4 储层压力与吸附性

吸附等温曲线
30 25
吸附量 V /cm3g-1
空气干燥基
干燥无灰基
20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
压力 P / MPa
ß Ð Ï Ô » Ø ¹ é
0.6 0.5 0.4 y = 0.0427x + 0.1986 R2 = 0.9925
P/V
0.3 0.2 0.1
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 煤储层的吸附特征
3 -1
CH4 +CO2 +N2
CO2 CH4 +CO2 CH4 CH4 +N2 N2
（二） 吸附特征
1、水对煤吸附CH4的影响
14 12 10
VL ,daf / m3 t -1
8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 p /MPa 5 6 7 Mad=0.00% Mad=0.56% Mad=1.26% Mad=2.08% Mad=2.66% Mad=5.10%
y = 0.0363x + 0.1691 R2 = 0.9925
Õ Æ ¿ ø ¸ É Ô ï » ù
0.0 0 1 2 3 4 5 ( MPa )
2、地应力
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
Gw p =h·
p —视储层压力，MPa
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
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 同承担
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
0.2051 0.2688 0.3247 0.3744 0.4132 0.4586
V=V L * P / ( P L + P ) ¼ Ê À Ï Ì å ý » V L / cm 3g-1 23.44 27.53 ¼ Ê À Ï Ñ ¹ ¦ Á P L / MPa 4.66 4.66 R 0.9962 0.9962
（1）测试样品 要求: 代表性煤样，一般为煤 层煤样1-2kg，实验室缩制。 粒度：60-80目 (0.2-0.25mm) 质量：100－150克 同时进行工业分析测试。 （2）平衡水分测试 将样品称重浸泡于玻璃烧杯 ，放进装有过饱和K2SO4溶液 的真空干燥器中，在30℃、相 对湿度96-97%下，水分平衡3－ 7天。 煤样预处理好后，等待测试 使用。
¿ Õ Æ ø
¸ É Ô ï » ù
3 -1
É ¸ P/V
Ô ï Î Þ
Ò »
3 -1
» ù P/V
Î ¸ ü ½ Á ¿ V/ cm g µ ² Ê à ¼ Ë Æ á
0
5.3165 8.4606 10.5769 12.3480 13.9100 15.2057
ü ½ Î ¸ Á ¿ V/ cm g µ ² Ê à ¼ Ë Æ á
煤样体积和自由空间体积计算 煤样体积计算公式：
VS=
P2×V2 / Z2×T2 + P3×V3 / Z3× T3 - P1×V1 /Z1×T1 P2 / Z2× T2- P1 / Z1 ×T1
式中： P1–––––平衡后压力； T1–––––平衡后温度； V1–––––系统总体积； V2–––––参考缸体积； V3–––––样品缸体积； VS–––––煤样的体积； Z1––––––平衡条件下气体的压缩因子； P3、 P2–––––样品缸、参考缸初始压力； T3、 T2–––––样品缸、参考缸初始温度； Z3、Z2–––––样品缸、参考缸初始压缩因子.
VL,daf／m 3 . t-1
25 20 15 10 5 0 0 1 2 3
y 1 = 7.9593 x + 3.9913 r = 0.89 4 5 6 7 8 9
R o ， max ／％
4. 高压等温吸附实验___仪器结构及工作原理
仪器的基本结构： 高压容量法等温吸附仪是由结构完全相同的数个单元构成（ 图1）,彼此独立，可以同时对不同煤样进行不同条件实验。每 个单元由样品缸和参考缸组成，用不锈钢制造的耐高压的密封
Langmuir压力（PL）为：
（7）
PL = B/A=VLB ………………… （8）
测试参数：
（1）平衡水分； （2）各平衡点压力下吸附量； （3）Langumuir体积、Langumuir压力、 R值； （4）吸附等温线； （5）P/V─P图。 等温吸附试验报告：最终测试结果、原始测试数据。 质量评述： 在最终报告中提出质量评述意见，尤其是在出现不可预见的问题 时，以供甲方使用数据时考虑。
È µ Â Î ü Î ½ ¸ µ Ê é Ñ ý Ê Ý ¾ ± í
Ç Â ¼ ¼ º Å Ñ ¹ Á ¦ P
MPa 0
