Vn)-枯竭吸附 点；C(P2,V2)-临界解吸吸附点.,V2/V1含气饱和度.(V2-Vn)/V2理论最大采收率.(V2-Vi)/V2生产过程中动态采收率.根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动态.若煤层欠饱和(
15、V2V1),气体的解吸和流动受到抑制,煤储层压力P1须降低至临界解吸压力P2时才开始解吸.当V2V1时,为过饱和状态,这时C点位于B点的正上方,当煤层压力降到接近P1点时就有气体产出.随着枯竭压力Pn的降低,最大采收率增加;因此排采过程中要尽可能的降低枯竭压力,以获得更高的采收率.,五、煤层气产出机理,三层产出扩散机理,扩散是一种以分子形式进行的传质作用，浓度差及能量差的客观存在是扩散得以进行的源动力；从高浓度区向低浓度区运移是扩散的主方向，最终达到浓度平衡。,努森扩散主要是分子与孔壁之间的相互作用。,体积扩散主要是分子与分子之间的相互作用。,表面扩散中，质量传递是经过吸附态流体运移进行的，没
16、有自由态的质量传递。,图 基质内煤层甲烷 扩散示意图,五、煤层气产出机理,三层产出扩散机理,煤层气通过煤基质微孔隙系统的扩散，可以按非稳态扩散和拟稳态扩散两种模式进行处理。拟稳态扩散遵从Fick第一定律，非稳态扩散遵从Fick第二定律。,菲克第二定律：,表示客观，计算量大，反映时空变化。,菲克第一定律：,假设煤基质块内，煤层气在扩散过程中每一个时间段都有一个平均煤层气浓度。,五、煤层气产出机理,第一阶段:仅有压降传递,无水气流动阶段 压降幅度比较小,还不足以使煤层中的水产生流动,煤层气无法解吸,处于静水阶段.第二阶段:饱和水单相流阶段 随着压降幅度的增大,煤层中的裂隙水开始流动,极少量游离气或
17、溶解气在裂隙系统中将处于运移状态,此阶段以饱和水单相流为表征.第三阶段:非饱和的单相流阶段 压力进一步下降,一定数量煤层气解吸出来,形成气泡,阻碍水的流动,水的相对渗透率下降，处于非饱和单相流阶段.第四阶段:气水两相流阶段 储层压力进一步下降,解吸气、溶解气、游离气开始在裂隙系统中扩散，气体渗透率逐渐增大，气产量逐步增多,水产量开始下降，直至气泡相互连接,形成连续的流线,处于气-水两相流阶段,但此阶段水的相对渗透率大于气体相对渗透率.第五阶段:水气两相流阶段压力进一步下降,吸附气体的大量解吸,处于以气为主的水-气两相流阶段.,五、煤层气产出机理,产出各阶段特征：,六、小结,总结前人研究成果，指
18、出Warrenh-Root双重孔-裂隙模型、双直径球型孔隙模型及“三元结构”模型各自的适用性。,对煤层气三种赋存方式吸附气、溶解气、游离气的储集机理进行阐述，并对其相互转化条件进行了分析总结。,根据目前的经济、技术水平，指出煤层气产出的三大先决条件，并阐述了产出的主控因素。,对煤层气产出及排采的“一条曲线”、“二元解吸”、“三层产出”、“四种流态”进行详细阐述，为煤层气排采过程中物性参数变化规律和排采控制理论研究奠定基础。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
