煤层气的开采机理研究

23卷 第 4期 2011年 8月 岩 性 油 气 藏 LITH0L0GIC RESERVOIRS V01．23 No．4 Aug．2011 编号 ：1673—8926(201 1)04—0009—03 煤层气的开采机理研究 李传亮 ，彭朝阳 (1．西南石油大学“油气藏地质及开发 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ”国家重点实验室；2．中国石油煤层气有限责任公司) 要 ：煤层气为 自生 自储型非常规天然气资源。为 了更好地开发煤层气，需要深入研究煤层气的开采机 。 煤层气赋存于煤岩层的割理和基质孔隙中，以吸附状态为主，且与地层水共存。煤层气从孔隙壁面上 吸下来之后 ，才能被开采。开采地层水导致地层压力下降，进而导致煤层 气解吸成为 自由气，解吸后的 层气沿割理渗流至井底后被采出地面。煤层气的开采过程包括脱气、解吸和渗流 3个阶段。扩散不是 层气的开采机理 键词：煤层气；割理 ；基质 ；吸附；解吸；脱气；扩散 图分类号 ：P618．1l 文献标识码 ：A 煤层气的开发已进入工业化 时代 ．但其开发理论的研究却明 显滞后于开发实践。煤层气的开 采机理依然不是 十分清楚 ，明显 制约着开发实践的健康发展。 煤层气的赋存状态以吸附为 主 ，其 开采过程通 常分 为 3个 阶 锌吸 、扩散 和渗流 [-3。但 根据笔者 的研究 ，扩 ：不是煤层气的开采机理，煤层气的开采过程应 丑溶(脱气)、解吸和渗流。 赋存状态 煤层气是一种非常规天然气，没有圈闭，也没 层，属于自生自储类型。煤岩层既是烃源层，又 }集层，煤层气在煤岩层生成后就地储集。 煤岩层没有盖层 ．就无法聚集 自由气 ，煤层气 ：吸附作用附着在孔隙壁面而保存下来的(图 1)。 层通过基质收缩和地应力作用产 生了大量 的 度裂缝(割理)H]，割理把煤岩层切割成大量的 岩块 ，基质岩块 中发育有大量 的基质孔 隙。煤 的 比表 面积 (比面 )很大 ，如 褐煤 的 比面约 为 m2／g，为煤层气 的吸附赋存提供了物质条件。 煤岩层富含沉积有机质 ，它们在热压作用和微 害0理 图 1 煤层气赋存状态示意图 Fig．1 Sketch of coalbed methane occurrence 生物的作用下，生成了大量的甲烷等低分子气体。 甲烷分子被排入割理或基质孔隙中，而割理 和基质 孑L隙充满 了地层水 ，由于 甲烷在地层水 中的溶解度 极低 ．因此 。大量 的甲烷分子被迫 吸附在孔 隙壁面 上 ，只有少量 的甲烷溶解于地层水 中。甲烷 分子与 水分子大小相当，且平衡共存。吸附的甲烷分子 呈分散状态 ，若生成 的甲烷分子增 多 ，就会聚集成 连续相气泡(自由气)。由于煤岩层的亲水特性[5]， 气泡生成后便会在浮力 的作用下 向上运移 出煤岩 层E6]，从而散失掉 。没有盖层 ，煤岩层是很难聚集 自 由气 的。 煤岩层的地层水饱 和了甲烷分子 ，是 甲烷的饱 和水溶液。煤岩层 中的地层水比煤岩层之外的地层 稿 日期 ：2011-05—31：修 回日期 ：2011—06—15 一 作者简介：李传亮，1962年生，男，博士，教授，主要从事油藏工程的教学和科研工作。地址：(610500)v~Jll省成都市西南石油大学“油气 藏地质及开发工程”国家重点实验室。电话 ：(028)83033291。E—mail：ellipe@qq．corn 10 岩 性 油 气 藏 第 23卷 第4期 水溶解 了更多的甲烷分子 ，因此 ，其 甲烷浓度更高 一 些 。在浓度差的作用下 ，煤岩地层水中的甲烷分 子就会不断向外扩散 ，并散失在煤岩层之外的地层 之中，甚至扩散至地面散失掉。 煤岩层不断生成甲烷气 ，扩散作用和 自由气的 运移又使 甲烷气不断散失 ，生成与散失保持着一种 动态的平衡。如今的煤层气，是散失之后的剩余气。 2 吸附规律 煤岩层没有 自由气 ．只有散失之后的剩余吸附 气 。如何采出呈吸附状态的甲烷气体 ，是煤层气开 发能否成功的关键 。开发吸附气的第一步，就是将 吸附气从孔隙壁面上解吸下来，然后采出煤岩层。 根据液相吸附理论 ．甲烷的吸附量与甲烷在地 层水中的浓度(溶解气水比)满足下面的液相 Lang． muir方程[ ^ c a ( ) 式 中：c d为煤层气的吸附量 ，cm3／g；C adre为煤层气 的 饱和吸附量 ，cm~／g；c 为煤层气在地层水 中的浓度 ， m3／m3；6为煤层气的液相吸附系数 ，无因次。 由式 (1)可以看 出，煤 层气 的吸附量随 甲烷浓 度增高而增大 。但最终趋于一个极 限数值——饱和 吸附量 C (图 2)。 L m 图 2 煤层气液相吸附曲线 Fig．2 Adsorption curve of coalbed methane to rock in liquid 煤层气的饱 和吸附量是衡量煤 层气开采潜力 的关键参数 ，其值越高 ，开采潜力就越大。优质煤岩 层的饱和吸附量可达 50 cm3／g以上 ，即 1 t煤中的吸 附气可达 50 m 以上。由于散失的原 因，煤岩层的 实际生气量远远大于饱和吸附量 。 甲烷在地层水 中的浓度 随温度 、压力和矿化度 的变化而变化 ，地层条件下的 甲烷 浓度通常很小 ． 一 般低于或在 1 m3／m 左右_8 。根据式(1)，要想使 甲烷从孔隙壁面上解吸下来 ，可以通过降低地层水 的甲烷浓度来实现，即在井底降低甲烷浓度，让煤 岩层 中的煤层气解 吸。然后再扩散至井底而被采出 (图 3)。 图 3 煤层气开采示意图 Fig．3 Sketch of flow of coalbed methane 通过扩散作用将解 吸下来 的煤 层气运移至井 底并开采出来，理论上可行实际上却不可行。因为 目前 尚没有在井底有效降低 甲烷浓度 的好方法 。而 且甲烷在地层水 中的溶解度和扩散系数(约为 14．