煤层气汇报-中国石油大学北京7

中国石油大学（北京）2010年3月煤层气藏开发理论及应用问题汇报提纲1.煤层气在基质孔隙内赋存方式2.煤层气基质孔隙内解吸方式3.基质孔隙内气体进入割理系统方式4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理5.煤层气产气特征及井间干扰6.注气开采可行性7.应力敏感1.1基质孔隙内原始气水分布1.煤层气在基质孔隙内赋存方式（1）割理系统充满水；（2）基质孔隙含有自由水及束缚水；（3）基质孔隙吸附气处于煤岩基质与孔隙水之间；（4）有些煤储层在割理或大孔隙中存在少量自由气。吸附气孔隙水煤基质需要找更多的证据，增加说服力！1.1基质孔隙内原始气水分布1.煤层气在基质孔隙内赋存方式水面割理端割理溶解气游离气割理吸附气51.2通用气固吸附机理1.煤层气在基质孔隙内赋存方式物理吸附：吸附力为气体分子与固体分子间的范德华力。61.煤层气在基质孔隙内赋存方式物理吸附：物理吸附是瞬时的，并很快能达到平衡；吸附层不仅仅为单层，可以形成多层。1.2通用气固吸附机理71.煤层气在基质孔隙内赋存方式化学吸附：通常伴随着电子的共享和转移；化学吸附分子需要活化能才能释放；仅限于单层分子。1.2通用气固吸附机理81.煤层气在基质孔隙内赋存方式吸附曲线：Ⅰ型：适用于无孔均一表面的单分子层吸附或微孔吸附剂的容积填充机理，前一种可用Langmuir方程来描述，后一种应使用D-R（D-A）方程来描述。Langmuir方程用于描述无孔均一表明的单分子层吸附。1.2通用气固吸附机理1.煤层气在基质孔隙内赋存方式吸附理论1：Langmuir理论—单分子层吸附1.2通用气固吸附机理①吸附是单分子层的；②固体表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的；③已被吸附分子之间无作用力；④吸附平衡是动态平衡。IrvingLangmuir11mLLVbpVpabpVbpbppp吸附等温式：1.煤层气在基质孔隙内赋存方式吸附理论2：BET理论—多分子层吸附1.2通用气固吸附机理①被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间存在范德华力，因而发生多层吸附；②第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同；③吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。吸附等温式：0011mmpCPVPPVCVCP1.煤层气在基质孔隙内赋存方式吸附理论3：吸附势理论1.2通用气固吸附机理吸附势理论认为吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势，就如同地球存在引力场而使空气在地球表面附近包覆成大气层一样。吸附等温式：200explnpRTVVKp1.煤层气在基质孔隙内赋存方式3、煤化阶段形成不同饱和度的煤煤层气多层吸附、含自由气。煤层气单层、或多层吸附。4（3）煤层气欠饱和煤4（1）煤层气过饱和吸附煤层气多层吸附。4（2）煤层气饱和煤1、植物繁殖遗体堆积2、泥炭化阶段煤岩的岩化及煤层气的赋存形式1.煤层气在基质孔隙内赋存方式1.3煤层气吸附机理1）单层吸附—Langmuir方程煤与气体分子间范德华力煤基质水吸附气分子逃逸力气体首先以单层的形式被吸附在煤孔隙表面上。1.煤层气在基质孔隙内赋存方式1.3煤层气吸附机理单层吸附后，气体再以多分子层吸附。2）多层吸附—BET方程煤基质水煤基质水1.煤层气在基质孔隙内赋存方式1.3煤层气吸附机理煤基质水当煤层气经多分子层吸附仍有剩余时，便以自由气形式存在。3）过饱和吸附（存在自由气）自由气1.煤层气在基质孔隙内赋存方式1.3煤层气吸附机理煤基质水当煤层气经多分子层吸附仍有剩余时，便以自由气形式存在。3）过饱和吸附（存在自由气）自由气（1）常用吸附实验现状1.4煤层气吸附实验（1）平衡水下吸附实验是煤层气接触水膜或水分子，吸附机理与实际不同。