煤层气等温吸附/解吸模拟实验技术新进展与应用

煤岩的吸附/解吸数据是煤层气资源预测、产能评价必需的核心参数,目前常规的等温吸附实验只能获得固定温度下的吸附量和压力之间的关系。如何获得储层条件下准确的等温吸附数据,是煤层气储层实验测试孜孜以求的目标。针对当前煤层气等温吸附测试主要沿用美国专利US5058442/4528550,采用IS-300等温吸附仪,存在测试范围小、破坏样品原始结构及无围压约束等突出问题,创新研制煤层气原位吸附/解吸模拟装置,克服了目前等温吸附测试未考虑地应力影响,不能代表地层真实吸附状态的缺陷。特别是形成非吸附性气体等温吸附实验方法,为变体积自由空间的计算提供参数。该装置的成功研制开发,一方面实现等温吸附装置国产化,另一方面实现高温压条件下煤岩原位吸附模拟技术的从无到有。研究发现,在较高温度和压力时(85℃,30MPa),温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响。从而证实含气量与埋深关系存在"临界深度",即浅部煤层含气量随埋深增大而增高,在一定埋深达到最大值,超过此埋深之后含气量随埋深进一步增大而趋于降低。     

济阳坳陷深部煤层吸附效应及含气性特征

深部煤层气是中国目前煤层气勘探开发的一个新的研究领域,以模拟深部条件下的煤层等温吸附实验为研究方法,分析煤层气在温度、压力控制条件下的吸附效应,指出了济阳坳陷石炭系—二叠系煤层含气性临界深度,通过回归分析预测了济阳坳陷深部煤层的吸附量,揭示出深部环境(2000m)温度、压力和煤级共同控制的煤层含气性特征。研究结果表明:济阳坳陷深部煤层的含气性临界深度在800m至1200m之间,该深度以深,温度、压力的协变效应使得吸附量随埋深增加而减小;基于朗格缪尔模型的深部煤层吸附量预测结果显示,埋深4000m条件下高煤级煤仍具有较高吸附量,预测吸附量为12.29cm~3/g,而低煤级煤仅为1.83cm~3/g;在深部高温热效应下煤级随埋深增加而升高,深部煤层吸附气量在温度、压力和煤级"三重效应"控制下于3000~3500m出现转折,该深度以下,吸附量随着埋深增加而增加。     

深部超饱和煤层气藏概念及主要特点

通过分析深部超饱和煤层气藏，得到以下认识：(1)随着煤层的埋深增加到一定深度，煤阶和地层压力对吸附的正向作用小于温度对吸附的负向作用，导致吸附气逐渐达到饱和状态(吸附饱和度为100%)并进入原地游离气赋存阶段，形成深部超饱和煤层气藏；地层压力和温度随埋深增加的客观规律使得盆地深部具备形成超饱和煤层气藏的天然条件。(2)不同盆地出现超饱和煤层气藏的临界深度不同，超饱和煤层气藏临界深度的差异主要取决于盆地的地温梯度和压力梯度，异常高压和异常高温(如由火山热事件引起的高温)可降低超饱和煤层气藏形成的临界深度。(3)深部超饱和煤层气藏在开发中具有见气时间短、能充分利用地层能量和累积产水量低等优势，有望成为未来煤层气勘探开发的一个重要领域，在中国大型的、具有深部煤层埋藏条件的盆地中具有广阔勘探前景。深部超饱和煤层气藏的认识来源于对现场静态资料和排采动态资料的解析，体现了认识来源于实践又服务于实践的认识论观点，对于指导深部煤层气勘探开发具有重大意义。     

大宁—吉县区块深部煤层气相态控制因素及含量预测模型

鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县区块深部煤层气资源丰富，近年来的开发实践打破了深部煤层气资源难以开发利用的传统认识。目前，深部煤层气勘探开发仍存在一系列地质难题尚未解决，特别是煤层的含气性控制因素及游离气含量预测等，严重制约着深部煤层气的资源评价与高效开发。综合利用煤层气开发地质资料和实验测试手段，对比分析大宁—吉县区块中—深部煤层(1 000～1 500 m)与深部煤层(大于1 500 m)的含气性差异，揭示了深部煤层含气性的内在与外在控制因素，建立了不同相态煤层气的含气量预测模型与垂向分布模式。研究结果表明：深部煤储层整体处于含气过饱和状态，其游离气占比为17%～43%,且随着储层压力升高呈增大的趋势，游离气含量与含水饱和度呈负相关关系。在达到吸附饱和之前，煤储层压力对煤层吸附甲烷有促进作用，而温度和水分则会抑制甲烷的吸附作用。相对于低阶煤而言，高阶煤对甲烷的吸附能力更强，这主要与煤岩的物质组成、孔隙结构、甲烷分子与煤表面之间发生的物理化学反应等因素相关。受多种因素共同制约，煤层中的吸附气含量随着埋深的增大呈现出“快速升高—增速减缓—缓慢下降”的变化趋势，游离气含量呈现出“稳定升高—增速...     

