第四章 煤储层压力及吸附.docx

第四章 煤储层压力及吸附/解吸特征煤层气以游离、吸附、固溶和溶解多种状态赋存于煤储层中其中吸附状态是煤层气最主要的赋存形式，储层压力是控制煤层吸附气量的最关键因素第一节 煤储层压力一、定义煤储层通常受到三个方向的应力作用：垂直主应力，近似于上覆岩层的重量；两个相互 正交的水平主应力，其大小明显不同，两者比值一般介于0.2~0.8 之间，且很少与垂向主应 力相等构造应力与所处构造部位密切相关，水平应力在逆断层或褶皱发育地段要远大于垂 向主应力，在正断层发育地段则小于垂向应力（国家地震局地壳应力研究所，1990）煤储层压力，是指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称 为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力煤储层压力一般通过试井 分析测得，即利用外推方法求取原始地层条件下相对平衡状态的初始压力煤储层压力与煤 层含气性密切相关，它与吸附性（特别是临界解吸压力）之间的相对关系直接影响采气过程 中排水降压的难易程度因此，煤储层压力的研究，不仅对煤层含气性和开采地质条件的评 价十分重要，同时也可为完井工艺提供重要参数煤储层流体要受到三个方面力的作用，包括上覆岩层静压力、静水柱压力和构造应力 当煤储层渗透性较好并与地下水连通时，孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压 力，即是说储层压力等于静水压力。

若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体被封闭而 不能自由流动，储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，这时储层压力便等于上覆岩层 压力在煤储层渗透性很差且与地下水连通性不好的条件下，由于岩性不均而形成局部半封 闭状态，则上覆岩层压力即由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担，即：O V=p + o （4-1）式中，％—上覆岩层压力，MPa； p—煤储层压力，MPa； g—煤储层骨架应力，MPa 此时，煤储层压力将小于上覆岩层压力而大于静水压力二、压力状态在实践中，为了对比不同地区或不同储层的压力特征，通常根据储层压力与静水柱压力 之间的相对关系确定储层的压力状态，采用的参数为储层压力梯度或压力系数储层压力梯度：系指单位垂深内的储层压力增量，常用井底压力除以从地表到测试井段 中点深度而得出，用kPa/m或MPa/lOOm表示，在煤储层研究中应用广泛储层压力梯度若 等于静水压力梯度（9.78kPa/m,淡水），储层压力状态为正常；若大于静水压力梯度，则称 为高压或超压异常状态；若小于静水压力梯度，则称为低压异常状态压力系数，被定义为实测地层压力与同深度静水压力之比值，石油天然气地质界常用该 参数表示储层压力的性质和大小。

当压力系数等于1时，储层压力与静水柱压力相等，储层 压力正常；在压力系数大于1的情况下，储层压力高于静水压力，称为高异常压力，如果储 层压力远远大于静水压力则称超压异常；若压力系数小于1，储层压力低于静水压力时，称 低异常压力因此，在煤储层压力研究中，需要综合考虑上覆岩层的性质和厚度、储层与上 覆岩层的水力联系、构造特征和构造应力场分布等因素，从而对储层压力状态及其作用因素 进行评价三、地质控制煤储层压力受地质构造演化、生气阶段、水文地质条件（水位、矿化度、温度、）埋深、 含气量、大地构造位置、地应力等诸多因素的影响煤层埋深和地应力的是储层压力的主要控制因素我国煤储层试井成果表明，我国煤储 层压力梯度最低为2.24 kPa/m，最高达17.28 kPa/m处于欠压状态的煤储层占总测试层次 数的45.3％；处于正常压力状态的煤储层占总层次数的21.9％；处于高压异常状态占总层次 数的 32.8％（叶建平等， 1998）上述情况表明：我国以欠压煤储层为主、分布普遍，但也 不乏高压煤储层红阳CW1井的7煤、铁法DT1井的13煤、太原西山XG1井的2煤、韩 城HS1井的5煤和11煤等为高压煤储层；沈北、平顶山、淮南、离柳一三交、大城、峰峰 等地区所测试的煤层几乎均为正常压力状态煤储层或略高于静水压力的高压煤储层；而阜 新、开滦、安阳—鹤壁、焦作、淮北、阳泉—寿阳、丰城等地区所测试的煤层全部或大部分 为欠压煤储层。

