第三章煤层气储层压力和赋存状态
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第三章煤层气储层压力和赋存状态
第二节 煤层气赋存状态
目前，关于煤层气在煤层中的赋存状态 比较一致的观点是煤层气在煤中有三种赋 存状态：以吸附态形式存在于煤层有机质 的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气； 以游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中 裂隙中，称为游离气；以及以溶解态形式 存在于煤层中的水里，称为水溶气。
通常用亨利定律描述煤层气在水中的溶解度，利 用气体逸度和亨利常数的不同可以更加合理地解 释气体在水中的溶解现象。
亨利定律最初表达式为 ： pi Hici
式 中 ： p i — 气 体 组 分 i 所 受 到 的 压 力 ， M P a ； H i — 气 体 组 分 i 的 亨 利 常 数 ， M P a ； c i — 气 体 组 分 i 在 溶 剂 中 的 摩 尔 分 数 ， m o l / m o l
Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时，在煤孔隙 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 类液态相、孔隙气态相和游离态相。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
一、 溶解态
对天然气而言，在高压条件下甲烷在水中的溶解 度可达到数十m3(气)/m3(水) 。
600 700 800 900 1000 1100 煤层埋深／m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
2、地应力
第三章煤层气储层压力和赋存状态
3、水文地质
开放体系
P=Gp·H P—储层压力，MPa； Gp—压力梯度（单位垂深内的储层压力增量），
MPa/100m； H—煤层中心埋藏深度，m
p =h·Gw p —视储层压力，MPa
0.9 0.8 0.7
1.1 1.0
Tr=0.5
0 .1
0 .2
0.60 0.55
0.95
1 .4 1 .6 1 .1 1 .2
0 .8 5 0 .9 0 0 .8 0
0.70 0.75
0.65
0 .3
0 .4
0 .5
2 .0 1 .5 1 .3
0.9
0 .1 0 .2
0 .3 0 .4
0 .6 0 .Biblioteka Baidu 1 .0
与对比压力和对比温度有关 ： i i(Tr,pr)
式中：Tr—气体的对比温度；pr—气体的对比压力 第三章煤层气储层压力和赋存状态
根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得：
Tr T/Tc pr p/ pc
式 中 ： T — 系 统 的 温 度 ， K ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a ； T c — 气 体 临 界 温 度 ， K ； p c — 气 体 的 临 界 压 力 ， M P a
美国化学家路易斯假定了一新的热力学量—逸度，
使得亨利定律更加完善，最终表达式为：
fi Hici
f 第三章煤层气储层压力和赋存状态
i
i
1、逸度的计算
逸度可以根据逸度因子的定义来求取 ：
i
fi p
式 中 ： i— 组 分 i的 逸 度 因 子 ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a
由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上，临界条件下的 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。物理化学研究表明逸度因子
第三章煤层气储层压力和赋存状态
Van Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存 状态：（1）吸附在微孔隙中；（2）被包裹在煤 基质孔隙中；（3）游离在煤中割理和裂隙中； （4）溶解在煤中的裂隙水中。
Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 四种：（1）压缩在孔隙中的游离态气体；（2） 浓缩为固相或液相；（3）溶解在煤结构中；（4） 吸附在煤内表面上。
2
3
Pr
4 5 6 8 10
气体普遍化逸度因子图
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1.3
1.5
1.1
1.0
3 .0 2 .0
1 .0
0 .8 0 .6 0 .5 0 .4
0 .3 0 .9 8
0 .2 0 .9 6
0 .1
20
30 40
2、气体亨利常数的计算
常温常压下，气体在纯水中溶解的亨利常数大多可以在各种 《化工手册》中查出 。
CH4和CO2的临界温度和临界压力
气体 临界温度（K） 临界压力（MPa）
CO2 304.3 7.38
CH4 190.7 4.64
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1 .0 30
0 .9 0 .8 2 .0 0 .7 0 .6
0
1 .0
Φ 0 .8
0 .6 0 .5 0 .4
0 .3
0 .2
0.6 Tr=0.5
第三章煤层气储层压力和赋存状态
超压——煤层气井喷
第三章煤层气储层压力和赋存状态
三、储层压力的地质控制
储 层 压/ M力P a
1、埋深
12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 500
线 性 (实 测 压 力 ) 线 性 (正 常 压 力 )
y = 0.0114x - 1.4369 r= 0.8214
同承担
第三章煤层气储层压力和赋存状态
二、储层压力状态
压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，%
① 超压：压力系数>1，压力梯度>0.98 MPa/100m； ② 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 MPa/100m； ③ 欠压：压力系数<1，压力梯度<0.98 MPa/100m。 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层 超压状态占33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3 %，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层 大多处于欠压状态。
第三章 煤储层压力 及煤层气的赋存状态
第三章煤层气储层压力和赋存状态
第一节 煤储层压力
一、定义
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。
1、开放体系 储层压力等于静水压力
2、封闭体系 储层压力等于上覆岩层压力
3、半封闭体系 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共
Gw—静水压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水）
h—煤层中点处水头深度，m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
