等温吸附曲线在煤层气排采中的应用——以织金区块为例

许科，崔彬

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2.中国石化华东油气分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

等温吸附曲线在煤层气排采中的应用
——以织金区块为例

许科1，崔彬2

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2.中国石化华东油气分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

煤的吸附和解吸特征是决定煤层含气量大小和煤层气开发潜力的重要影响因素。以等温吸附理论为基础，定量划分了合理的排采阶段和解吸阶段，制定了系统的排采制度体系。该体系在织金区块得到了很好的应用，并取得了较好的排采效果。

织金区块；煤层气；等温吸附特征；解吸阶段；排采制度

与常规天然气以游离态赋存于储层中不同，煤层气主要以吸附态赋存于煤层微孔隙的表面。煤层气的产出需经过解吸—扩散—渗流三个过程，煤层的吸附与解吸特征对煤层气开发有重要影响。针对不同等温吸附特征的煤层，应采取不同的排采制度，以达到煤层解吸效率的最大化，提高煤层气井的产出效益。

织金区块位于贵州省西部，构造上处于上扬子陆块黔中隆起，区块内发育2个相对完整的大型含煤向斜——黔西向斜和岩脚向斜，含煤地层主要为上二叠系统龙潭组。其中岩脚向斜勘探程度较高，主要发育NW向和NE向两组构造，包括NW构造比德、水公河次向斜和NE构造珠藏、三塘、阿弓次向斜[1]。华东分公司先后在珠藏、比德两个次向斜实施8口探井，煤岩等温吸附实验表明，两个次向斜煤岩具有不同的等温吸附特征，8口探井的排采特征也表现出很大差异。本文通过对比分析珠藏、比德两个次向斜等温吸附特征和煤层气井产气特征差异的相关性，划分了不同的解吸和排采控制阶段，为织金区块煤层气井分阶段差异化排采提供理论依据。

1 吸附特征及解吸阶段划分

1.1 吸附特征

煤的吸附和解吸特征是决定煤层含气量大小和煤层气开发潜力的重要影响因素。由于煤基质与甲烷分子之间作用力属于范德华力，主要为物理吸附，符合兰格缪尔单分子层吸附理论。煤的吸附能力是吸附质、温度和压力的函数，在温度和吸附质一定的情况下，甲烷在煤基质的吸附量可用兰格缪尔方程描述[2-3]：

式中：V为吸附量，m3/t；P为压力，MPa；VL为兰氏体积，m3/t，反映煤的最大吸附能力；PL为兰氏压力，MPa，影响等温吸附曲线形态的参数，反映煤层气解吸的难易程度。

珠藏、比德次向斜煤岩等温吸附实验表明，两个次向斜煤岩具有不同的等温吸附特征。珠藏次向斜典型煤岩兰氏体积为39.37 m3/t，兰氏压力1.04 MPa；比德次向斜典型煤岩兰氏体积为28.41 m3/t，兰氏压力1.43 MPa。两个次向斜等温吸附曲线形态明显不同（图1）：在高压区，珠藏次向斜的吸附量明显高于比德次向斜；在低压区，珠藏次向斜的曲线斜率高于比德次向斜，随压力变化，煤层气的吸附量急剧变化。

图1 珠藏、比德等温吸附曲线对比Fig.1 Isothermal adsorption curves comparison of Zhuzang and Bide subsyncline

从图1煤岩的等温吸附曲线可以看出，随压力降低，煤层气的解吸速率越快。通过单位压降下每吨煤的解吸量，定义为解吸效率，可以定量表征不同储层压力下煤层气解吸量。从兰格缪尔方程可知，煤层气的解吸效率即为煤层气吸附量的一阶导数：

图2可以看出，在储层压力较高区域，煤层气的解吸效率较低，随着储层压力的降低，煤层气解吸效率逐渐增大[4-5]。在低压区珠藏次向斜的解吸效率明显高于比德次向斜。

图2 珠藏、比德解吸效率曲线对比Fig.2 Desorption efficiency curves comparison of Zhuzang and Bide subsyncline

1.2 解吸阶段划分

为定量分析煤层气解吸特征对煤层气产出的影响，孟艳军[6]等人引入煤层气等温吸附曲线曲率函数把煤层气解吸曲线进行了定量划分，通过求取等温吸附曲线曲率函数一阶导数和二阶导数得到曲率函数的驻点和两个拐点，将三个点对应的压力点分别定义为转折压力Ptu、敏感压力Pse和启动压力Pst，三个压力点的表示式为：

将上述三个压力点的表达式代入解吸效率公式，可以发现虽然不同煤样等温吸附曲线的关键点对应压力值不同，但对应的解吸效率是定值，分别为1.00 m3/（t·MPa）、2.59 m3/（t·MPa）、0.55m3/（t·MPa）。三个压力点可将等温吸附曲线划分为低效解吸、缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸4个阶段。依据上述方法分别求取织金区块两个次向斜等温线吸附曲线的三个关键压力点，将等温吸附曲线划分为四个阶段（表1，图3）。从计算结果可以看出，珠藏次向斜的敏感压力、转折压力和启动压力均高于比德次向斜。

