第1章-煤层气赋存、产出机理-6学时课件.ppt

,采气工程,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,根据,Root,模型煤中孔隙分类,一、煤储层的几何模型,Xo,o,T,依据工业吸附剂提出：,微孔,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,研究者,级 别,微孔,小孔,中孔,大孔,Xo,oT,（,1961,）,1000,Gan,等（,1972),30,国际理论与应用化学联合会（,1972),50,一、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,类型,孔径,孔隙结构特征,油气运移和储集,气体扩散孔隙类型,1000,多以管状、板状孔隙为主,易于液态烃、气,态烃储集和运,移，排驱效果好,气体容积型扩散孔隙,1000-100,以板状、管状孔隙,为主，间有不平行板状,易于液态烃、气,态烃储集和运,移,100-10,以不平行板状孔隙,为主，有一部分墨水瓶状孔隙,易于气体储集，但,不利于重烃气体的,运移,气体分子型扩散孔隙,10,具有较多的墨水瓶,孔隙和不平行板状毛细管孔隙,气体能储集，但,不利于运移,一、煤储层的几何模型,裂隙,外生裂隙,割理,（内生裂隙）,剪切外生裂隙,张性外生裂隙,劈理,面割理,（主内生裂隙）,端割理（,次内生裂隙）,继承性裂隙,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,碎粒煤，焦作朱村煤矿山西组,糜棱煤，巩义大峪沟煤矿山西组,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,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,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,孔隙分级,孔隙分类,孔半径,煤层气流动特征,扩散,微孔,1000,紊流,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。,二、煤层气的储集机理,1.,溶解态,:,或,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,:,二、煤层气的储集机理,a,单个煤体“球形”吸附层结构示意图,b,煤孔隙三元结构吸附煤层气示意图,图 煤孔隙系统吸附煤层气情况示意图,煤核心,煤表面,内生裂隙,外生裂隙,宏观裂隙,稳定吸附层,平衡吸附层,自由气体层,CH,4,煤基质,面,裂,隙,端裂隙,H,2,4,O,显微裂隙,孔隙,H,2,O,CH,4,煤基质,吸附气吸附特征,不饱和力场,德拜诱导力和伦敦色散力,吸附势阱,捕获分子,Langmuir,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,赋存状态的转化,吸附气,溶解气,游离气,温度不变情况下转化关系,压力升高,压力升高,压力,降低,条 件,甲烷气体浓度溶解度,甲烷气体浓度溶解度,原始赋存,状态,吸附气,+,溶解气,吸附气,+,溶解气,+,游离气,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,吸附性能影响因素,内部因素,外部环境,物质组成,孔隙特征,灰分水分,温 度,压 力,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,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颗粒表面，不影响吸附过程，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,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层气的开采难易,程度及采收率,资源量,运移通道,渗透能力,解吸能力,采收率,开采效果,经济效益,四、煤层气产出的先决条件,图,煤层气产出先决条件及控制因素框图,煤层气产出先决条件及控制因 素,人为难改变因素,人为较易改变因素,原始含气量,煤层总厚度,资源丰度,资源量,储层本身条件,临界解吸压力,解吸时间,连通程度,含气饱和度,原始储层压力,物质基础,裂隙间距,渗透率,解 吸,扩散渗流,排采制度,排采强度,排采时间,运移产出,产出的主控因素,五、煤层气产出机理,图中,:,A(P,L,V,L,)-,最大吸附点,;B(P,1,V,1,)-,理论吸附点,;C(P,1,V,2,)-,实际吸附点,;,D(P,i,V,i,)-,采收过程吸附点,;E(P,n,V,n,)-,枯竭吸附点,;C(P,2,V,2,)-,临界解吸吸附点,.,压力,/P,吸附体积,/V,0,A,B,C,D,E,P,L,V,L,P,1,V,1,V,2,P,i,V,i,P,n,V,n,Langmuir,吸附等温线,C,P,2,曲线方程,：,V=V,L,*P/(P,L,+P),五、煤层气产出机理,V,L,:,煤岩的最大吸附能力,(,这时,P),简称兰氏体积,.,P,L,:,吸附量,V,达到,V,L,/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,.,V,1,:,当前地层压力下的煤岩理论含气量,.P,1,:,储层压力,即当前煤储层压力,.,V,2,:,当前地层压力下的实际含气量,.P,2,:,临界解吸压力,甲烷开始解吸的压力点,.,V,i,:,排采过程中含气量,.P,i,:,排采过程中的储层压力,.,V,n,:,煤层残留含气量,.P,n,:,煤层气井的枯竭压力,.,Langmuir,吸附等温线物理意义,:,Langmuir,吸附等温线生产中的意义,:,V,2,/V,1,含气饱和度,.,(V,2,-V,n,)/V,2,理论最大采收率,.,(V,2,-V,i,)/V,2,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,(V2P,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,压力,/P,吸附体积,/V,0,A,B,C,D,E,P,L,V,L,/2,P,1,V,1,V,2,P,i,V,i,P,n,V,n,C,P,2,曲线方程：,V=V,L,*P/,（,P,L,+P,）,图 煤吸附甲烷气体的,Langmuir,等温吸附曲线示意图,图中：,A,（,P,L,V,L,/2,）,兰,氏吸附点；,B(P,1,V,1,),-,理论,吸附点；,C(P,1,V,2,)-,实际吸附点；,D(P,i,V,i,)-,采收过程吸附点；,E(P,n,V,n,)-,枯竭吸附,点；,C(P,2,V,2,)-,临界解吸吸附点,.,V,2,/V,1,含气饱和度,.,(V,2,-V,n,)/V,2,理论最大采收率,.,(V,2,-V,i,)/V,2,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,(V,2,V,1,),气体的解吸和流动受到抑制,煤储层压力,P,1,须降低至临界解吸压力,P,2,时才开始解吸,.,当,V,2,V,1,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,P,1,点,时就有气体产出,.,随着枯竭压力,P,n,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,煤层气的产出阶段,影响半径,/R,储层压力,/P,0,阶段一,只有压,降传递,无水气,流动,C,A,B,压降曲线,阶段二,饱和单相水流,阶段三,非饱和单相流,少量气泡,阶段四,水气两相流,水气混合,阶段五,水气两相流,以气为主,相对渗透率,/K,0.0,1.0,气水两相流动区域,水,单,相,流,区,域,水,气,静,水,区,域,煤层气的产出阶段,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。,