延1井煤层解吸与吸附实验及应用研究

2011-02-13倪光禹任以发

中国煤层气 2011年2期

倪光禹程伟任以发

(1.河南省煤田地质局四队,河南 467000;2.中国石化华东分公司石油勘探开发研究院,江苏 225000)

1 区域特征

延川南区块位于晋陕交界处,以黄河为界分为山西省部分和陕西省部分,主要含煤层系为石炭系太原组和二叠系山西组,以中-高变质焦煤、瘦煤和贫煤为主,有较强的吸附能力,兰氏体积 (VL)达到34.18m3/t。煤层埋藏深度多在1500m以内,含煤面积672km2,山西组2#煤层赋存于山西组下部,上距K8砂岩底30m左右,煤层较稳定,平均厚度5.97m。10#煤层赋存于太原组下部,K2灰岩为其顶板。煤层层位稳定,平均厚2.57m,是煤层气勘探开发的主要目标煤层。该盆地煤层含气量高,2#煤层最高含气量为 14.24m3/t,平均为6.68m3/t,10#煤层最高含气量为14.11m3/t,平均为7.41m3/t,煤层气资源量大,开发条件较好。

2 煤层解吸特征及影响因素

煤层气体在基质中吸附的过程是一种物理现象,吸附能力与温度、压力有关。在一定的条件下,被吸附的气体分子会从基质表面脱离出来,称为解吸。煤层气的解吸作用是当煤储层压力降低时,甲烷吸附气从煤层逸出的过程。煤层含气量是指煤层在地层条件下所含的煤层气的总量,包括绳索式取芯过程中的散失量、解吸量和残余量。煤层气的产出能力取决于储气能力、煤层气储量和运移特性。为了准确地评估这些数据,必须了解本区域煤层气含量和煤层气解吸特征。准确的测量煤层气含气量对于本区块煤层气储量计算、勘探开发等具有重要的意义。

根据煤层气含量测定方面的国家标准 G B/T19559-2008《煤层气含量测定方法》,煤层压力下降时,吸附在煤上的气体释放出来,解吸是由于储层与井眼之间的压差造成的。

图1 损失气计算图

从地层钻取煤心到装罐之前,部分气体就已经从煤样中释放出来,这部分气量就叫做损失气量。延1井取心地面环境温度在29～38℃,按照国标解吸罐中的温度与地层温度一致,地层温度仅为31℃,煤芯装入解吸灌后所释放出来的气量叫做自然解吸气量 (见图1)。经过一段时间的解吸,煤芯不再释放吸附的气体,此时仍然停留在煤样中气体就叫做残余气。煤层气总体积是指损失气体积、实测的气体体积、残余气体积的总和。解吸气量是否具有代表性受诸多因素影响,主要有地面暴露时间、温度、取芯率等。

损失气量计算采用直接法。解吸量与时间平方根成正比。以标准状态下累计解吸量为纵坐标,损失气时间与解吸时间和的平方根为横坐标作图,将最初解吸的各点连线。延长直线与纵坐标轴相交,则直线在纵坐标轴的截距为损失气量。图2为某样品的损失气计算图。

图2 煤层气累计解吸曲线图

取芯率的高低对含气量的高低也有影响,取芯率高时,煤芯相对完整,代表性强,数据相对可靠。采取率低时,代表性差。煤层气解吸量是随温度、压力、时间变化的函数,解吸时间越长,解吸的气量也就越大。解吸初期,解吸气量随时间变化增长很快,而解吸后期则变化很少。通过对所做的样品统计分析,可以通过提高解吸终止下限,达到减少解吸时间目的。

连续7天每天解吸量都小于10cm3,终止解吸。将此终止限提升至连续2天每天解吸量小于20cm3,或解吸量小于30cm3、解吸量小于50cm3,进行对比。以 Y1-5-1样品为例,将终止限提升至T2(连续2天每天解吸量小于20cm3),解吸时间缩短27.17%,解吸气量减少2.52%;将终止限提升至T3(连续2天每天解吸量小于30cm3),解吸时间缩短40.76%,解吸气量减少4.07%;将终止限提升至T4(连续2天每天解吸量小于50cm3),解吸时间缩短57.07%,解吸气量减少7.15%。