应当指出，个别超压煤储层的存在可能与试井作业代表性有关，应当结合水 文地质条件作具体的分析1、埋深煤储层压力总体上与埋深呈线性正相关关系，煤层埋深增加，储层压力随之增高（图 4-1），但数据较为离散（表4-1）我国煤层气试井成果表明，在埋深小于500m时，煤储层 平均压力均小于5MPa，如晋城、韩城、沁源、柳林等地；埋深小于1000 m时，除韩城、 太原西山、开滦等矿区的个别层次接近 11 MPa 以外，绝大部分煤储层的平均压力均小于 10MPa；当埋深大于1000 m时，除开滦矿区较低外，其他矿区煤储层平均压力均大于10 MPa，如大城、平顶山、淮南、吴堡等地as力压层储21098 76543_|± 1± 1±线性（实测压力）线性（正常压力）y = 0.0114x - 1.4369r= 0.82142500 600 700 800 900 1000 1100煤层埋深/m新集矿区谢李矿区潘集矿区试井参数13-113-16, 7, 811-213-1储层压力/MPa埋深/m压力梯度/MPa/hm压力系数4.96501.010.991.017.34772.630.951.137.36707.691.041.074.62810.530.570.5811.451060.191.081.1010.34957.411.081.106.78698.970.970.962、地应力构造应力增加，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、 降压以及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。

总体上来看， 构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔裂隙被压缩，体积变小，储层压力变 大；当地应力变小，孔裂隙体积变大，储层压力则变小因此，地应力与储层压力存在相关 性煤层气井的注入/压降试井的微型压裂法可 「测到煤储层的闭合压力，最小主应力实际上是指 煤体被压开的裂缝开启后闭合时的闭合压力现 有试井资料而言，我国煤储层闭合压力变化于6.0〜22.7MPa之间，主要集中在8〜16MPa高应 力值分布于井深大于 1200 m 的大城和吴堡地 区；埋深小于1000 m的高应力地区则分布于韩STJ城北部、红阳、淮北、西山等矿区美国黑勇士 盆地地应力值为1~6 MPa，澳大利亚东部悉尼盆 地、鲍恩盆地为1~10 MPa，少数达14 MPa （Enever 和 Hennig， 1997），而中国地应力低限 值大体相当于美国黑勇士盆地地应力的高限值U 1 >-0 10 20闭台压为(MPa)图 4-2 煤储层压力与闭合压力的关系（据唐书衡，2001）图 4-1 淮南煤田煤储层压力与埋藏深度之间的关系表 4-1 淮南煤田主煤层储层压力试井数据统计表与美国和澳大利亚相比，中国煤储层所承受的原地应力要大。

据煤层气井储层压力与闭合压力测试结果，煤储层压力与闭合压力之间呈指数正相关关 系（图4-2）,当最小主应力达到lOMPa时，煤储层压力一般在5MPa左右；最小主应力增 至20MPa时，煤储层平均压力增大至8MPa这种特征显然在储层压力梯度与地应力梯度关 系中也应具有相同的显现形式在平均地应力梯度高于1.5MPa/100m的地区，煤储层平均 压力梯度大于1.O3MPa/1OO m,均为高压或超压储层；在平均地应力梯度低于1.5MPa/100m 的地区，除韩城之外，煤储层平均压力梯度均小于1.03MPa/100m，为正常或欠压储层储层压力与最小主应力之间的这种规律，对于煤层气开采是一对矛盾，储层压力大，容 易排水降压，形成压力差，气体易解吸；最小主应力对煤层气开采有负面影响，应力对孔裂 隙起着闭合作用，应力越大，孔裂隙的开启程度越小，对流体的渗流通道有影响，降低了煤 储层的渗透率，也就影响到产气量因此，煤层气开采应选择应力小的区域和储层压力高的 区域值得进一步指出的是我国晚古生代、中生代煤储层为无水煤层或弱含水煤层，只有新生 代个别煤层为含水层，按美国的试井方法以水流体为载体得出的煤储层压力，很难反映我国 煤储层压力的全貌，因为煤储层压力中包括水压和气压，对应于煤储层三元结构系统，实际 上存在三级压力场。