2 排采阶段划分

珠藏次向斜主力煤层埋深400～600 m，储层压力3.5～5.5 MPa，含气量为15～20 m3/t，实际排采得到珠藏次向斜煤层解吸压力2～2.5 MPa。依据上述划分的解吸阶段可以看出（图4），珠藏次向斜煤层解吸压力位于敏感解吸区域，煤层气解吸效率高，从图4珠藏次向斜两口典型探井流压与产气量关系可以看出，煤层解吸以后，随着压力降低，煤层气快速解吸，产气量快速上涨。

表1 珠藏、比德等温吸附参数Table 1 Isothermal adsorption parameters of Zhuzang and Bide subsyncline

图3 解吸阶段划分Fig.3 Desorption phase division

图4 珠藏解吸阶段划分与产气特征Fig.4 Desorption phase division and gas production characteristics of Zhuzang subsyncline

比德次向斜主力煤层埋深900～1 200 m，储层压力8.5～11.5 MPa，含气量与珠藏次向斜相当，也为15～20 m3/t，实际排采得到比德次向斜煤层解吸压力4.5～7 MPa。比德次向斜煤层气解吸压力主要位于缓慢解吸阶段和快速解吸阶段初期，此阶段煤岩等温吸附曲线较为平缓，随压力降低，解吸气量小（图5）。从图5两口典型探井的流压与产气量关系也可以看出，煤层解吸见气后，随着流压下降，产气量上涨缓慢，织8井流压降低至邻近敏感压力时，产气量开始快速上涨，与敏感解吸阶段煤层气的快速解吸特征相一致。

图5 比德解吸阶段划分与产气特征Fig.5 Desorption phase division and gas production characteristics of Bide subsyncline

为提高织金区块煤层气产出效率，依据珠藏、比德两个次向斜的储层压力、解吸压力和等温吸附特征差异，划分制定织金区块差异化的排采阶段和排采制度，通过划分不同的排采阶段，并制定每个阶段的排采制度，为两个次向斜后续煤层气井的排采提供依据。表2所示，在解吸见气前划分为两个阶段，以提高返排率、扩大压降面积为主要目的，在压裂液返排率达到30%后开始降压产气。解吸见气后由于珠藏次向斜煤层解吸压力位于敏感解吸区域，控制日降液面小于0.5 m/d，避免气量涨幅过快，而比德次向斜解吸压力主要位于缓慢解吸阶段和快速解吸阶段初期，煤层解吸见气后应适当加快液面降幅，保持日降液面1～2 m/d至敏感压力2.5 MPa左右，避免在煤层气缓慢解吸阶段排采时间过长造成产气量上涨过慢，当压力降至敏感压力以下后控制液面降幅小于0.5 m/d，缓慢降压控气生产。

表2 珠藏、比德排采阶段划分及排采制度Table 2 Production phase division and production system of Zhuzang and Bide subsyncline

3 结论

1）织金区块珠藏、比德次向斜具有不同的等温吸附特征，珠藏次向斜具有相对较高的兰氏体积和较低的兰氏压力，其敏感压力、转折压力和启动压力均高于比德次向斜。

2）珠藏次向斜煤层解吸压力位于敏感解吸阶段，煤层解吸以后随压力降低，产气量快速上涨，比德次向斜煤层解吸压力主要位于缓慢解吸阶段和快速解吸阶段初期，此阶段等温吸附曲线较为平缓，单位压降下，解吸气量小，产气量上涨缓慢。

3）珠藏次向斜煤层解吸后应采取缓慢降压控产排采制度，日降液面＜0.5 m，比德次向斜解吸见气后适当加快液面降幅，日降液面1～2 m，至敏感压力2.5 MPa后采取缓慢降压控产排采制度。

[1]熊斌，刘晓，马军，等.织金区块煤层气勘探潜力分析[J].油气藏评价与开发，2012，2（6）：72-76.

[2]陈浩，李建明，孙斌.煤岩等温吸附曲线特征在煤层气研究中的应用[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011，13（2）：24-26.

[3]陈振宏，王一兵，宋岩，等.不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比[J].天然气工业，2008，28（3）：30-32.

[4]赵辉，杨子荣.煤层气等温吸附曲线形态对产气量的影响[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2007，26（S2）：37-39.

[5]李安启，张鑫，钟小刚，等.煤岩吸附曲线在煤层气勘探开发中的应用[J].天然气工业，2008，28（3）：80-82.

[6]孟艳军，汤达祯，许浩，等.煤层气解吸阶段划分方法及其意义[J].石油勘探与开发，2014，41（5）：612-617.

（编辑：尹淑容）

Application of isothermal adsorption curves in coalbed methane production——A case study in Zhijin block

Xu Ke1and Cuibin2
（1.Petroleum Engineering College of Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China;2.Unconventional Resources Exploration and Development Headquarter,East China Oil and Gas Company,SINOPEC,Xiangning,Shanxi 042100,China）

The adsorption and desorption characteristics of coal are the important influential factors to determine gas content and development potential of coalbed methane.Based on isothermal adsorption theory,the reasonable production and desorption phase are quantitative classified and systematic production system is made,in addition,the production system is well applied in Zhijin block and achieves good production effects.

Zhijin block,coalbed methane,isothermal adsorption characteristic,desorption phase,production system

TE132.2

A

2015-09-02。

许科（1993—），男，大学本科，石油工程专业。