甲烷在煤岩上的吸附研究

煤岩吸附（解吸）气体的类型主要属于物理吸附（解吸）,通常情况下,可采用Langmuir理论模型计算和评价煤层岩石的吸附（解吸）能力,本文研究煤岩吸附（解吸）甲烷就采用Langmuir理论模型,但这种方法评价煤层的含气量存在一定的缺陷,这是因为Langmuir方程基于恒温,只考虑压力变化对煤岩吸附（解吸）的影响。然而,研究深层煤层的天然气,这些煤层会处于高压和高温的环境中,在这种条件下,煤层的吸附能力不仅取决于煤层压力,还取决于地底煤层的温度。根据实验研究表明,平衡压力的增大对于煤岩吸附气体具有促进作用,而温度的升高会增加气体分子的热运动,使煤岩难以吸附气体,但利于煤岩解吸气体。     

潘谢东区块煤层气富集地质控制规律研究

从构造、煤层埋深和水文地质条件等3个方面探讨了淮南煤田潘谢东区块煤层气富集的地质控制规律，指出现今煤层合气量的分布规律体现出褶皱控气的特征，但不同煤层因构造煤发育程度的差异，其含气性在不同褶曲部位有所不同；煤层气含量总体上受储层压力的控制，但埋深增加和储层温度升高，吸附性降低，煤层气含量随埋深增加的下限深度因褶曲和煤层有所不同；区内断层的富水性弱，断层两侧裂隙较为发育，煤层气有所选散，断层带煤层气含量稍低。     

南华北盆地中牟—温县区块上古生界页岩气吸附特性

为研究南华北盆地中牟-温县地区上古生界山西组-太原组页岩气吸附特征及其主控因素,开展了等温吸附实验,并建立了温-压吸附综合预测模型。结果表明：①上古生界太原组页岩兰氏体积高,吸附能力强,但山西组页岩兰氏压力高,更有利于页岩气脱附解吸;②页岩吸附气量与埋深呈正相关关系,与含水率呈负相关关系,主要受控于深埋作用下的温压条件及相态传质作用;③温度对页岩吸附能力影响显著,温度升高可导致吸附气质量体积和兰氏体积衰减系数下降,但当埋深大于3 731 m时,温度对吸附量的控制作用明显减弱,而深埋条件下兰氏压力较大,使得降压解吸过程中高压段更利于甲烷解吸。因此,研究区北部深层（埋深> 3 500 m）页岩气仍然具有较大的开采潜力。该研究成果对深层页岩气勘探具有一定的指导意义。     

超临界条件下煤层甲烷视吸附量、真实吸附量的差异及其地质意义

煤层甲烷高压等温实验一般已属于超临界条件,由其吸附数据计算出的视吸附量不能反映真实吸附量,两者存在差异,因而由视吸附量建立的煤层气产能评价及含气性评价需要重新进行厘定。为深入研究这一差异性,基于前人成果并结合一般气体状态方程,给出了甲烷视吸附量和真实吸附量在不同压力点下的关系式,对具体等温吸附数据进行了计算。结果显示：真实吸附量和视吸附量差值随压力增大而增大,煤储层吸附性越强差值越大;同时,以视吸附量代替真实吸附量求取的临界解吸压力和实测饱和度均要大些。据此认为,依据视吸附量预测深部含气量会远远低估深部煤储层的含气性,超临界条件下,深部游离气含量数值可能要远远大于以往的认识。该结论对于重新认识煤储层真实吸附性及含气性具有重要意义。     

黔北煤田林华井田煤层气分布特征及资源潜力

基于煤层气测试结果分析井田煤层气分布规律。分析结果表明:林华井田煤层具有良好的含气条件,具有良好的煤层气成藏条件,具有较大的煤层气资源潜力;井田中部新华向斜轴部煤层埋深较大的地段为煤层气富集区,甲烷含量一般随埋深增加而升高。     

