系统全面的煤层气基础知识

系统全面的煤层气基础知识煤层气（Coalbed Methane）储层参数，主要包括煤的等温吸附特性参数、煤层气含量、渗透率、储层压力、原地应力，以及有关煤岩煤质特征的镜质组反射率、显微组分、水分、灰分和挥发分等，相应的测试分析技术有：煤的高压等温吸附试验（容量法）、煤层气含量测定、煤层气试井和煤岩煤质分析等。

煤的高压容量法等温吸附实验，是煤层气资源可采性评价和指导煤层气井排采生产的关键技术参数，等温吸附数据测定准确性，直接关系到煤层气开发项目的成败和煤层气产业的发展。

许多研究表明，煤是具有巨大内表面积的多孔介质，象其它吸附剂如硅胶、活性碳一样，具有吸附气体的能力。

煤层气以物理吸附方式储存在煤中，主要证据有：甲烷的吸附热比气化热低2—3倍（Moffat ＆Weale，1955；Yang ＆Saunders，1985），氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；大量试验也证明，煤对气体吸附是可逆的（Daines，1968；Maver 等，1990）。

结合国内外资料，推荐吸附样粒度为60—80目。

煤的平衡水分—当煤样在温度30℃、相对湿度96%条件下，煤中孔隙达到水分平衡时的含水量。

测试平衡水平的主要目的是：恢复储层条件下煤的含水情况，为煤的吸附实验做准备。

煤层气含量—指单位重量煤中所含的标准状态下（温度20℃、压力101.33kpa）气体的体积，单位是cm3/g或m3/t。

它是煤层气资源评价和开发过程中计算煤层气资源量和储量、预测煤层气井产量的重要煤储层参数之一。

煤层气含量的测定方法大体上可分为两类：直接法（解吸法）和间接法（包括等温吸附曲线法和单位体积密度测井法）。

在直接法中，保压取心解吸法是精确获得原地煤层气含量最好的方法。

直接法的基本原理煤心煤样的煤层气总量由三部分气体量构成：一是损失气（lost gas）,二是实测气（measured gas），三是残余气（residual gas）。

损失气量估算主要采用美国矿业局直接法（USBM法），该法假设煤中气体解吸可理想化地看作球形煤粒中气体在恒温下扩散，可以用扩散方程来描述，球形煤粒内气体的初始浓度为常数。

Grank(1975)给出了各种不同几何形态和边界条件的扩散方程的解。

其解析解表达式为：△G cm=[203.1G ci tD]-G clr式中△G cm—累计实测解吸气含量，cm3/gG ci—初始气含量，cm3/gD—扩散系数，cm2/sR—煤粒的特征扩散距离，cmG cl—损失气含量，cm3/g该解吸解表达式表明，早期的累计解吸气量与时间平方根成正比，这就是估算损失气量的理论依据。

不过，大约20%以上的吸附气体解吸逸散后，这种估算损失气量的方法所依据的数学意义就变得不准确了。

USBM法确定的零时间起点与钻探取心时使用的循环液的类型有关。

当用清水或泥浆时，零时间认定为煤心被提升到一半孔深的时刻，即认为煤心被提升到一半孔深时气体开始解吸逸散，在这种情况下，损失气时间为提钻时间的一半加上在地面煤心煤样装入解吸罐之前的处理时间；提钻时间和状罐时间越短，估算的损失气量越准确。

如用空气或泡沫钻进时，损失气时间被定义为取心时间、提钻时间和地面煤心煤样装入解吸罐之前的处理时间的总和，当损失气量不超过总解吸气量的20%时，直接法所测得气含量数据比较准确。

采样原则：应该采用绳索取心工具采取煤层气含量测定的煤心煤样，以便缩短采样时间，采样时间—是指用于气含量测定的煤样从割心到被装入解吸罐所用的实际时间。

从割心到煤样提到井口所用的提心时间不得超过规定时间，即：煤层深度小于500米的，提心时间不得超过10分钟；煤层深度500—1000米的，提心时间不得超过20分钟；煤层深度大于1000米的，提心时间不超过30分钟。