除了煤芯粒度、煤阶、煤岩煤质等影响因素外,煤层温度是影响测定周期的主要因素之一。对解吸时间的影响主要体现在对解吸速率的影响,提升解吸温度可以缩短解吸时间,并不影响解吸的总气量。两块煤芯采用煤层温度27℃水浴解吸,另外两块采用35℃水浴解吸。35℃条件下水浴解吸比27℃水浴解吸的吸附时间少4小时,可见温度对吸附时间的影响。

吸附时间是由解吸实验求得的,定义为实测气体体积累计达到63.2%所对应的时间。煤储层吸附时间多在数小时至16天之内。吸附时间是煤层气解吸速度的一种形式,也是煤层气通过储层的扩散速度的近似表现形式。

吸附时间平均值常用于模拟单个或多个煤层的煤层气产量。一个气藏模型中单个煤层根据煤层气不同的运移及储集特性,按垂直方向被划分为独立的岩性单元,单个煤区划分为数层,根据每层的厚度、煤层气储量和运移特性,就能求得近期或远景预测产量。煤岩的吸附时间受到诸多地质因素的影响,包括煤层的沉积环境、温度、煤阶、煤岩组分、煤岩类型、孔隙度、渗透率以及煤的水分、灰分含量等。

与取芯时间、温度有关：提芯时间指的是从井底开始提芯至把煤芯提至井口的时间,暴露时间指的是煤芯从提至井口,到装入解吸罐密封的时间。

从图3可以看出,延1井的钻井取心时间为7月底8月初,当时的环境温度在29～38℃,而放入解吸罐中的解吸温度为31℃,在这样的地表环境下,暴露时间的长短影响含气量高低较为明显。

图3 延1井取芯情况与含气量关系图 (截止到2009年8月11日)

温度与吸附量温度与吸附量线性回归方程：

式中,Y：吸附量,cm3/g;

X：温度,℃。

延1井共取2#煤层样9个,总含气量空气干燥基为5.57～11.72cm3/g,平均为8.89cm3/g;总含气量干燥无灰基平均值为10.57cm3/g,甲烷含量空气干燥基平均值为8.28cm3/g,甲烷含量干燥无灰基平均值为9.85cm/g,吸附时间平均值为7.56d。10#煤层总含气量空气干燥基平均值为5.95cm3/g,总含气量干燥无灰基平均值为7.20cm3/g,甲烷含量空气干燥基平均值为5.90cm3/g,甲烷含量干燥无灰基平均值为7.14cm3/g。

3 煤层吸附特征及影响因素

煤层吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附是由范德华力或静电力引起的,气体和固体之间的结合较微弱,物理吸附是快速的、可逆的。延1井煤中气体的吸附属于物理吸附过程。煤对气体的吸附能力受多种因素的影响,主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性的显微组分、气体组分等。

3.1 煤层吸附方程

煤层中天然气以游离、吸附和溶解三种状态赋存于煤层中,由于吸附状态的天然气可占70%～90%,所以天然气在煤层中的储集主要依赖于吸附作用,符合Langmuir方程。

通常表示为：

式中 V——吸附量,cm3/g;

VL——兰氏体积 ,cm3/g;

PL——兰氏压力 ,MPa;

P——气体压力 ,MPa。

兰氏体积VL是衡量煤岩吸附能力的量度,其值反映了煤的最大吸附能力。兰氏压力值PL是影响吸附等温曲线形态的参数,是指吸附量达到1/2兰氏体积时所对应的压力值。该指标反映了煤层气解吸的难易程度。兰氏压力值越高,煤层中吸附的气体脱附就越容易,开发越有利。煤储层需较长时间达到最大气产量,但产能较稳定。兰氏压力越小,解吸效率越高,煤储层具有较高的初始气产量。