实验三 平衡水等温吸附实验【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
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:AApplication of Isothermal Curves inEstimating Minable Resource of Coalbed M ethaneCHEN 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.680 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 e2.2 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 Ⅱ1andⅢ9-10in Ping ding shan miningdistrict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 3and 11in Hancheng miningdistrict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 3and 15in Shouyang mining distr ict681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M328184.7844381.6316368.4919786.724753.869844.474 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.参考文献:[1] 叶建平,秦 勇,林大杨.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.43-44.[2] 高瑞祺,赵政璋.中国油气新区勘探[M].北京:石油工业出版社,2001.29-36.[3] 李明宅,胡爱梅,孙晗严,等.煤层气储量计算方法[J].天然气工业,2002,22(5):33-34.Li M Z,Hu A M,Sun H Y,et al.T he method forcalculating of coalbed methane reser ves[J].N aturalGas Industr y,2002,22(5):33-34.[4] 张 抗.对中国天然气可采资源量的讨论[J].天然气工业,2002,22(6):6-9.Zhang K.Discussion on natural gas ex plo itableresources in China[J].N atur al Gas I ndustry.2002,22(6):6-9.[5] 陈晓东.对中国煤层气开发现状的思考与建议[J].天然气工业,2002,22(5):35-38.Chen X D.T he consideration and proposition oncurr ent status of coalbed methane development inChina[J].N atural G as Industr y,2002,22(5):35-38.[6] 张 群,冯三利,杨锡禄.煤中残余气含量及其影响因素[J].煤田地质与勘探,1999,(5):26-28.Zhang Q,Feng S L,Y ang X L.Content of remainsgas in coal and influence factors[J].Coal Geolog y andEx plor ation,1999,(5):26-28.[7] 傅雪海,秦 勇,叶建平,等.中国部分煤储层解吸特征及甲烷采收率[J].煤田地质与勘探,2000,28(2):19-21.F u X H,Q in Y,Ye J P,et al.T he met hane r ecov eryr atio and analysis featur es of some coal r eser voirs inChina[J].Coal Geology and Explor ation,2000,28(2):19-21.[8] 王洪林,唐书恒,林建法.华北煤层气储层研究与评价[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.49-73.(责任编辑 李成俊)682 中国矿业大学学报 第34卷。
煤层气开发理论与实践
1、煤层吸附等温线测定及其应用煤层气与常规天然气不同，它被煤层吸附在其微孔隙的内表面上。
由于煤的微孔隙极其发育，具有特别大的比表面，每克煤的内表面可达到100~400m2，通过吸附作用，煤比常规砂岩具有更高的储气能力。
煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征，基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度。
煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面，煤层气的吸附能力由煤质、煤阶（成熟度）、埋藏深度等状态所决定。
煤层等温吸附曲线是指在某一温度条件下，以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量（吸附气量）关系曲线[1]。