样品到达地面后，必须在10分钟内装入解吸罐密封。

每次装罐的煤样质量不得少于800克（要求装入罐中的煤样，达到距罐口1厘米处）。

如果煤心采取率不足又需要采样测定时，最低采样重量不得少于300克，只做解吸测定，在备注中说明结果仅供参考。

如果装入解吸罐的煤样量不足，可在装样前在罐中先放入充填料，以减少罐中死体积对测定结果的影响。

装罐结束后第一次测定时间5分钟。

时间间隔要求是，第一个小时内的测定时间间隔为5分钟，第二个小时内的测定时间间隔为10分钟，第三个小时内的测定时间间隔为15分钟，第四个小时内的测定时间间隔为30分钟，第六小时至第八小时内的测定时间间隔为60分钟。

连续解吸8小时后，可视解吸罐的压力表表压确定适当的解吸时间间隔，一般每隔24小时解吸一次。

当自然解吸持续到连续7天、且每天平均解吸量小于或等于10cm3时，结束自然解吸测定工作。

煤层气气含量测定结果有两种表达式形式，一是空气干燥基气含量，另一是干燥无灰基气含量。

空气干燥—为解吸罐内剔除夹矸和杂物后空气风干的样品重量。

干燥无灰基—为空气干燥基重量减去灰分、水分重量。

煤层气储层参数主要是指煤储层的渗透率、储层压力、调查半径、表皮系数和原地应力等参数。

煤层气试井目前主要采用注入/压降试井方法求取渗透率、储层压力等煤储层参数并用注入/关井的方法求取煤储层的原地应力。

试井内容及获取参数储层参数主要是指煤层的渗透率、储层压力、调查半径、表皮系数和原地应力等参数，这部分测试内容见下表。

储层参数测试项目及获取参数原地应力—原始的地层应力也即裂缝的闭合压力。

分析裂缝闭合压力有两种方法，一为双对数法，二是时间平方根法。

双对数法—是对压降数据作lg△p —lg△t曲线，在该曲线上找出一条1/2斜率直线，偏离该斜率线的点的压力为裂缝闭合压力；时间平方根法—是对压降数据作P ws—t 关系曲线，在压降的初期出现一直线段，偏离该直线的点对应的压力为裂缝闭合压力。

煤层气试井分析中所用的物性参数有：水粘度（μw）、水体积系数（B w）、水压缩系数（C w）、煤孔隙压缩系数（C f）、煤孔隙度（Φ）、综合压缩系数（C t）等；如果测试出现两相流，还应考虑气体的物性参数。

其中C t=C w＋C f 。

煤层气试井结果的应用煤储层的渗透性是影响煤层气可采性的关键参数之一，在资源评价和选区中具有重要作用。

煤层是一种典型的双重孔隙介质，包括基质孔隙和割理孔隙。

由于基质孔隙平均直径通常小于20A，渗透率很低，为10-9—10-12μm2，可视为零；而割理系统的渗透率一般一0.1×10-3—50×10-3μm之间。

从煤层气排水降压采气原理出发，依据现代煤层气技术理论，以割理系统的渗透率（k值）来评价煤储层的渗透性。

渗透率的大小直接影响水和气在煤层中运移难易程度。

煤储层从宏观上来说，具有均一性，但从微观的角度来分析，煤层具有各向异性。

据张群十几年试井测试的结果统计，我为煤层渗透率值变化于0.002×10-3μm2—30×10-3μm2，变化范围很大，两极值相差4个数量级，其峰值分布在0.05×10-3μm2—5×10-3μm2范围内。

