延1井煤層解吸與吸附實驗及應(yīng)用研究

倪光禹 程 偉 任以發(fā)

(1.河南省煤田地質(zhì)局四隊,河南 467000;2.中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院,江蘇 225000)

1 區(qū)域特征

延川南區(qū)塊位于晉陜交界處,以黃河為界分為山西省部分和陜西省部分,主要含煤層系為石炭系太原組和二疊系山西組,以中-高變質(zhì)焦煤、瘦煤和貧煤為主,有較強的吸附能力,蘭氏體積 (VL)達到34.18m3/t。煤層埋藏深度多在1500m以內(nèi),含煤面積672km2,山西組2#煤層賦存于山西組下部,上距K8砂巖底30m左右,煤層較穩(wěn)定,平均厚度5.97m。10#煤層賦存于太原組下部,K2灰?guī)r為其頂板。煤層層位穩(wěn)定,平均厚2.57m,是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)煤層。該盆地煤層含氣量高,2#煤層最高含氣量為 14.24m3/t,平均為6.68m3/t,10#煤層最高含氣量為14.11m3/t,平均為7.41m3/t,煤層氣資源量大,開發(fā)條件較好。

2 煤層解吸特征及影響因素

煤層氣體在基質(zhì)中吸附的過程是一種物理現(xiàn)象,吸附能力與溫度、壓力有關(guān)。在一定的條件下,被吸附的氣體分子會從基質(zhì)表面脫離出來,稱為解吸。煤層氣的解吸作用是當(dāng)煤儲層壓力降低時,甲烷吸附氣從煤層逸出的過程。煤層含氣量是指煤層在地層條件下所含的煤層氣的總量,包括繩索式取芯過程中的散失量、解吸量和殘余量。煤層氣的產(chǎn)出能力取決于儲氣能力、煤層氣儲量和運移特性。為了準確地評估這些數(shù)據(jù),必須了解本區(qū)域煤層氣含量和煤層氣解吸特征。準確的測量煤層氣含氣量對于本區(qū)塊煤層氣儲量計算、勘探開發(fā)等具有重要的意義。

根據(jù)煤層氣含量測定方面的國家標(biāo)準 G B/T19559-2008《煤層氣含量測定方法》,煤層壓力下降時,吸附在煤上的氣體釋放出來,解吸是由于儲層與井眼之間的壓差造成的。

圖1 損失氣計算圖

從地層鉆取煤心到裝罐之前,部分氣體就已經(jīng)從煤樣中釋放出來,這部分氣量就叫做損失氣量。延1井取心地面環(huán)境溫度在29～38℃,按照國標(biāo)解吸罐中的溫度與地層溫度一致,地層溫度僅為31℃,煤芯裝入解吸灌后所釋放出來的氣量叫做自然解吸氣量 (見圖1)。經(jīng)過一段時間的解吸,煤芯不再釋放吸附的氣體,此時仍然停留在煤樣中氣體就叫做殘余氣。煤層氣總體積是指損失氣體積、實測的氣體體積、殘余氣體積的總和。解吸氣量是否具有代表性受諸多因素影響,主要有地面暴露時間、溫度、取芯率等。

損失氣量計算采用直接法。解吸量與時間平方根成正比。以標(biāo)準狀態(tài)下累計解吸量為縱坐標(biāo),損失氣時間與解吸時間和的平方根為橫坐標(biāo)作圖,將最初解吸的各點連線。延長直線與縱坐標(biāo)軸相交,則直線在縱坐標(biāo)軸的截距為損失氣量。圖2為某樣品的損失氣計算圖。

圖2 煤層氣累計解吸曲線圖

取芯率的高低對含氣量的高低也有影響,取芯率高時,煤芯相對完整,代表性強,數(shù)據(jù)相對可靠。采取率低時,代表性差。煤層氣解吸量是隨溫度、壓力、時間變化的函數(shù),解吸時間越長,解吸的氣量也就越大。解吸初期,解吸氣量隨時間變化增長很快,而解吸后期則變化很少。通過對所做的樣品統(tǒng)計分析,可以通過提高解吸終止下限,達到減少解吸時間目的。

連續(xù)7天每天解吸量都小于10cm3,終止解吸。將此終止限提升至連續(xù)2天每天解吸量小于20cm3,或解吸量小于30cm3、解吸量小于50cm3,進行對比。以 Y1-5-1樣品為例,將終止限提升至T2(連續(xù)2天每天解吸量小于20cm3),解吸時間縮短27.17%,解吸氣量減少2.52%;將終止限提升至T3(連續(xù)2天每天解吸量小于30cm3),解吸時間縮短40.76%,解吸氣量減少4.07%;將終止限提升至T4(連續(xù)2天每天解吸量小于50cm3),解吸時間縮短57.07%,解吸氣量減少7.15%。

除了煤芯粒度、煤階、煤巖煤質(zhì)等影響因素外,煤層溫度是影響測定周期的主要因素之一。對解吸時間的影響主要體現(xiàn)在對解吸速率的影響,提升解吸溫度可以縮短解吸時間,并不影響解吸的總氣量。兩塊煤芯采用煤層溫度27℃水浴解吸,另外兩塊采用35℃水浴解吸。35℃條件下水浴解吸比27℃水浴解吸的吸附時間少4小時,可見溫度對吸附時間的影響。