煤层气吸附依赖于气-液-固三相之间的作用，煤层气的吸附收到的影响因素众多，除了受煤阶、煤岩组成、灰分、水分含量、孔隙率、孔径结构等[2]内在因素控制，同时也受温度、压力、湿度等外部环境的制约[3][6][7]。
等温吸附线的测定：由于吸附性是煤的一种自然属性，我们知道煤是一种多孔介质，具有很大的比表面积。
由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用，气体有被吸附到煤内表面上的趋势，这种吸附属于物理吸附，它符合兰格缪尔单分子层吸附理论。
煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下，煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述：V=V L P/(P L+P)式中：V L—兰氏体积，表征煤具有的最大吸附能力；P L—兰氏压力，反映煤内表面对气体的吸附能力, V为煤层气吸附量；p吸附平衡是的气体压力。
当压力等于兰氏压力时，煤的吸附量等于兰氏体积的1/2，即P=P L时，V=V L/2。
V L和P L 的大小决定于煤的性质，由等温吸附试验结果可以求得。
等温吸附曲线应用：1、利用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化：通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压力和兰氏体积下产气量的大小。
由兰氏方程，有：V=V L P/(P L+P)，则d Ve(p)/d p=tanθ= V L P/(P L+P)2。
煤层气概述PPT学习教案
煤层气的生成及储存条 件
埋深 (m)
阶段性
0C
PT
J
1000
40 OC 60 CO
K
E NQ
40
30
2000
3000
4000 300
80OC
1 0 0O C 1 2 0OC
1 4 0OC 1 6 0OC 1 8 0OC 200 CO 2 2 0OC
2 4 0OC 2 6 0OC
含气量变化史， 对应右侧的吸附容量标尺
第18页/共40页
煤层气生成及储存条件
解吸动力学特征及解吸类型：
（3）扩散解吸 根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是
气体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子在煤的孔隙内表 面得以高度富集，这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差，这 种浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在 性，因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类 型。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”，因 此这种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用与扩散作用的 耦合。从解吸的角度，称之为“扩散解吸”。
煤储层含气性可从诸多方面进行表征，如煤层气组成、煤层 气含气量、含气饱和度、可解吸率以及煤层气资源量、资源 丰度等。
含气量是确定煤层气资源量必不可少的参数，与储层压力和 吸附等温线结合起来使用，还可以预测煤层气产能。值得注 意的是，并不是每个含煤区、每个煤层都赋存有可供开采的 煤层气。因此，必须预先测定煤层的含气量。
第2页/共40页
什么是煤层气
煤层气赋存状态：
(1) 通过将实测煤层气含量数据与等温吸附实验所获 得的理论吸附量进行对比发现，绝大多数样点的煤层气吸附 饱和度处于吸附欠饱和或接近吸附饱和状态，很少有吸附过 饱和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态以吸附为主 。
等温吸附Langmuir-and-Freundlich-isothermsPPT课件
机物质水溶液属此类
——曲线Ⅲ 水中加少量某溶质，引起急剧下降。至某浓度后，
几乎不随浓度而变。此类化合物可表示为RX，R代表含10个或10个 以上碳原子烷基；X代表极性基团，可以是-OH、-COOH、-CN、CONH2、-COOR′，也可是离子基团，-SO3-、-NH3+、-COO-
子的截面积A ，可计算出吸附剂比表面AW（比L式更多地实际应用） Vm＝(截距十斜率)-1
吸附剂的比表面积为
AW=VmL A /V0 式中，V0是标准状况下吸附质的摩尔体积；L为Arogadro常量。国际 上规定，N2的A为0.162nm2
●说明
——公式仅适用于p/p0=0.05~0.15范围内，超出此范围，误差较大， 原因：与公式假定的条件有关
=x／m 或 =V／m
●影响因素 相同吸附剂和吸附质，与温度及平衡压力有关
＝f(T、p)
三个变量，常固定其中一个，测其它两个变量关系，恒温反映吸附
量与28.0平1.20衡21压力之间关系的曲线，称吸附. 等温线
1
2. 吸附等温线 （1）吸附等温线的类型 五种类型
/[]
p/[p]
（I） （II） （III） （IV）（V）
——若加入溶质后增加，溶质自动离开表面层进入本体，与均匀
分布相比，也会使表面吉布斯函数降低，这就是负吸附。由于扩散 使表面层溶质分子不可能都进入本体，达平衡时，在表面层形成负 吸附的平衡浓度
28.01.2021
.