3、 水文地质在开放的条件下，储层压力的大小通常根据压力水头（液柱高度）与静水压力梯度之积 （又称之为视储层压力）来度量，地下水水头高度是表征储层压力的直接数据一般水头越 高，储层压力就越大在煤系中，由于各个煤层与主要含水层间无明显的水力联系，往往构 成不同的水动力系统，储层压力主要是由储层本身的直接充水含水层的水头高度来度量如 华北地区太原组煤层的直接充水含水层是其顶板的石灰岩含水层，山西组煤层的直接充水含 水层是其下部的砂岩含水层这两个含水层之间没有或水力联系微弱，具有相互独立的补排 系统因此，同一个测试井的上下两个煤层，可能具有完全不同的原始储层压力状态，与储 层的直接充水含水层的富水性、补给条件、水头高度等有关压力水头的埋藏深浅（水位）造成不同的水动力条件，也是影响储层压力及梯度变化的 重要因素一般压力水头埋藏越深，压力梯度就越小；埋藏越浅则压力梯度越高储层压力状态是按大于、等于或小于淡水静水压力梯度（9.78kPa/m）的标准来判定的 因此，地下水矿化度是影响储层压力状态的重要因素地下水矿化度越高其比重越大，在相 同的压力水头高度下，高矿化水比低矿化水的水头压力要大因此，在封闭、滞流、地下水 补排条件较差的高矿化度水分布区段，往往出现储层压力的高压异常状态。

4、 煤层气（瓦斯）压力煤层气（瓦斯）压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力 煤储层试井测的储层压力是水压，二者的测试条件和测试方法明显不同煤储层压力是水压 与气压的总和，在封闭体系中，储层压力中水压等于气压；在开放体系中，储层压力等于水 压与气压之和煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大，介于1.2~13.4kPa/m之间，抚顺矿区的气 压最低，天府矿区的气压最高气压高低与煤层含气饱和度、煤层风化带的深度有关第二节 煤储层的吸附特征吸附（或称表面吸附）系固体或液体表面粘着的一层极薄的分子层（如气体、固体或液 体分子），且它们与固体或液体表面处于接触状态吸附是气体与固体表面之间未达到热力 学平衡时发生的，达到平衡是作为“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累 实现的吸附的结果，在固体表面上形成了由吸附质构成的“吸附层” Moffat等（1955）, Yang等（1985）测得煤对甲烷的吸附热比汽化热低2~3倍，煤层甲烷以物理吸附方式储存 在煤中，氮气、二氧化碳等的吸附也与甲烷一样，表明煤对气体的吸附性是无选择性的 （Moffat， 1955；Yang， 1985）。

大量实验证明，煤对气体的吸附是可逆的由于范德华力 的作用，在临界温度以下所有气体都有吸附势，并会形成多层吸附，甚至产生凝结现象甲 烷气体与煤表面相互作用的现场低温红外光谱实验表明：甲烷与煤核表面的相互作用是各向 异性的，当甲烷在煤核表面呈正三角锥重叠时能量最低，相互作用势最大；在-100〜30°C范 围内未发现化学吸附态的存在（陈昌国， 1995）物理吸附释放的热量很低，一般只有 2.09〜20.92J/mol,化学吸附释放的热量较高，可达20.92〜41.84J/mol。