9× 1O cm2／s )都很小 ，不能有效传质。 3 排水采气 排水采气或抽水采气l3 就是指通过开采地层水 进而开采煤层气的方法 ，其开采过程分为 3个阶段 ： 脱气、解吸和渗流。 3．1 脱气 地层水饱和了甲烷分子 ，甲烷 的浓度(溶解气 水 比)随地层压力的变化曲线与原油的溶解气油 比 曲线类似 ，近似为一条直线(图 4)，可以用下面的方 程描述[ C = p (2) 式 中：O／为甲烷的溶解系数 ，m3／(m ·MPa)；p为地层 压力，MPa。 P 图 4 煤层气在水 中的溶解 曲线 Fig．4 Solution curve of coalbed methane in formation water 从煤岩层中开采地层水 ，地层压力会下降．因此 2011．年 李传亮等：煤层气的开采机理研究 就会有气体从地层水中脱出(出溶)，从而形成连续 的自由气 (图 5)。 图 5 地层水脱气形成 自由气 Fig．5 Free gas through degas from formation water 3．2 解吸 (1)气相解吸 自由气一旦形成 ．气相压力与吸附气之间就建 立起了新 的平衡关系。根据气相 吸附理论 ，甲烷 的 吸附量 与地层压力 满足下面 的气相 吸附 Langmuir 方程[ c c (3) 式中：血为煤层气的气相吸附系数，MPa～。 由式 (3)可 以看 出 ，煤层气的吸附量随地层 压 力增高而增大(图6)。若想解吸吸附气，就必须降 低地层压力 。因此 ，开采煤层气 的一个必要条件 就 是先排水降低地层压力 ，压力降低后吸附气便会解 吸而成为自由气。 图 6 煤层气气 相吸附曲线 Fig．6 Adsorption curve of eoalbed methane to rock in gas (2)液相解吸 根据式 (2)，压力下降之后 ，地层水 的甲烷浓度 就会随 之降低 ；而按 照式 (1)，甲烷 的吸附量会 减 小 ，解吸量就会增加 。把式(2)带人式 (1)可以得到 cad—c (4) 由式 (4)可以看出 ，在被地层水饱 和的孔隙中 ， 甲烷的吸附量随地层压力的降低而降低 。因此 ，在 开采地层水之后 ，将有一部分吸附气被解吸下来 。 解 吸的 甲烷 分子无法溶 解在水 中(因为水 已经饱 和)，只有进入 自由气 ，使 自由气体积增大。 3．3 渗流 煤层气解吸成 自由气之后，就会按照渗流规律 从高压 区向井底附近的低压区流动 ，流入井筒后被 采 出地面。通常认为 ，煤层气被解吸之后 ，先从小孔 隙扩散至割理，然后再渗流到井底。其实，这种观点 是不正确的。根据 Fick定律 ，扩散是从高浓度区 向低浓度区的传质现象，需要浓度差或浓度梯度的 驱动 ．而自由气的浓度不论压力高低皆为 100％，是 不能产生扩散现象的。因此，自由气的传质是流动 行为 ，而不是扩散行为。压力梯度导致流动 ，浓度梯 度则导致扩散 。 目前 ，煤层气 的开采均采用排水采气的方法进 行，即完井之后先大排量采水 ，地层压力下降到一 定程度之后 ，煤层气便大量产出。扩散的速度太慢 ， 靠扩散开采煤层气 目前尚不具有经济价值。开采煤 层气的最有效方法就是排水采气法 。 4 结论 (1)煤层气是以吸附状态存在于煤岩层中的天 然气 ，且与地层水平衡共存 。 (2)开采地层水导致的地层压力下降．有利于 煤层气解吸而形成自由气。 (3)靠扩散作用不能有效开采煤层气，排水采 气是 目前最有效的煤层气开采方法。 (4)煤层气的开采过程分为脱气 、解 吸和渗流 3个阶段．而不是解吸、扩散和渗流 3个阶段。 参考文献 ： [1] 卢福长，武晓玲 ，唐文忠．扩散作用对煤层气可采性的影响[J]． 断块油气 田．2010．7(5)：17—18． 陈富勇，琚宜文 ，李小诗，等．构造煤中煤层气扩散一渗流特征 及其机理[J]．地学前缘，2010，17(1)：195～201． 苏喜立，唐书恒，羡法．煤层气的赋存运移机理及产出特征[J]． 河北建筑科技学院学报，1999，16(3)：67—71． 张胜 利 ．李宝芳 ．煤 层割理 的形成机理及 在煤层气勘探 开发评 价中的意义[J]．中国煤田地质，1996，8(1)：72—77． 李传亮．地下没有亲油的岩石[J]．新疆石油地质，201l，32(2)： 197—198． 李传亮 ，李 冬梅．渗 吸 的动力不 是 毛管压 力 [J]．岩性 油气 藏 ， 2011，23(2)：114-117． 天津大学物理化学教研室．物理化学(下)：(下转第 19页) 2011丘 郭秋麟等：非常规油气资源评价方法研究 Evaluation methods for unconventional hydrocarbon resources GUO Qiu—lin ，ZHOU Chang—qian ，CHEN Ning—sheng ，HU Jun—wen ，XIE Hong—bing ， (1．Research Institute ofPetroleum Exploration&Development，PetroChina，Beijing 100083，China； 2．China University ofGeosciences，Beijing 100083，China) Abstract：The unconventionM hydrocarbon resources are different from the conventional hydrocarbon resources in the aspects of accumulation mechan ism，occurrence，distribution，exploration and development method，etc．