15
——能使溶液 增加的物质称表面惰性物质，使降低的物质称表 面活性物质，溶入少量就显著降低溶液的物质，称表面活性剂
AW=Γ∞•L•A
【精品】第一章-煤层气试井分析绪论..PPT课件
一、 试井的概念
2、何谓试井（well test） 为确定井的生产能力和研究储层参数及储层物性动态变化而对
井进行的专门测试工作。试井是对油、气、水井进行测试和分析的 总称
定义1：:试井是一种通过获得有代表性储层流体样品、测试同期产 量及相应的井底压力资料，来进行储层评价的技术
定义2：是为获取井或地层参数将压力计下入到井下，测量压力和/或 流量随时间的变化，并进行测试资料分析处理的过程的简称
四、试井的分类
一般所说的试井是不稳定试井 干扰试井(Interference Testing)：
用于判定井间的连通性。A井（扰动井）施加一信号， 记录B井（观察井）的井底压力变化，分析两井是否处于同 一水动力系统 脉冲试井(Pulse Testing)：
A井的产量以多脉冲的形式改变，记录B井的井底压力 随时间的变化信息
瓦斯参数
瓦斯压力
瓦斯含量
瓦斯放散初速度
坚固性系数
钻屑瓦斯解吸指标 透气性系数
钻孔瓦斯涌出初速度
五、主要参考书
❖ 付春权.现代试井分析. 石油工业出版社，2006 ❖ 钱凯等.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术. 石油工业出版
社.1996 ❖ 刘能强.实用现代试井解释方法. 石油工业出版社， 2003 ❖ 苏现波等.煤层气地质学与勘探开发. 科学出版社，2001 ❖ 冯文光.油气渗流力学基础. 科学出版社，2007 ❖ 雍世和.测井数据处理与综合解释. 石油大学出版社，1996 ❖ 林柏泉等．矿井瓦斯抽放理论与技术.中国矿业大学出版社，1996 ❖ (美)小罗伯特C.厄洛赫著，试井分析方法，石油工业出版社 ❖ 《试井手册》编写组，试井手册，石油工业出版社 ❖ 虞绍永著，DST试井分析方法，人民中国出版社 ❖ 相关的仪器测试课程或规范
第10章 煤层气地质研究中的数值模拟技术【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。
煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。
此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。
第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。
储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。
储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。
预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。
产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。
随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。
同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。
正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。
1981年，由美国天然气研究所（GRI）主持，美国钢铁公司（US Steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies）。
煤的等温吸附试验探讨
煤的等温吸附试验探讨煤的形成过程，伴生有丰富的非常规天然气体，俗称瓦斯、煤层气，在煤中主要以游离态、吸附态形式存在。
游离态气体容易脱离煤体而释放出来，在煤的解析试验中也称自然解析气；吸附气则与煤的本身性质有关，煤是一种多孔介质，具有发达的孔隙结构，属于天然吸附剂，煤表面及孔隙内表面对甲烷等气体具有很强的吸附能，气体容易在煤表面及孔隙内聚集，形成气体吸附状态。
煤层气地质勘探中，煤层气储量常采用总含气量进行评估。