煤基质水吸附气分子基质吸附气平衡水基质原始煤层水气位置平衡水吸附试验后水气位置（2）现有实验环境下测定的吸附量与温度、压力等关系与煤岩基质孔隙充满水环境差异较大，所遵循的规律应该有差异。由此计算出来的VL和PL及得到的等温吸附曲线与实际不符合，影响储量的计算准确性。1.煤层气在基质孔隙内赋存方式化学上在竞争吸附介绍时，分子间作用力及相互作用怎样？18（2）改进的吸附实验1.4煤层气吸附实验（1）不使用平衡水下进行吸附实验。煤基质水吸附气分子基质吸附气平衡水基质原始煤层水气位置平衡水吸附试验后水气位置（2）解吸实验前，应给系统注入水，模拟实际环境，之后进行解吸实验。由此计算VL和PL等温吸附曲线。1.煤层气在基质孔隙内赋存方式19（3）现场解吸实验1.4煤层气吸附实验解吸实验样品采集煤层气解吸数据处理逸散气计算精度影响解吸气量准确性钻头取样气体逸散煤样提升气体散逸煤样装缸气体散逸自然解吸气测定残余气测定气样成分分析煤样采集提升的速度直接影响逸散气量的大小；煤样的装瓶快慢也影响逸散气量的损失；钻井过程中煤层破坏和储层压力的释放也释放了部分逸散气。1.煤层气在基质孔隙内赋存方式（4）逸散气计算1.4煤层气吸附实验美国矿产局直接法(DiamondandLevine，1984)计算逸散气量的前提是：在开始解吸的短时间内，解吸气量与时间的平方根成正比。史密斯－威廉斯法(Smith&Williams，1984．)计算的逸散气量包括在“双向分散”孔隙结构模型中的扩散气；而直接法只包括“单孔隙”扩散气。1.煤层气在基质孔隙内赋存方式逸散气计算方法理论是什么？统计的？（4）解吸吸附曲线1.4煤层气吸附实验1.煤层气在基质孔隙内赋存方式2.1气体解吸力学2.煤层气基质孔隙内解吸方式（1）逃逸力范德华力时，气体开始解吸。（2）压力直接影响逃逸力与范德华吸引力之间的平衡关系。煤与气体分子间范德华力煤基质水吸附气分子逃逸力2.1解吸后气体相态特征2.煤层气基质孔隙内解吸方式解吸后气体分子溶解、成核、聚集成泡。溶解溶液”过饱和“成核b.溶液“过饱和”后气分子成核a.解吸后首先溶解在吸附表面附近水中溶解气气泡3.1目前普遍认为煤层气以气相扩散形式进入割理解吸气在浓度差的作用下由基质扩散到割理中；扩散主要为气相扩散；描述气体扩散方程为：3.基质孔隙内气体进入割理系统方式a.裂隙中流体产出b.煤表面气体解吸c.煤基质气体扩散面割理端割理VVRDtVE226253.基质孔隙内气体进入割理系统方式3.1目前普遍认为煤层气以气相扩散形式进入割理3.基质孔隙内气体进入割理系统方式3.1目前普遍认为煤层气以气相扩散形式进入割理)(82pCCsDVqmfmgmFick定律：其中：qgm—煤基质中气体流量D—扩散系数Vm—基质体积sf—割理间距Cm—基质内气浓度C(p)—基质割理边界平衡气浓度3.基质孔隙内气体进入割理系统方式3.1目前普遍认为煤层气以气相扩散形式进入割理图气相扩散图表面扩散煤层气在煤层中的扩散分为气相扩散、吸附相扩散、溶解相扩散和固溶体扩散。其中气相扩散分为菲克型扩散、诺森扩散、过渡型扩散，煤层气的扩散以气相扩散为主，表面扩散和固溶体扩散量小。关于溶解相仅在一篇文献中提到，且并不作为煤层气基质中主要的扩散模式。3.2对传统煤层气扩散机理的再认识基质孔隙存在含水饱和度，水对气相扩散有阻碍作用。含束缚水煤基质解吸气扩散指的是溶解在水中的气体部分。吸附、脱附、浮出的过程应不属于扩散，是一种熵驱动的物质输运，来自气泡所处位置的压力变化。气泡逸出的过程，是压力梯度作用结果。3.基质孔隙内气体进入割理系统方式3.基质孔隙内吸附气进入割理系统方式煤水解吸后，基质孔隙内开始形成气泡，但未连续。3.3煤层气解吸渗流机理引自：TonyMa，“AnIntroductiontoCoalbedMethane”3.基质孔隙内吸附气进入割理系统方式煤气泡较多后聚集，形成连续气流。3.3煤层气解吸渗流机理引自：TonyMa，“AnIntroductiontoCoalbedMethane”作者已提到基质孔隙内成泡以及气泡连续流动的过程。3.基质孔隙内气体进入割理系统方式高浓度低浓度基质块中心线面割理压差方向溶解气气泡高浓度低浓度基质块中心线面割理压差方向溶解气气泡水3.3煤层气解吸渗流机理基质孔隙气以溶解气和气泡的形式进入割理。