页岩气与煤层气吸附特征对比实验研究

煤层气的吸附特征决定了煤层气的开采特征,对比分析煤层气和页岩气的吸附特征对页岩气的开采具有重要的指导作用。通过页岩和煤层的等温吸附实验分别分析了不同温度下煤层和页岩的吸附特征,页岩有机质含量和有机质成熟度对页岩吸附的影响,以及不同煤阶等温吸附特征。研究表明随着温度的升高,页岩和煤层对甲烷的吸附量呈下降趋势,但是温度对页岩的吸附影响比煤层对甲烷吸附的影响更加明显;随着R_O值的逐渐增大,煤层的P_L值逐渐减小,V_L值逐渐增加,页岩的P_L值和V_L值都逐渐减小;随着煤有机质含量的增加,煤层的P_L值逐渐增加,V_L值逐渐减小。随着页岩有机质含量的增高,页岩的P_L值和V_L值都逐渐增大;煤层对甲烷的最大吸附量比页岩多,采用降压解吸的方式对煤层吸附特征影响较大,但是对页岩气的吸附特征影响较小。     

储层条件下煤吸附甲烷能力预测

煤的吸附能力受煤的性质（煤阶、煤岩组分、煤体变形）和环境条件（温度、压力）的控制。探讨储层温度、压力下的煤吸附能力是含气量预测的前提和基础。根据Polanyi的吸附势理论，结合实测等温吸附数据，首先绘制了煤吸附甲烷的吸附势特性曲线，然后建立反映吸附量、温度和压力三者之间关系的数学模型。此模型可在已知某一温度下的吸附等温线时，计算任一温度、压力下煤的吸附能力，也就是储层条件下的理论最大含气量。该模型的建立使得定量评价地质历史时期煤层气的聚集与散失成为可能，并且在沁水盆地东南部得到了成功应用     

华北地区各类煤储层孔隙、吸附特征及试井成果分析

为系统总结华北地区各煤类的主要物性特征,指导煤层气的勘探开发,对该区各种煤类共205件煤样进行了压汞实验,分析了各煤类孔径结构的比孔容、比表面积特征。基于180件煤样的高压等温吸附实验,探讨了朗格缪尔体积（V_L,daf）、朗格缪尔压力与煤级的关系,发现朗格缪尔体积与煤级的关系呈现出两段式变化模式,即煤化程度在R_o,max＜4%之前,V_L,daf随R_o,max的增加而增大,当R_o,max＞4%后,V_L,daf随R_o,max的增加而减少,而朗格缪尔压力与煤级的关系复杂,数据十分离散。基于该区煤层气试井成果（170层次试井储层压力、204层次试井渗透率）,划分了煤储层试井储层压力、试井渗透率类型：该区以欠压储层为主,占69.4%左右,正常压力储层占27.1%,超压储层仅占3.5%,储层压力梯度总体随埋深的增加呈现出增大的趋势;超低渗透储层占26.0%,低渗透储层占36.8%,中渗透储层占18.1%,高渗透储层占19.1%,试井渗透率总体随埋深的增加而减少。     

大宁地区煤层气成藏控气因素分析

大宁地区是鄂尔多斯盆地东部石炭-二叠含煤层系的主要分布区，煤层气资源量约为1.8×10¹²m³。通过研究该区上石炭统太原组和下二叠统山西组主力煤层厚度、埋深、煤岩煤质特征及演化程度、煤层吸附性、煤储层物性及含气性、煤层气保存条件和资源分布等因素，得出了以下结论：大宁地区煤层气成藏控气条件有利，具有煤层厚度大、分布面积广、煤储层孔裂隙发育、含气量高，煤层吸附饱和度高、顶底板封盖性能好、水动力条件优越等特点，是中煤阶煤层气勘探的有利目标区。     

量化指标在煤层气开发潜力定量评价中的应用

等温吸附曲线蕴藏了丰富的煤储层信息,对于认识煤层气开发潜力至关重要。为了更好地挖掘等温吸附曲线蕴含的丰富信息,定量评价煤层气开发潜力,首先对不同盆地/地区煤岩等温吸附曲线进行了对比分析,探讨了含气饱和度和临储比比值指标的意义和局限性,在此基础上,提出临储压差、临废压差和有效解吸量3个量化指标,并结合具体实例对其应用效果进行分析和论述。研究表明,含气饱和度和临储比是比值指标,可以用来对比评价不同区块、不同煤层、不同井之间开发潜力的优劣和定性评价煤层气开发潜力;相比而言,临储压差、临废压差和有效解吸量可应用于区块和单井不同层次煤层开发潜力定量评价中,能够更好地反映煤层气开发潜力。实例分析表明,寿阳区块15号煤储层有一定的开发潜力,但因其煤岩吸附时间长(扩散速度低),需在见气后通过较长时间的缓慢排采,实现产气潜力的释放;恩洪EH-C6井需要较长时间的前期排水降压过程,但其开发潜力比较乐观。     

基于重量法的煤吸附甲烷实验及热力学分析

研究吸附热对认识煤吸附甲烷作用机理具有重要作用.利用重量法对2组煤样进行303 K、308 K、313 K等温吸附实验,计算得到煤吸附甲烷的等量吸附热,分析煤吸附甲烷的热力学性质.结果 表明:计算得到的等量吸附热在实验温度压力及对应的吸附量范围内最大值分别为30.51 kJ/mol和23.14 kJ/mol,表明煤对甲...     

