等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用

第34卷第5期 中国矿业大学学报 V ol.34No.5 2005年9月 Jo urnal of China U niv er sity of M ining&T echnology Sep.2005文章编号:1000-1964(2005)05-0679-04
等温吸附曲线方法在煤层气
可采资源量估算中的应用
陈春琳1,林大杨2
(1.中国煤炭地质总局第一勘探局,邯郸　056000;2.中国煤炭地质总局,北京　100039)
摘要:在缺乏煤层气井生产资料的情况下,为了合理利用我国煤田地质勘探中煤层气解吸法所测的煤层气含量,使其计算的煤层气资源量与可采资源量更为接近,根据煤层气解吸特征,煤储层等温吸附特征,通过计算解吸系数,求取煤层气的解吸率.利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,并结合煤层气井的枯竭压力,估算出煤层气采收率,进而获得煤层气可采资源量.结果表明,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,另外由于生产技术的原因,参考国外煤层气实际生产情况,井深结构所能达到的最低储层压力之下的煤层气也基本上不能被采出.因此通过解吸系数法校正、等温吸附曲线法校正后,计算的煤层气资源量更能反映煤层气的可采潜力.
关键词:煤层气解吸率;等温吸附曲线;可采资源量
中图分类号:P618.11 文献标识码:A
Application of Isothermal Curves in
Estimating Minable Resource of Coalbed M ethane
CHEN Chun-lin1,LIN Da-yang2
(1.T he F ir st Ex plo ration Bur eau of China N ational A dm inistr ation of Coal G eolog y,Beijing100039,China;
2.China Nat ional A dministr ation of coal G eo log y,Handan,Hebei056000,China)
Abstract:The data of coalbed methane(CBM)contents obtained from coal resource ex ploration can be used to evaluate the CBM and recoverable CBM resources.Based on the characteristics of CBM desorption and coal isotherm al adsorption,the desorption ratio of CBM is obtained through calculating the CBM desorption coefficient.T he critical desorption pressure is estimated based on the relationship of isotherm al adsorption curve to the critical desorption pressure.Then,the recoverable CBM ratio can be calculated in com bination w ith the abandoned pressure of CBM w ell, and then the recoverable CBM resources can be obtained.The result show s that the remnant CBM can’t be recovered out from coal seam.Moreov er,the CBM resources under the condition of the low er lim it of the coal reservoir pressure w ith respect to the depth of CBM w ell is nearly im possible to be mined.Thus,the recoverable potential of the CBM can be reasonably reflected by the CBM resources calculated through the emendation of the desorption coefficient and isothermal adsorption curve.
Key words:coalbed methane desorption ratio;isotherm al adsorption curve;recoverable resources
收稿日期:20041124
基金项目:973计划项目(2002CB211700)
作者简介:陈春琳(1962-),女,湖南省浏阳市人,高级工程师,硕士,从事煤田地质和煤层气地质方面的研究.
E-mail:chen-chun-lin@
在煤层气资源的勘探开发中,煤层气可采资源量是保证煤层气资源开发成功与否的重要物质基础;也是确定下一步煤层气勘探开发部署、制定规划、确定投资规模的重要依据.因此,对煤层气可采资源量计算是煤层气勘探工作的一项重要内容.在煤层气资源量计算方面,前人已做了大量的研究工作,如叶建平[1]等计算我国埋深2000m以浅,含气量大于等于4m3/t的煤层气总资源量为14.34万亿m3.高瑞祺[2]等计算我国埋深300～1500m的煤层气远景资源量为27.3万亿m3.等等.在煤层气资源量的计算方法上,考虑到煤层气藏是一种裂隙—孔隙型气液两相、双重孔隙介质的储集类型,气井的动态与常规天然气有明显的不同,所以归纳总结出比较好的4种方法是:容积法、类比法、数值模拟法和产量递减法[3].比较4种计算方法,以数值模拟法和产量递减法较好,所计算的资源量比较接近实际产量;而容积法和类比法所计算的资源量与实际产量存在很大的误差.但前2种计算方法中需要有一定时间的排采数据,而我国目前煤层气勘探开发还处于实验阶段,也即小井网开采试验阶段;目前还没有进入开发中后期的煤层气藏资料.因此,对煤层气资源量计算大多采用容积法,但利用容积法计算的煤层气资源量比较笼统,没有充分考虑煤层气的解吸特性以及煤层气井的产出条件,所计算的资源量实际上是资源的地下聚集量(也即地质资源量),而真正可以被采出地面的只是其中的一部分(也即可采资源量),容积法计算的资源量把不能被采出地面的一部分数量也包含在内了.这样所计算的资源量就会很高,而无效值的比例会过大[4-5],使真正有利的勘探目标的优选变的困难,也给后期的勘探开发部署、制定规划、确定投资规模带来很大的风险.因此,如何将其校正为有效资源(也即可采资源量),是当前我国煤层气勘探开发中的一个重要问题,它已引起了同行专家们的普遍关注,也是国家“973”煤层气项目要解决的问题之一.
