第三章煤层气储层压力和赋存状态
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煤层气煤层气(Coalbed Methane)储层参数,主要包括煤的等温吸附特性参数、煤层气含量、渗透率、储层压力、原地应力,以及有关煤岩煤质特征的镜质组反射率、显微组分、水分、灰分和挥发分等,相应的测试分析技术有:煤的高压等温吸附试验(容量法)、煤层气含量测定、煤层气试井和煤岩煤质分析等。
煤的高压容量法等温吸附实验,是煤层气资源可采性评价和指导煤层气井排采生产的关键技术参数,等温吸附数据测定准确性,直接关系到煤层气开发项目的成败和煤层气产业的发展。
许多研究表明,煤是具有巨大内表面积的多孔介质,象其它吸附剂如硅胶、活性碳一样,具有吸附气体的能力。
煤层气以物理吸附方式储存在煤中,主要证据有:甲烷的吸附热比气化热低2—3倍(Moffat&Weale,1955;Yang&Saunders,1985),氮气和氢气的吸附也与甲烷一样,这表明煤对气体的吸附是无选择性的;大量试验也证明,煤对气体吸附是可逆的(Daines,1968;Maver 等,1990)。
结合国内外资料,推荐吸附样粒度为60—80目。
煤的平衡水分—当煤样在温度30℃、相对湿度96%条件下,煤中孔隙达到水分平衡时的含水量。
测试平衡水平的主要目的是:恢复储层条件下煤的含水情况,为煤的吸附实验做准备。
煤层气含量—指单位重量煤中所含的标准状态下(温度20℃、压力101.33kpa)气体的体积,单位是cm3/g或m3/t。
它是煤层气资源评价和开发过程中计算煤层气资源量和储量、预测煤层气井产量的重要煤储层参数之一。
煤层气含量的测定方法大体上可分为两类:直接法(解吸法)和间接法(包括等温吸附曲线法和单位体积密度测井法)。
在直接法中,保压取心解吸法是精确获得原地煤层气含量最好的方法。
直接法的基本原理煤心煤样的煤层气总量由三部分气体量构成:一是损失气(lost gas),二是实测气(measured gas),三是残余气(residual gas)。
损失气量估算主要采用美国矿业局直接法(USBM法),该法假设煤中气体解吸可理想化地看作球形煤粒中气体在恒温下扩散,可以用扩散方程来描述,球形煤粒内气体的初始浓度为常数。
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。
1、煤层气:是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体;煤层气爆炸范围为5—15%2、煤层气的主要成分甲烷、二氧化碳、氮气3、煤层气储层是(基质)孔隙、裂隙双重介质结构4、煤层气的赋存状态吸附态(80-90%),游离态(20%-10%)、水溶态(5%以下)。
游离态煤层气以自由气体状态储积在煤的割理和其他裂缝空隙中,在压力的作用下自由运动5、煤层气的产出机理:通过抽排煤储层的承压水,降低煤储层压力,使吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。
即排水-降压-解析-扩散-渗流煤层气的运移方式:微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝6、在煤体的大孔和裂隙中,煤层气流动是以压力梯度为动力,其运移遵循达西定律;而在微孔结构中,煤层气流动是以浓度梯度为动力,运移遵循菲克定律。
7、井底压力:是指煤层气井储层流体流动压力8、压降漏斗:由于排水降压,供水边界到井底洞穴形成压差,其压差形状为漏斗状曲面,该曲面被称为压降漏斗,由于洞穴压力最低,煤层气定向解析,扩散,渗流和运移至洞穴。
排采时间越长,压降漏斗有效半径越大,其影响范围逐渐增加。
9、吸附:煤层气分子由气相赋存到煤体表面的过程。
10、煤中自然形成的裂缝称为割理;割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理;另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理11、达西定律:Q=KA△h/L式中Q为单位时间渗流量,A为过水断面面积,△h为总水头损失(高度差),L 为渗流路径长度,I=h/L为水力坡度,K为渗流系数。
关系式表明,水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比,与过水断面面积和总水头损失成正比。
从水力学已知,通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面A的乘积,即Q=Av。
菲克定律:菲克就提出了:在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称为扩散通量Diffusion flux,用J表示)与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比,也就是说,浓度梯度越大,扩散通量越大12、临界解吸压力:对于未饱和煤层气藏,只有压力下降到含气量吸附等温线上,气体才开始解吸,该压力称为临界解吸压力。