川南煤田古叙矿区DC-5井上二叠统龙潭组煤层甲烷吸附性及其主控因素

煤层甲烷吸附性研究对于指导煤层气勘探开发以及揭示煤层储气机理具有重要作用。通过钻井取样、煤岩-煤质特性分析以及甲烷等温吸附实验,研究了川南煤田古叙矿区龙潭组不同深度煤层的煤质特征与甲烷吸附性差异,运用多元线性逐步回归方法分析了影响煤层甲烷吸附能力的主要因素。结果表明:古叙矿区龙潭组煤镜质组最大反射率RO,max值为2.83%~3.22%,属于高阶煤;显微组分以镜质组为主,惰质组次之,不含壳质组,无机矿物以黏土类为主;不同煤层的水分含量和挥发份产率差别不大,但是灰分产率和固定碳含量差别较大,导致朗格缪尔体积变化在11.39~25.06 m^3/t之间。认为固定碳含量是影响古叙矿区煤层甲烷吸附能力的主要因素,且固定碳含量与朗格缪尔体积呈正相关关系。     

含煤盆地深层“超饱和”煤层气形成条件

中国深层煤层气资源丰富,但总体勘探和认识程度较低,尚未形成较为系统的深层煤层气地质理论。通过解剖分析准噶尔盆地白家海凸起和鄂尔多斯盆地临兴区块深层"超饱和"煤层气井的试气/生产动态,估算原地游离气的含气量,分析了深层"超饱和"煤层气的形成条件。研究表明：①深层"超饱和"煤层气储层中除吸附气外,还含有原地游离气,用常规试气方法可直接获得气流,煤层气的产出不明显依赖于排水降压;②埋藏超过一定深度,在煤阶和温度的综合作用下,煤的吸附能力将随埋深的继续增加而降低,煤层中吸附气的饱和度有增加的趋势,在达到吸附饱和后,出现原地游离气并形成"超饱和"煤层气,盆地深层具有"超饱和"煤层气形成的优势条件;③由于地温梯度和压力梯度的不同,不同盆地"超饱和"煤层气出现的临界深度不同,异常高压和异常高热流可以降低深层"超饱和"煤层气形成的临界深度;④深层"超饱和"煤层气开发具有大大缩短见气时间、充分利用地层能量和累积产水量低等优势,有望成为未来煤层气勘探开发的一个重要领域。     

含煤盆地深层“超饱和”煤层气形成条件

中国深层煤层气资源丰富，但总体勘探和认识程度较低，尚未形成较为系统的深层煤层气地质理论。通过解剖分析准噶尔盆地白家海凸起和鄂尔多斯盆地临兴区块深层"超饱和"煤层气井的试气/生产动态，估算原地游离气的含气量，分析了深层"超饱和"煤层气的形成条件。研究表明：①深层"超饱和"煤层气储层中除吸附气外，还含有原地游离气，用常规试气方法可直接获得气流，煤层气的产出不明显依赖于排水降压；②埋藏超过一定深度，在煤阶和温度的综合作用下，煤的吸附能力将随埋深的继续增加而降低，煤层中吸附气的饱和度有增加的趋势，在达到吸附饱和后，出现原地游离气并形成"超饱和"煤层气，盆地深层具有"超饱和"煤层气形成的优势条件；③由于地温梯度和压力梯度的不同，不同盆地"超饱和"煤层气出现的临界深度不同，异常高压和异常高热流可以降低深层"超饱和"煤层气形成的临界深度；④深层"超饱和"煤层气开发具有大大缩短见气时间、充分利用地层能量和累积产水量低等优势，有望成为未来煤层气勘探开发的一个重要领域。     

构造煤的孔隙结构及对瓦斯吸附性实验研究

The pore structure and gas adsorption property of deformed coal with different degrees of metamorphism weretested by low-temperature nitrogen adsorption and isothermal adsorption experiments. The fractal theory and the Langmuiradsorption theory were used to analyze the experimental data. The test results showed that the deformed coal had more heterogeneouspore structures and open pores, and its specific surface area （SSA） and fractal dimension （D） were higher. Thereis a polynomial relationship between D and specific surface area as well as gas adsorption capacity （VL）. The gas adsorptioncapacity of deformed coal is influenced by pore structure, coal rank, deformation and stress together, among which the porestructure is the main influencing factor for the adsorption capacity of deformed coal. The test pressure could affect the accuracyof the adsorption constants a and b, so the highest experiment pressure should be greater than the actual pressure ofcoal seam in order to reduce the deviation of adsorption constants.