评价方法有直接法与间接法。
直接法也叫解析法，直接测定煤芯煤样气含量，包含自然解析量、损失量及残余气量，一般称为常规含量分析；间接法也叫非常规瓦斯测定法，通过吸附常数计算，吸附常数主要通过试验获取，吸附气量则根据吸附常数进行计算。
自然解析量、损失量在常压状态下从煤体自然释放，在封闭空间呈现游离气体特征，试验中可以准确计算；残余气体包括吸附气体与封闭孔隙不可解析气体，封闭不可解析气体在生产中不可获得，一般不予测定；常规试验时，在恒定温度、不同压力条件下测定甲烷吸附量，通过图形拟合间接求取煤的吸附常数。
1 试验原理煤的吸附量一般用Langmuir单分子层气体吸附模型来描述，煤的吸附气体与游离气体随着压力、温度的改变可以互相转化，在温度一定的条件下，通过Langmuir方程来计算煤层气吸附量（Q）。
即2 试验方法2.1 干燥煤样试验(1)测定方法概要：实验室筛分制样，制取粒度为0.2-0.3mm的煤样。
准确称取50g煤样装入玻璃干燥皿中，80℃真空干燥6小时；将干燥煤样装入煤样杯，于60℃水浴中真空脱气4小时。
吸附温度30℃条件下，进行低压吸附，吸附平衡8小时，测定煤样体积；在相同温度条件下，向吸附罐中充入不低于4MPa 甲烷，煤样杯内压力达到平衡后，依次测定6组在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
用压力-吸附量作图，根据Langmuir吸附理论拟合求解煤的吸附常数a、b值。
(2)高压吸附Langmuir方程：2.2 含饱和水煤样试验(1)测定方法概要：将制取好的粒度为0.2-0.3mm的煤样，准确称取35g置于玻璃器皿中，均匀加入适量蒸馏水使煤样全部淹没为止，并充分搅拌，室温下放置2h；用玻璃漏斗过滤出多余的水分；将装有煤样的玻璃器皿放入相对湿度为96%-97%、温度为30℃的干燥器中，干燥器底部装有适量的硫酸钾过饱和溶液；每隔24h称重煤样一次，直到相邻两次重量之差不超过煤样质量的2%，则为煤样已达到水平衡；将达到平衡水分的煤样装入煤样杯中，在吸附温度30℃条件下，向煤样杯中充入不同压力的甲烷，测定6组煤在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
实验五 煤储层的解吸特征【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
实验五煤储层的解吸特征煤储层的三元孔、裂隙结构决定了煤层甲烷解吸动力学的阶段性，在排水降压作用下，煤储层宏观裂隙内压降较快，显微裂隙、大孔隙次之，而微孔隙则压降缓慢。
当储层压力低于临界解吸压力以后，甲烷首先在宏观裂隙内开始解吸，然后依次是显微裂隙、大孔隙、微孔隙。
煤层甲烷不断由吸附相变成游离相。
解吸与吸附作用几乎是完全可逆的过程，同样可用Langmuir 等温吸附定理来描述。
当煤储层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始与微孔表面分离，这个过程叫解吸。
解吸是煤中吸附气由于储层压力降低而转变成游离气体的过程，在压降过程中，吸附/解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。
煤储层解吸特性常用可解吸率或可解吸量和解吸速率来衡量，解吸总量由阶段解吸量组成，解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。
一、解吸率与解吸量我国煤层气井和美国煤层气解吸资料由3部分构成，即逸散气量、解吸气量（解吸至一周内平均每天小于10cm3时为止）、残余气量。
逸散气量、解吸气量之和为可解吸量，其与总含气量之比称为可解吸率。
我国前期煤田地质勘探资料，瓦斯（煤层气）解吸资料多由四部分构成，即损失气量（V1）、现场两小时解吸量（V2）、真空加热脱气量（V3）和粉碎脱气量（V4）。
通常，将损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比称为解吸率，解吸率与该深度下实际含气量的乘积称为解吸量。
