煤层气井排采理论与技术.ppt

事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈吸附态赋存于煤层孔隙内表面被大量的等温吸附实验和煤层气开发实践所证实。(1)通过将实测煤层气含量数据与等温吸附实验所获得的理论吸附量进行对比发现，绝大多数样点的煤层气吸附饱和度处于吸附欠饱和或接近吸附饱和状态，很少有吸附过饱和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态以吸附为主。(2)煤层气开发实践进一步证实，煤层气以吸附为主的赋存特点。几乎所有煤层气井都是在排水降压之后才开始产气的，不具备游离气产出的特征。(3)尽管煤层孔隙及裂隙中充满了水，但水溶甲烷量相对实测煤层气含量值而言是微不足道的。甲烷水溶实验表明，在通常煤储层温度、压力和矿化度条件下，每升水所能溶解的甲烷也不过0.05～3.11升。若煤层孔隙按30%（此假设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有0.25m3的水；用最大溶解度3L/L计算，每吨煤最多溶解甲烷只不过是0.75m3经典的3D理论：解吸模型－Langmuir方程式中：qm为煤基质中甲烷扩散量，m3/day；D为扩散系数，m2/day；为形状因子，m-2；g为甲烷的密度，t/m3；Vm为煤基质块的体积，m3;C(t)为煤基质中甲烷的平均浓度，m3/t;C(P)为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度，m3/t。渗流模型－Darcy定律大量的实验研究表明，煤层气吸附/解吸具有一定的可逆性并且解吸表现出一定的滞后性，这是一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质的体现。根据煤层气解吸条件和解吸特征（物理），将其解吸分为：降压解吸置换解吸扩散解吸升温解吸等四个亚类。当然，在这四类解吸作用中降压解吸是其中最主要的也是对煤层气产出贡献最大的。（1）降压解吸降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程，也是煤层气开采过程中最最主要的一种解吸作用。降压解吸的基本特征是，被吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气分子由于“外界压力”的降低而变得更为活跃，以致于解脱了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态。根据目前对降压解吸的基本认识，其解吸行为基本服从朗缪尔方程。（2）置换解吸置换解吸的本质是未被吸附的其他气体分子或水分子为而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态，故普遍存在于煤层气开采过程之中。事实上，置换解吸是“优胜劣汰的自然法则”的具体体现。一方面，未被吸附的其他气体分子和水分子，在普遍存在于各种原子、分子之间的范德华力作用下在不停地争取被吸附的机会，以力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚，变吸附态为游离态。（3）扩散解吸根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是气体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子在煤的孔隙内表面得以高度富集，这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差，这种浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在性，因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类型。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”，因此这种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用与扩散作用的耦合。从解吸的角度，称之为“扩散解吸”。（4）升温解吸据现代物理化学研究表明，吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关，与解吸量呈正相关。温度升高，加速了气体分子的热运动，使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸。有人将温度对解吸速率和解吸量的影响归于影响因素，我们认为温度与压力一样，都是引起解吸的一种动力，应将其定为一种解吸类型。这一类型在煤层气含量测定实验中早已得到证实。我们可以发现，在煤层气含量测定过程中，当解吸罐放入恒温水箱时，即使解吸罐内的压力在升高，煤层气解吸也会加速。在煤层气开采过程中，其温度往往几乎是“恒定的”。这是因为在煤层气开采过程中，无论是煤层气解吸、扩散还是渗流甚至水的渗流，均没有条件引起煤层温度发生重大变化。即使大量产水需要运距离的水源补给，也会在渗流过程中使其温度均衡。煤层气吸附饱和度是指煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度，实际气含量与理论吸附量之比，一般用百分比表示。吸附饱和度是评价煤层气富集程度和可采性的重要综合指标。吸附饱和度及物理意义：饱和煤层（A）含有最大的气含量，这在理论上是可能的，如由实验室确定的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水和压力下降时，气生产立即开始。气含量测定误差在煤层气开采过程中，随着排水降压，煤层中流体的压力将逐步降低，煤层气开始解吸时刻对应的压力则被称之为“煤层气临界解吸压力”，一般用MPa表示。临界解吸压力是评价煤层气可采性的重要指标。临储压力比为临界解吸压力与储层压力之比，临储压力比越大，表明越易于排采。在