吸附時間是由解吸實驗求得的,定義為實測氣體體積累計達到63.2%所對應(yīng)的時間。煤儲層吸附時間多在數(shù)小時至16天之內(nèi)。吸附時間是煤層氣解吸速度的一種形式,也是煤層氣通過儲層的擴散速度的近似表現(xiàn)形式。

吸附時間平均值常用于模擬單個或多個煤層的煤層氣產(chǎn)量。一個氣藏模型中單個煤層根據(jù)煤層氣不同的運移及儲集特性,按垂直方向被劃分為獨立的巖性單元,單個煤區(qū)劃分為數(shù)層,根據(jù)每層的厚度、煤層氣儲量和運移特性,就能求得近期或遠景預(yù)測產(chǎn)量。煤巖的吸附時間受到諸多地質(zhì)因素的影響,包括煤層的沉積環(huán)境、溫度、煤階、煤巖組分、煤巖類型、孔隙度、滲透率以及煤的水分、灰分含量等。

與取芯時間、溫度有關(guān)：提芯時間指的是從井底開始提芯至把煤芯提至井口的時間,暴露時間指的是煤芯從提至井口,到裝入解吸罐密封的時間。

從圖3可以看出,延1井的鉆井取心時間為7月底8月初,當(dāng)時的環(huán)境溫度在29～38℃,而放入解吸罐中的解吸溫度為31℃,在這樣的地表環(huán)境下,暴露時間的長短影響含氣量高低較為明顯。

圖3 延1井取芯情況與含氣量關(guān)系圖 (截止到2009年8月11日)

溫度與吸附量溫度與吸附量線性回歸方程：

式中,Y：吸附量,cm3/g;

X：溫度,℃。

延1井共取2#煤層樣9個,總含氣量空氣干燥基為5.57～11.72cm3/g,平均為8.89cm3/g;總含氣量干燥無灰基平均值為10.57cm3/g,甲烷含量空氣干燥基平均值為8.28cm3/g,甲烷含量干燥無灰基平均值為9.85cm/g,吸附時間平均值為7.56d。10#煤層總含氣量空氣干燥基平均值為5.95cm3/g,總含氣量干燥無灰基平均值為7.20cm3/g,甲烷含量空氣干燥基平均值為5.90cm3/g,甲烷含量干燥無灰基平均值為7.14cm3/g。

3 煤層吸附特征及影響因素

煤層吸附過程可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。物理吸附是由范德華力或靜電力引起的,氣體和固體之間的結(jié)合較微弱,物理吸附是快速的、可逆的。延1井煤中氣體的吸附屬于物理吸附過程。煤對氣體的吸附能力受多種因素的影響,主要影響因素有壓力、溫度、礦物質(zhì)含量、水分含量、煤階、巖性的顯微組分、氣體組分等。

3.1 煤層吸附方程

煤層中天然氣以游離、吸附和溶解三種狀態(tài)賦存于煤層中,由于吸附狀態(tài)的天然氣可占70%～90%,所以天然氣在煤層中的儲集主要依賴于吸附作用,符合Langmuir方程。

通常表示為：

式中 V——吸附量,cm3/g;

VL——蘭氏體積 ,cm3/g;

PL——蘭氏壓力 ,MPa;

P——氣體壓力 ,MPa。

蘭氏體積VL是衡量煤巖吸附能力的量度,其值反映了煤的最大吸附能力。蘭氏壓力值PL是影響吸附等溫曲線形態(tài)的參數(shù),是指吸附量達到1/2蘭氏體積時所對應(yīng)的壓力值。該指標(biāo)反映了煤層氣解吸的難易程度。蘭氏壓力值越高,煤層中吸附的氣體脫附就越容易,開發(fā)越有利。煤儲層需較長時間達到最大氣產(chǎn)量,但產(chǎn)能較穩(wěn)定。蘭氏壓力越小,解吸效率越高,煤儲層具有較高的初始氣產(chǎn)量。

3.2 等溫吸附試驗結(jié)果

延1井的原煤的蘭氏體積分布范圍是30.60～34.30m3/t,平均值是32.33m3/t;蘭氏壓力分布范圍是1.86～2.56MPa,平均值是2.33MPa(見表1,圖4、5)。

煤體吸附性能較強,說明煤層有比較強的儲氣能力,這對儲集煤層氣非常有利,有較好的煤層氣資源潛力。

表1 延1井等溫吸附試驗結(jié)果

圖4 延1井2#煤等溫吸附圖

圖5 延1井10#煤等溫吸附圖

延1井蘭氏壓力、蘭氏體積計算 (見表2)：

VL=1/A=1/0.0309=32.36(m3/t)

PL=B/A=0.0693/0.0309=2.24(MPa)

臨界解吸壓力1.28MPa而實際排采臨界解吸壓力3.907MPa,主要原因包括：地層條件發(fā)生變化,實際排采是經(jīng)過壓裂的,實驗條件 (純甲烷)與煤層氣成分有區(qū)別,損失氣偏低,與致密砂巖氣同采是影響實際排采臨界解吸壓力主要原因,含氣量損失氣偏低是次要原因。

表2 延1井2#煤蘭氏壓力、蘭氏體積數(shù)據(jù)表

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