沁水盆地中南部煤储层的解吸特性变化较大，煤层甲烷解吸率分布范围为15.6 ～68.0%（表5-5），平均为37.82%，其中，3煤解吸率、解吸量基本上随埋深增加而增大（图5-16）；15煤在埋深500m左右解吸率最高（图5-17）。
层域上，15煤解吸率、解吸量大于3煤，3煤平均解吸率为30.9%，15煤平均为37.8%，区域上，屯留、大宁解吸率最低，樊庄次之，但大宁、樊庄、屯留井田含气量大，二、吸附时间吸附时间表示甲烷通过煤基质块进入裂隙的扩散时间。
由罐装煤样解吸实验求得，定义为实测解吸气体体积累计达到总解吸气量（STP：标准温度、压力）的63%时所对应的时间。
煤层气等温吸附测试应用
煤层气等温吸附测试应用发布时间：2022-01-05T07:05:37.546Z 来源：《中国科技人才》2021年第23期作者：赵学道[导读] 煤层气是否具有开采价值及设计开采方案的重要指标之一就是等温吸附，同时也是一种计算煤层气储量的关键性参数。
等温吸附仪测试方法改进，对于提高测试工作效率、测试精度，提高测试成功率，准确获取储层含气量参数，科学指导我国煤层气勘查与开发具有重要意义。
本文结合实例对煤层气等温吸附测试应用进行分析。
赵学道新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所（新疆维吾尔自治区煤炭产品质量检测中心）新疆乌鲁木齐 820065摘要：煤层气是否具有开采价值及设计开采方案的重要指标之一就是等温吸附，同时也是一种计算煤层气储量的关键性参数。
等温吸附仪测试方法改进，对于提高测试工作效率、测试精度，提高测试成功率，准确获取储层含气量参数，科学指导我国煤层气勘查与开发具有重要意义。
本文结合实例对煤层气等温吸附测试应用进行分析。
关键词：煤层气；等温吸附测试；原理1高压等温吸附试验样品缸工作原理高压等温吸附缸包括通气盖、缸盖、100目滤网、80目滤网、缸体、缸底、底部固定环、顶部固定环、二级石英砂过滤层、一级石英砂过滤层、120目滤网、通气孔。
使用该高压等温吸附试验样品缸时，装有60～80目煤样的样品缸需用氦气清洗缸体。
清洗时氦气从气路口分别通过120目滤网、二级石英砂、100目滤网、一级过滤石英砂、80目过滤网，最后进入缸体。
清洗后，废气逆过程排出，用氦气重复标定缸体4次，以确定样品缸的体积和煤样的密度。
每次标定气体，按上述程序气体进入和排出。
试验过程中还需用高纯甲烷清洗基准缸，然后充气大于预估平衡压力后，打开基准缸和样品缸的阀门，使气体进入样品缸，使之压力相等后关闭阀门，监测压力随时间变化直至达到平衡。
整个试验压力平衡点从1mPa到大于储层压力，当储层压力小于8mPa时最少需做6个测点；大于8mPa时，测点更多。
煤层气实验测试技术与方法
GB/T15224.1——2004
（三）煤的挥发分
1、测定方法
粒级 <0.2mm ad 1g 隔绝空气 900 ±10 ℃ 7min 煤样减轻的质量占原煤质量的百分数，减去煤的M ad . 测得V ad ，挥发分产率是一个固定值，与水分、灰分无关
Vdaf Vad
100 ,% 100 M ad Aad
煤层气 实验测试技术与方法
傅雪海 中国矿业大学
二OO九年十一月二十六日
目录
一、煤质分析基础 二、煤岩学研究基础 三、煤的孔裂隙测试分析
四、煤层气吸附/解吸测试技术
一、煤质分析基础
（一）概述
有机质：主要由C、H、O、N、S等元素组成，是复杂的
高分子有机化合物，是煤的主要组成部分；
无机质：包括矿物杂质和水分，它降低了煤的利用价值。
燃烧法 粒级 <0.2mm ad 0.2g O2 CaCl2· 2H2O (吸H2O) 2H2O+CaCl2
CO2+2NaOH
4SO2+4PbCrO4 4SO3+4PbCrO4
Na2CO3+H2O
(吸CO2)
4PbSO4+2Cr2O3+O2↑ (除 S) PbSO4+2Cr2O3+3O2↑ (除S )
（2）煤中硫对煤利用的影响 （3）煤中硫的测定方法
① 煤中全硫含量的测定(St%) 高温燃烧法：粒级 <0.2mm ad 0.5克， 1250℃煤中各 种硫变成SO2和SO3，通入H2O2溶液中，氧 化为H2SO4 ，以标准的NaOH溶液滴定生成 的H2SO4，便可计算出煤中的全硫含量。