1　解吸系数法校正
我国煤层含气量的测定在时间上跨度较大,在测定方法上也不尽相同.上世纪六十、七十年代主要是采用集气式,测定的煤层含气量数据误差太大,只能作为参考,一般不参与资源量计算.八十年代采用解吸法,其原理和现在的直接法一样,但解吸的时间相对较短,所测的煤层含气量一般都由采样过程中的损失量、自然状态下的解吸量、真空状态下加热粉碎前脱气量、真空状态下加热粉碎后脱气量四部分组成,后两部分也称残余气.进入九十年代,美国的直接测定法已经在我国煤层气含量测定中逐渐采用;所测的煤层含气量是由损失气、解吸气和残余气3部分组成.
显然,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,因此在煤层气资源量计算时应除去这一部分气量.对资源量中残余气的影响可以通过计算解吸系数(解吸法测定煤层含气量时,损失量与解吸量之和占总量的百分比)来校正.其公式如下
R v=(V1+V2)/(V1+V2+V3)×100%,
G v=G i R v,
式中:G v为煤层气可解吸资源量,108m3;G i为煤层气地质资源量,108m3;R v为解吸率,%.
我国煤田地质勘探中,煤层气解吸法煤层气样数量多,在估算我国煤层气解吸系数时可选择若干刻度区进行解剖,再用类比法得出各煤层气资源量/资源量计算区块的解吸系数.据张群[6]等研究我国煤的残余气含量变化范围为0～3m3/t,残余气的含量在煤层气含量中占的比例为1.5%～30.0%;换言之,煤层气的解吸率变化于98.5%～70.0%之间.
2　等温吸附曲线法校正
煤层气开发是一项复杂的、多因素及多层次的系统工程.煤层气井的产量除受控于煤层的含气性、煤的吸附-解吸特性以及煤层所处的原始压力系统外,在相当程度上受控于煤层气的钻井、完井和开采工艺,即煤层被打开后储层压力所能降低的程度和压降大小;压降越大,煤层气采收率就越高.因此,经过容积法计算、解吸系数法校正所得的煤层气资源量仍然不是煤层气井可开采出来的气量——可采资源量,还要考虑井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力).
与常规储层相比,煤储层属低孔隙度、低渗透率储层.在开采煤层气时,当产层打开后,首先是排水降低储层压力,只有当储层压力下降到临界解吸压力以后,煤层气才能逐渐解吸产出.据傅雪海[7]等研究煤层气临界解吸压力与煤储层的含气量及吸附解吸特性呈函数关系.因此,在缺乏煤层气井生产资料的情况下,利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,然后结合煤层气井的枯竭压力,可以估算出煤层气采收率,进而获得可采资源量.
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中国矿业大学学报 第34卷
2.1　等温吸附曲线图解法
吸附等温线获得比较容易,现在应用已经比较普遍.我国部分目标区的煤层气参数井均获得了实测含气量、储层压力、等温吸附曲线等资料,从而可根据井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力),通过吸附等温线估算出残余气量,与实际含气量结合起来即可估算出煤层气可采率及可采资源量,见图1.
煤层气可采率和可解吸资源量的计算公式如下
R f =(C gi -C ga )/C gi ,
G g =G i R f ,
式中:R f 为煤层气可采率,%;C gi 为原始储层条件下的煤层气含量,m 3/t ;C ga 为废弃压力条件下的煤层气含量,m 3/t ;C g 为原始储层条件下的煤层气可解吸资源量,m 3;C i 为原始储层条件下的煤层气总资源量,m 3
.