As the strategic supplements of conventional resources，the unconventional hydrocarbon resources are becoming highly valued．But now，an effective evaluation system is not yet built up for the evaluation of unconventional hydrocarbon resources in our country．Based on the accumulation mechanism and distribution characteristics of the unconventional hydrocarbon resources，five evMuation methods for unconventional hydrocarbon resources are introduced，including：analogy method，the major method of USGS；stochastic simulation method，the new developed method of USGS；reserve estimation method for single well，the typical statistical method；prediction method of hydrocarbon spatial distribution， the special statisticM method；prediction method of continuous tight sandstone gas reservoirs，the special genetic method．These evMuation methods provide theoretical basis for the evMuation of the unconventional hydrocarbon resources and the new national hydrocarbon resource． Key words：unconventionM hydrocarbon resources；analogy method；stochastic simulation method；statistical method； genetic method (本文编辑：郭言青) (上接第 1l页) 第二版[M]．北京：高等教育出版社，1983：162—179． 8] 秦同洛，李荡，陈元千．实用油藏工程方法[M]．北京 ：石油工业 出版社 ，1989：26． 9 张厚福，方朝亮，高先志，等．石油地质学[M]．北京：石油工业出 版社 ．1999：128． [1O] 何更生．油层物理[M]．北京：石油工业出版社，1994：84． [11] 孔祥言．高等渗流力学 [M]．合肥 ：中国科 技大学出版社 ，1999 380—381． Research on the flow mechanism of coalbed methane LI Chuan—liang ，PENG Chao-yang (1．State KeyLaboratory ofOil and Gas Reservoir Geology andExploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China； 2．Co~bed Methane Co．Ltd．，PetroChina，Beijing 100082，China) Abstract： CoMbed methane is an unconventional natural gas resource of self-generating and self-preserving．In order to develop the gas properly，it is necessary to study deeply the flow mechanism of combed methane．Coalbed methane is stored in the cheats of combed and pores of eoM matrix，which is in the form of adsorption and coexists with form ation water in coals．CoMbed methane must be desorbed from the pore wall before developed．Production of water from combed results in the drop of pressure，which leads to the desorption of combed methane to free gas．The combed methane desorbed flows to well bottom Mong cheats in coals and then is developed to ground surface．The development of combed methane can be divided into three stages：degassing，desorption and flowing．Diffusion is not a part of flow mechanism of coMbed methane． Key words：combed methane；cheat；matrix；adsorption；desorption；degas；diffusion (本文编辑 ：于惠宇)