重量法：粒级 <0.2mm ad 1克， 850℃ 与2g艾什卡试剂混合（Na2CO3：MgO=1：2)， 在850℃下燃烧，煤中各种硫变成SO2和SO3，并 与艾氏剂反应生成Na2SO4和MgSO4，加入BaCl2 溶液，即生成BaSO4沉淀，称取BaSO4的质量 ， 即可计算出全硫含量。
不同煤级煤层气吸附扩散系数分析
目前，对煤层气体解吸的动力学过程已经有比较清晰的认识：气体对压力梯度作出响应，必经过解吸—扩散—渗流三个阶段，而由于煤基质特殊的孔裂隙结构，所以扩散作用在其中发挥着重要的衔接作用。
基于煤层气的吸附解吸过程是基本可逆性[1]，煤层气吸附动力学应表现出相似性：随着压力梯度的变化，煤层气经过渗流—扩散—吸附三阶段，稳定的吸附在煤基质的表面，而扩散作用也必将在其中发挥重要的作用[2,3]，因而可以应用扩散理论模型模拟吸附扩散过程。
对于煤吸附甲烷过程的我们多是采用等温吸附实验法进行研究，因而本文也应用不同煤样的等温吸附实验数据进行吸附扩散过程的分析。
1吸附扩散实验原理吸附平衡是一定吸附体系在特定条件下发生升吸附过程的极限。
在吸附过程中，要达到平衡，往往需要经过相当长的时间，因此对一定吸附体系而言，吸附量是吸附速率的函数，而吸附速率与吸附过程的推动力呈正相关。
煤吸附甲烷的动力学过程是渗流—扩散—吸附的过程。
甲烷气体分子是非极性分子，不能同时与所有的孔隙、裂隙表面接触并吸附在其表面，所以在煤体中形成了甲烷浓度梯度和压力梯度。
由气体压力梯度引起渗透,其基本遵循达西定理,这种过程在大的裂隙、孔隙系统内占优势；甲烷气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度运移,符合菲克(Fick)扩散定律,这种过程在过渡孔与微孔系统内占优势。
甲烷气体在向煤体深部进行渗透—扩散运移的同时,与接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附作用。
因此,就整个过程来说,是渗透—扩散—吸附的综合过程[4]。
根据扩散理论，假设煤样为球形，则通过求解球坐标下的Fick 第二定律并经曲线拟合得到下式[5,6]：Q t /Q =1-exp(-BKt )姨，（1）Q t 为时间t 时的累计扩散量（cm 3/t ）；Q 为t →∞的极不同煤级煤层气吸附扩散系数分析张时音，桑树勋（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221008）摘要：应用扩散理论模型模拟吸附扩散过程，根据四种煤级煤样的平衡水和注水等温吸附实验数据计算吸附扩散系数，研究吸附扩散的规律。
实验二 压汞实验【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
实验二压汞实验一、实验目的掌握煤孔径测量的方法；掌握各孔径段比孔容、比表面积的统计方法。
二、实验内容1、压汞法的测试原理煤中孔隙空间由有效孔隙空间和孤立孔隙空间构成，前者为气、液体能进入的孔隙，后者则为全封闭性“死孔”。
使用汞侵入法能测得>7.2nm以上的孔隙。
压汞法是基于毛细管现象设计的，由描述这一现象的Laplace方程表示。
在压汞法测试煤孔隙过程中，低压下，水银仅压入到煤基质块体间的微裂隙，而高压下，水银才压入微孔隙。
为了克服水银和固体之间的内表面张力，在水银充填尺寸为r的孔隙之前，必须施加压力p(r)。
对园柱形孔隙，p(r)和r的关系满足著名的Wash burn方程，即：p(r)＝（－4δcosθ/r）×10式中：p(r)—外加压力，MPa；r—煤样孔隙直径，nm；δ—金属汞表面张力；480dyn/cm；θ—金属汞与固体表面接触角（θ=140°）。
压汞实验中得出的孔径与压力的关系曲线称为压汞曲线或毛细管曲线，测出各孔径段比孔容和比表面积及排驱压力（是指压汞实验中汞开始大量进入煤样时的压力，或者是非润湿相开始大量进入煤样最大喉道的毛细管压力，亦称入口压力）、饱和度中值压力（毛细管曲线上饱和度为50%所对应的毛细管压力）、饱和度中值半径（饱和度中值压力对应的孔隙半径）等参数。
2、样品及测试条件采用美国MICROMERITICS INSTRUMENT 公司9310型压汞微孔测定仪,仪器工作压力0.0035~206.843MPa，分辨率为0.1mm3，粉末膨胀仪容积为5.1669 cm3，测定下限为孔隙直径7.2nm，计算机程控点式测量，其中高压段（0.1655≤p ≤206.843MPa）选取压力点36个，每点稳定时间2s，每个样品的测试量为3g左右。