图1　利用等温解吸曲线计算煤层气采收率图解Fig.1　Diag ram fo r estimating the recoverable coalbed methane r atio using t he isotherm adsor ption curv e
2.2　等温吸附曲线公式法
公式法主要是通过等温吸附曲线计算出煤层气的临界解吸压力、理论最大采收率,进而可估算出煤层气的可采资源量,其计算公式如下:
临界解吸压力:P cd =V me P L /(v L -V me )理论最大采收率:
G =1-P ad (1+b P cd )/P cd (1+b P ad )
或
G =1-P ad (P L +P cd )/P cd (P L +P ad )可采资源量:G r =G i G
式中:P cd 为临界解吸压力,MPa ;P ad 为可能达到的最低储层压力,即煤层气井的枯竭压力,M Pa;V me 为实测煤层气含量,m 3
/t;P L 为兰氏压力,MPa;V L 为兰氏体积,m 3
/t;G 为煤层气理论最大采收率,%.
值得注意的是,我国现在还仅处于小井网开采
试验阶段,目前还没有已经干枯或濒临枯竭煤层气藏资料.在利用等温吸附曲线估算采收率过程中,枯竭压力的采用一般根据美国的经验可降至的最低储层压力为100磅/平方英寸,约为0.7MPa 进行计算.
3　实　例
选择华北石炭—二叠系聚煤盆地中的平顶山矿区八矿深部、寿阳矿区韩庄及韩城矿区板桥目标区内的主要可采煤层为计算对象,详细分析目标区煤储层的吸附——解吸特征,进行等温吸附试验,获取等温吸附曲线[8](图2～4),分析其试验结果.结合区内的试井资料,计算各目标区主要可采煤层的解吸率、临界解吸压力、采收率及可采资源量(表
1).
图2　平顶山矿区三9-10、二1煤层等温吸附曲线
Fig .2　Isot her m adsorption cur ve of coal seam Ⅱ1and
Ⅲ9-10in Ping ding shan mining
district
图3　韩城矿区3号、11号煤层等温吸附曲线F ig.3　I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3
and 11in Hancheng mining
district
图4　寿阳矿区3号、15号煤层等温吸附曲线F ig.4　I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3
and 15in Shouyang mining distr ict
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第5期 陈春琳等:等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用
表1　研究目标区主要可采煤层中煤层气可采资源量计算表
Table1　Recoverabl e coalbed gas resources of the maj or coal seams in the area studied 计算参数平顶山八矿目标区韩城板桥目标区寿阳韩庄目标区
煤层三9二13号11号3号15号煤层埋深/m600～900800～1100500～900600～1000400～600500～700解吸率/%658581.7886.3289.586.2实测含气量/(m3õt-1)8.588.9510.739.511.612.90兰氏体积/(m3õt-1)22.2728.3321.2820.2035.838.51兰氏压力/M Pa 3.48 2.89 1.100.90 1.85 1.97临界解吸压力/M Pa 2.18 1.34 1.120.800.890.99预计枯竭压力/M Pa0.70.70.70.70.70.7预计可采率/%56.5338.2822.88 6.9815.2821.74地质资源量/万M37670013640087500328700181000372800可解吸资源量/万M34985511594071557.5283733.8161995321353.6可采资源量/万M328184.7844381.6316368.4919786.724753.869844.47
4　结　语
煤层气在地质赋存条件和开发技术要求上的特殊性决定了其资源量/储量评价方法的特殊性,特别在资源量计算、采收率计算等方面都有着明显不同于其它矿种的特殊性.我国有丰富的煤层气资源,也已经有不同的全国煤层气资源量预测值.但是,在现有或可预见的不久将来的技术经济条件下,在庞大的资源量预测值中有多少是可被采出的?这是煤层气勘探开发研究中的一个重要的、极待解决的问题.笔者根据解吸率—等温吸附曲线计算煤层气可采资源量的方法还存在着一定的问题,就是计算的临界解吸压力值普遍偏低,临储比很小,可能会导致气井采收率偏低.
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(责任编辑　李成俊)
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