这种状况是煤层渗透性的不均一性的具体体现，出显示出我国煤层气开发条件这复杂性和多样性。

储层压力是煤层气的重要参数之一，其在成煤过程中直接控制着煤储层吸附气体的含气量（含气饱和度），在开发过程中直接影响排采过程。

储层压力是指储层孔隙中流体（油、气、水）的压力。

一般来说储层压力是流体流动的动力，储层压力越高越有利于排采。

煤层气是一种由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的非常规天然气，它的主要成分是甲烷，一般占95—98%，故称之为煤层甲烷。

天然气是一种混合气体，其主要成分是甲烷。

常规天然气中的气田气是指产自天然气藏的纯天然气，其中甲烷含量一般不少于90%，还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮及微量的氦、氖、氩等气体。

常规天然气中的干气是指每基方井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3的天然气。

煤层气的加工和处理主要包括煤层气的脱水、脱硫、除尘等净化过程。

在某些区域的煤层气中有H2S、CO2和有机硫化合物，这三者又通称为酸性组分（或酸性气体），这些气相杂质的存在会造成金属材料腐蚀，并污染环境；当煤层气作为化工原料时，它们还会导致催化剂中毒，影响产品质量；而CO2含量过高，则使气体的热值达不到要求。

因此，煤层气脱硫的目的是按不同用途把气体中的上述杂质组分脱除到要求的规格。

气体脱硫是一种很古老的工艺，19世纪末英国已开始用干式氧化铁法从气流中脱除硫化物，但它成为一个独立的工业分支则是在本世纪30年代醇胺类溶剂应用于气体脱硫以后；经60多年的发展，国内外报导过脱硫方法有近百种，这些方法可分为干法和湿法两大类，干法脱硫目前工业上已很少应用，湿法脱硫按溶液的吸收和再生方法，又分为化学吸收法、物理吸收法和氧化还原法三种类型。

压缩煤层气（CNG）、液化煤层气（LNG）。

煤层气由吸附气、游离气、水溶气三部分组成已得到煤层气工作者的公认。

固溶气（体）可能与天然气水合物—可燃冰类似，在煤与瓦斯突出时被释放出来，固溶气（体）亦是煤层气的一种重要赋存方式。

煤矿采动影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽采的有利部位。

煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元结构系统，在排水降压开发煤层气的过程中各结构系统压降程度不同，客观上存在着三级压力降，煤层气—水的运移也相应地存在着三级渗透场，即宏观裂隙系统（包括压裂裂缝）—煤层气的层流~紊流场、显微裂隙系统—煤层气的渗流场、煤基质块（孔隙）系统—煤层气的扩散场。

扩散作用又包括整体扩散、克努森型扩散和表面扩散，渗流亦存在达西线性渗流和非线性渗流。

煤层气开发，上述三个环节缺一不可，且气、水产能受制于渗流最慢的流场。

储层压力中的小压气压的关系：煤储层流体压力由水压与气压共同构成。

我国煤储层压力构成复杂，气压占有较大比例，不同压降阶段，煤层气、水产能不同，在总体衰减的趋势下呈跳跃性、阶段性变化。

水动力势是煤层气富集和开发的最活跃因素，是储层压力或地层能量的直接反映和主要贡献者；水的不可压缩性对裂隙直支撑作用，水动力又是煤储层渗透率的维持者。

我国中、高煤级煤层为相对隔水层，煤层本身的水体弹性能较低，气体弹性能较高。

处于封闭系统的煤储层，其水压等于气压，处于开放系统的煤储层，其储层压力等于水压与气压之和。

煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系控制了煤层甲烷的解吸、扩散和渗流特征，是目前煤层气开发急待解决的关键科学问题。

煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，其渗透率存在有效应力效应、煤基质收缩效应和气体滑脱效应，三种效应综合作用使煤储层渗透率呈现出动态变化。

由于地应力梯度（我国通常1.6MPa/100m左右）大于储层压力梯度（正常压力梯度为0.98MPa/100m），因此，随煤层埋深的增加，煤储层有效应力增大，煤储层渗透率降低。