手选纯净的煤样，统一破碎至2mm左右，尽可能地消除样品中矿物杂质及人为裂隙和构造裂隙对测定结果的影响。
上机前将样品置于烘箱中，在70~80℃的条件下恒温干燥12h，然后装入膨胀仪中抽真空至p<6.67Pa时进行测试，测出各孔径段比孔容和比表面积。
等温吸附实验报告体会(3篇)
第1篇一、引言等温吸附实验是研究吸附剂与吸附质之间相互作用的重要方法，对于吸附剂的制备、性能评价和吸附机理研究具有重要意义。
通过本次实验，我对等温吸附原理、实验方法以及吸附机理有了更深入的了解，以下是我对等温吸附实验的一些体会。
二、实验目的1. 了解等温吸附实验的基本原理和操作方法；2. 掌握等温吸附实验数据处理方法；3. 分析吸附剂的吸附性能和吸附机理。
三、实验原理等温吸附实验是指在恒温条件下，吸附剂与吸附质之间达到平衡时，吸附质在吸附剂表面的吸附量与吸附剂表面的吸附能之间的关系。
根据吸附质在吸附剂表面的吸附能，可以将吸附分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附是指吸附质分子与吸附剂表面分子之间的范德华力相互作用，吸附过程无需化学反应。
物理吸附的特点是吸附速度快、吸附量小、吸附能低。
化学吸附是指吸附质分子与吸附剂表面分子之间的化学键相互作用，吸附过程需要化学反应。
化学吸附的特点是吸附速度慢、吸附量大、吸附能高。
四、实验方法1. 准备实验仪器和试剂；2. 配制吸附剂和吸附质溶液；3. 将吸附剂加入吸附质溶液中，进行吸附实验；4. 测定吸附平衡时吸附剂表面的吸附量；5. 根据吸附量绘制吸附等温线；6. 分析吸附剂的吸附性能和吸附机理。
五、实验结果与分析1. 吸附等温线根据实验数据，绘制了吸附等温线，如图1所示。
从图中可以看出，吸附等温线呈现S型曲线，符合Langmuir吸附模型。
2. 吸附剂的吸附性能根据吸附等温线，可以计算吸附剂的吸附量、吸附能等参数。
实验结果表明，该吸附剂的吸附性能较好，具有较高的吸附量。
3. 吸附机理根据实验结果，分析吸附机理如下：（1）物理吸附：吸附剂表面存在大量微孔，吸附质分子可以通过物理吸附进入微孔，从而实现吸附。
（2）化学吸附：吸附剂表面存在活性位点，吸附质分子可以与活性位点发生化学反应，形成化学键，从而实现吸附。
六、实验体会1. 实验过程中，要严格按照实验步骤进行操作，确保实验数据的准确性。
吸附热力学-吸附及吸附过程PPT课件
2021/1/23
2021
16
3）Langmuir吸附等温式
ap 1 ap
以θ对p 作右图：
①当p很小或吸附很弱时， ap<<1，q = ap，q 与 p 成线 性关系。
1.2 吸附热力学
②当p很大或吸附很强时，ap>>1，q =1，q 与 p无关， 吸附已铺满单分子层。
③当压力适中，q ∝pm，m介于0与1之间。
1.2 吸附热力学
✓竞争的兰缪尔吸附等温式
当A和B两种粒子都被吸附时，A和B分子的吸附与解吸速率 分别为：
ra k1pA(1AB) rd k-1A
ra k1' pB(1AB) rd k'1B
达吸附平衡时，ra = rd
A 1A B
apA
B 1A B
a'
pB
2021/1/23
2021
20
3）Langmuir吸附等温式
lTnp等量RQ2T或: 1pTp等量RQ2T
附热接近于凝聚热。
✓总吸附量等于各层吸附量之和。
2021/1/23
2021
23
4）BET 吸附等温式
1.2 吸附热力学
➢ 在上述基础上他们导出了BET吸附二常数公式。
VVm(psp)1[ c(cp1)p/ps]
✓式中：两个常数为c和Vm，c是与吸附第一层气体的吸附热及该气体 的液化热有关的常数,Vm为铺满单分子层所需气体的体积。 ✓p和V分别为吸附时的压力和体积，ps是实验温度下吸附质的饱和蒸汽 压。 ➢比压太低，建立不起多分子层物理吸附； ➢比压过高，容易发生毛细凝聚，使结果偏高。
1.2 吸附热力学
✓气体混合吸附的Lngmuir等温式
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验三等温吸附实验