3.基质孔隙内吸附气进入割理系统方式b.基质孔隙气体“运移”机理水面割理端割理流动方向溶解气气泡压差方向压差方向解吸气溶解在水中，在浓度差作用下扩散或随水渗流到割理。解吸气形成气泡，在压差作用下渗流进入割理。浓度差方向浓度差方向a.裂隙中流体产出割理3.3煤层气解吸渗流机理4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理面割理端割理割理系统中气液两相流动大致经历三个流动阶段：Ⅰ–饱和流阶段，只有水的流动Ⅱ–未饱和流阶段，少量的气Ⅲ–两相流阶段时间4.1煤层气流动三个阶段4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理4.1煤层气流动三个阶段认识：气体一旦进入割理中，就会随水渗流进入井筒；非饱和流阶段应该指的是基质孔隙气体未进入割理的那个阶段。4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理00.20.40.60.8100.20.40.60.81GasSaturation,Sg,FractionRelativePermeability,krw(fraction)00.20.40.60.81RelativePermeability,krg(fraction)krw;matrixkrg;fracturekrw;fracturekrg;matrix基质系统内含有气水相渗；割理系统残余气饱和度也为0，束缚水饱和度接近于0。4.2煤层气割理系统相渗机理引自：IsmailZulkarnain，“SimulationStudyofTheEffectofWellSpacing,PermeabilityAnisotropy,andPalmerandMansooriModelonCoalbedMethaneProduction”4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理00.20.40.60.8100.20.40.60.81GasSaturation,Sg,FractionRelativePermeability,krw(fraction)00.20.40.60.81RelativePermeability,krg(fraction)krw;matrixkrg;fracturekrw;fracturekrg;matrix4.2煤层气割理系统相渗机理引自：IsmailZulkarnain，“SimulationStudyofTheEffectofWellSpacing,PermeabilityAnisotropy,andPalmerandMansooriModelonCoalbedMethaneProduction”作者提到双孔双渗问题，基质系统含气水相渗，但对于气水基质孔隙内气水流动机理没有深入研究。4.3不同生产阶段气相渗透率变化特征（1）生产早期气液分布压差大，全程气相流动阻力大。（2）生产中期气液分布压差一般，全程气相流动阻力较小。（3）生产晚期气液分布压差小、产气逐渐减少、束缚水不变，全程气相流动阻力加大（考虑应力敏感更甚）。4.煤层气生产过程割理气液两相流动机理TimeMCFDorBPDWaterGasStage1,De-wateringStage2,MidLifeStage3,Declineproduction5.煤层气产气特征及井间干扰煤层气产气产水曲线5.1煤层气生产曲线39395.2煤层气井网产气机理WaterFlowOnlyDiscontinuousGasFlowContinuousGasFlow煤层气单井压降剖面5.煤层气产气特征及井间干扰40403口井叠加后的压降曲线单井压降曲线井距缩小后，可以获得更低的压力5.煤层气产气特征及井间干扰5.2煤层气井网产气机理5.煤层气产气特征及井间干扰5.3压力变化对气体渗流的影响22()()rgrgrgrgggkkkkpkpkprprprrpVrp相对变化很小，rgk1rgkrrpr