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。
第二节 煤层气赋存状态
目前，关于煤层气在煤层中的赋存状态 比较一致的观点是煤层气在煤中有三种赋 存状态：以吸附态形式存在于煤层有机质 的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气； 以游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中 裂隙中，称为游离气；以及以溶解态形式 存在于煤层中的水里，称为水溶气。
通常用亨利定律描述煤层气在水中的溶解度，利 用气体逸度和亨利常数的不同可以更加合理地解 释气体在水中的溶解现象。
亨利定律最初表达式为 ： pi Hici
式 中 ： p i — 气 体 组 分 i 所 受 到 的 压 力 ， M P a ； H i — 气 体 组 分 i 的 亨 利 常 数 ， M P a ； c i — 气 体 组 分 i 在 溶 剂 中 的 摩 尔 分 数 ， m o l / m o l
Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时，在煤孔隙 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 类液态相、孔隙气态相和游离态相。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
一、 溶解态
对天然气而言，在高压条件下甲烷在水中的溶解 度可达到数十m3(气)/m3(水) 。
600 700 800 900 1000 1100 煤层埋深／m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
2、地应力
第三章煤层气储层压力和赋存状态
3、水文地质
开放体系
P=Gp·H P—储层压力，MPa； Gp—压力梯度（单位垂深内的储层压力增量），
MPa/100m； H—煤层中心埋藏深度，m
p =h·Gw p —视储层压力，MPa
0.9 0.8 0.7
1.1 1.0
Tr=0.5
0 .1
0 .2
0.60 0.55
0.95
1 .4 1 .6 1 .1 1 .2
0 .8 5 0 .9 0 0 .8 0
0.70 0.75
0.65
0 .3
0 .4
0 .5
2 .0 1 .5 1 .3
0.9
0 .1 0 .2
0 .3 0 .4
0 .6 0 .Biblioteka Baidu 1 .0
与对比压力和对比温度有关 ： i i(Tr,pr)
式中：Tr—气体的对比温度；pr—气体的对比压力 第三章煤层气储层压力和赋存状态
根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得：
Tr T/Tc pr p/ pc
式 中 ： T — 系 统 的 温 度 ， K ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a ； T c — 气 体 临 界 温 度 ， K ； p c — 气 体 的 临 界 压 力 ， M P a
美国化学家路易斯假定了一新的热力学量—逸度，
使得亨利定律更加完善，最终表达式为：
fi Hici
f 第三章煤层气储层压力和赋存状态
i
i
1、逸度的计算
逸度可以根据逸度因子的定义来求取 ：
i
fi p
式 中 ： i— 组 分 i的 逸 度 因 子 ； p — 系 统 的 压 力 ， M P a
由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上，临界条件下的 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。物理化学研究表明逸度因子
第三章煤层气储层压力和赋存状态
Van Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存 状态：（1）吸附在微孔隙中；（2）被包裹在煤 基质孔隙中；（3）游离在煤中割理和裂隙中； （4）溶解在煤中的裂隙水中。
Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 四种：（1）压缩在孔隙中的游离态气体；（2） 浓缩为固相或液相；（3）溶解在煤结构中；（4） 吸附在煤内表面上。
2
3
Pr
4 5 6 8 10
气体普遍化逸度因子图
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1.3
1.5
1.1
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3 .0 2 .0
1 .0
0 .8 0 .6 0 .5 0 .4
0 .3 0 .9 8
0 .2 0 .9 6
0 .1
20
30 40
2、气体亨利常数的计算
常温常压下，气体在纯水中溶解的亨利常数大多可以在各种 《化工手册》中查出 。
CH4和CO2的临界温度和临界压力
气体 临界温度（K） 临界压力（MPa）
CO2 304.3 7.38
CH4 190.7 4.64
第三章煤层气储层压力和赋存状态
1 .0 30
0 .9 0 .8 2 .0 0 .7 0 .6
0
1 .0
Φ 0 .8
0 .6 0 .5 0 .4
0 .3
0 .2
0.6 Tr=0.5
第三章煤层气储层压力和赋存状态
超压——煤层气井喷
第三章煤层气储层压力和赋存状态
三、储层压力的地质控制
储 层 压/ M力P a
1、埋深
12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 500
线 性 (实 测 压 力 ) 线 性 (正 常 压 力 )
y = 0.0114x - 1.4369 r= 0.8214
同承担
第三章煤层气储层压力和赋存状态
二、储层压力状态
压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，%
① 超压：压力系数>1，压力梯度>0.98 MPa/100m； ② 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 MPa/100m； ③ 欠压：压力系数<1，压力梯度<0.98 MPa/100m。 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层 超压状态占33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3 %，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层 大多处于欠压状态。
第三章 煤储层压力 及煤层气的赋存状态
第三章煤层气储层压力和赋存状态
第一节 煤储层压力
一、定义
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。
1、开放体系 储层压力等于静水压力
2、封闭体系 储层压力等于上覆岩层压力
3、半封闭体系 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共
Gw—静水压力梯度；0.98MPa/100m（淡水）； 0.98MPa/100m（咸水）
h—煤层中点处水头深度，m
第三章煤层气储层压力和赋存状态
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。