一、实验目的
掌握等温吸附实验的原理与方法；掌握煤层气饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率的计算。
二、实验内容
1、实验仪器
测量仪器是一台改进了的波义耳定律孔隙率仪（美国Raven Ridge 公司生产的高压等温吸附仪，图3-1），它安装在恒温水浴上，由容量为80cm3的不锈钢基准缸和容量为160cm3的不锈钢器缸组成，容器、管子和阀门的压力值必须大于实验时所预料的最高压力值，所有缸和管子的容积必须精确地测定。
基准缸和实验缸设在恒温器中, 其温度误差控制在±0.2℃以内，基准缸和实验缸压力由高精密压力传感器单独监控，精度为3.51kPa。
实验缸的温度在实验期间要确保稳定。
不同时间的温度和压力数据均由计算机收集,数据采集使用高速16位模拟数字转换器完成，在前60s以每秒100个点的速度来采集，随后的数据以每秒10个点的速度采集，可以同时进行4个等温实验缸的数据采集。
图3-1 IS-100型气体等温吸附/解吸仪
2、实验样品
将样品破碎到小于60目（0.25mm），再进行筛分分析，以确定样品的粒径分布。
在进行等温吸附实验以前，首先进行样品的工业分析，以测定样品的水分、灰分、挥发分和固定碳含量。
为了再现储层条件，采用美国材料实验协会（ASTM）所推荐的标准，即在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。
平衡水分含量的确定方法：首先将样品称重（约100g），精确到0.2mg，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在96%~97%之间。
48h后煤样即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。
平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分（M ad）与平衡煤水分含量之和。
3、容量测定
容量测定包括如下步骤：①校准仪器以确定实验缸的孔隙体积；②使基准
缸充气的压力大于现时等温阶段实验缸要求的最终压力；③打开基准缸和实验缸之间的阀门，使其压力相等，并关闭该阀门；④监测实验缸的压力，以确定该压力点何时达到稳定，即达到吸附或脱附平衡；⑤重复步骤2到步骤5，直至达到实验最终压力为止；⑥进行等温解吸测量。
把煤放进仪器之前，先把体积已知的钢坯放进实验缸，根据波义耳定律，用氦气确定基准缸和实验缸的总容积。
在实验室温度下重复三次作初始校准，以便把实验误差降至最低。
总容积测量的误差一般是±0.03cm3。
一旦煤样的水分含量达到平衡，就将80~150g的样品密封在实验缸内。
用氦清洗缸体，用氦标定的过程要重复进行四次，以确定实验缸的容积和煤的密度，空隙容积测量误差一般在±0.03cm3以内。
在标定期间，必须估算相应温度和压力时氦的气体偏差系数，这种估算值可从氦的气体偏差系数表中获得。
实验过程中首先用高纯甲烷（甲烷纯度为99.99% ）清洗基准缸，然后充气使基准缸的压力大于这个压力点估算的稳定压力，打开两个缸之间的阀门，使其压力相等，记录整个阶段内不同时间的压力。
在该压力点早期，以0.01s的间隔收集数据，而在该压力点晚期，则以0.1min的间隔收集，这个阶段是连续的，直到30min内压力变化小于0.7kPa为止。
逐渐加压直至最终压力，以确定从一个大气压到大于储层压力范围内的吸附等温线。
试验压力点数根据要求的最高压力确定，当最高压力小于或等于8MPa时，压力点数一般为6个，每个压力点的吸附平衡时间一般大于12h，实验最高压力为12MPa，稳定压力为10 MPa，压力点数也为6个。
三、实验报告
根据等温吸附方程和图3-2计算煤层气理论和实测饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率。
等温吸附方程为：
1366+
⨯
V
.
P
=P
68
(
46
)
249
.
储层压力（P）=4.76MPa，实测含气量为28.0m3/t，
1scf =0.0283168 m3 1Psia=6.89476×10-3MPa
p a d p ad
图3-2 等温吸附曲线。