1 2 3 4 5 6 1.2808 2.6709 4.0335 5.4301 6.7500 8.1890 Langmuri · ½ ³ Ì : Ê Ñ µ é ² Î Ê ý Õ Æ ¿ ø ¸ É Ô ï » ù É Ô ¸ ï Î Þ » Ò » ù
%，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。
超压——煤层气井喷
三、储层压力的地质控制
1、埋深
12 11 10 9
储层压力/MPa
线性 ( 实测压力) 线性 ( 正常压力)
8 7 6 5 4 3 2 500 600 700 800 煤层埋深／m y = 0.0114x - 1.4369 r= 0.8214 900 1000 1100
到色谱仪 氦或 甲 烷 气源
压力 传 感 器 过 滤 器 温度 探头 Sc T 煤样
C D A Fv 恒 温 水浴 B
加湿器
水 浴 温度 显 示 器 数 据 采 集 系统
四、多相介质煤岩体的吸附特征
（一） 气相多组分吸附特征
Q/cm ·g 24 16 8 0 0 6 12 18 p/MPa 24 30
2、温度对煤吸附CH4的影响
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 p / MPa 8 10 12 42号煤样 30℃ 40℃ 50℃
12 10
t -1 VL ,daf / m 3 ·
t -1 VL ,daf / m 3 ·
8 6 4 2 0 0
3、平衡水条件下煤对CH4的吸附特征
40 35 30 y 2 = -6.5863 x + 61.122 r = 0.97
Adsorption testing system
等温吸附测试系统
Raven Ridge 公司 美国（1994） 用途：煤的单组分、多组分等温吸附实验
Adsorption testing system
等温吸附测试系统
Terra Tek 公司 美国（2004）
煤样制备（60～80目） 平衡水分测试 煤样装缸
求出煤样的体积，就可计算出样品缸内自由空间体积。自由 空间体积是指样品缸装入煤样后煤样颗粒之间的空隙、煤样颗 粒内部微细空隙、样品缸剩余的自由空间、连接管和阀门内部 空间的体积之总和。 自由空间体积计算公式为： V = V1 - VS 式中： V –––自由空间体积, ，cm3；
V1 ––– 系统总体积，cm3；
0Baidu Nhomakorabea0
6.2437 9.9361 12.4215 14.5015 16.3359 17.8575
0
5.0569 8.5446 10.8802 12.6191 13.8713 14.9431 0.2409 0.3157 0.3813 0.4398 0.4853 0.5386
5.9389 10.0348 12.7777 14.8199 16.2904 17.5492
Langmuir体积（VL）和Langmuir压力（PL）的计算： 求出压力及该压力对应的吸附量间的比值（P/∆V），绘出P、 P/∆V之间的散点图，对这些点进行线性回归，利用最小二乘法 求出直线方程及相关系数（R）。 假设直线斜率为A，截距为B，则： Langmuir体积（VL）为：
VL = 1/A ……………………
容器。样品缸和参考缸臵于恒温装臵内，保持温度的稳定性和
一致性，温度和压力皆由高精度、高灵敏度测量元件进行监控 。
仪器的工作原理：
容量法是最成熟和应用最广泛的方法之一，也是国内外煤层 气吸附领域普遍采用的方法。其原理是通过P、T、V三参数关
系分别计算吸附平衡前后的自由气体量，其差值即吸附量。
4. 高压等温吸附实验___测试仪器
第四章 煤储层 压力及吸附/解吸特征
第一节 煤储层压力 第二节 煤储层的吸附特征 第三节 等温吸附曲线的应用 第四节 影响煤的吸附性因素 第五节 煤储层的解吸特征
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
体积实验
压力实验
等温吸附试验
数据处理
测试报告
报告审查
成果报出
测试分析流程
试验条件： 试验在储层温度下进行吸附测试。
试验最高压力大于实测储层压力，取 8 MPa 或 12MPa。 试验步骤： （1）体积试验：测试煤样的真实体积和密度 。 步骤：关闭参考缸和样品缸间阀门，向参考缸中充氦气止压力（2.06 2.08MPa）。然后打开阀门让参考缸、样品缸平衡。记录平衡前后压力、温 度值，通过真实气体状态方程计算煤样真实体积和密度。通过煤样的体积， 就得到样品缸的自由空间体积。 （2）压力实验: 检查系统的气密性。 方法: 向系统充氦气，压力超过实验要求的最高压力（或储层压力），保 证接下来的整个等温吸附实验在密封条件下进行。调节温度达到实验要求。
（3）等温吸附实验测试：在温度达到实验要求，确定系统密封不漏气时 方可进行。 测试步骤：关闭样品缸阀门，向参考缸充甲烷气体，压力为计算出的目 标压力。温度稳定后，启动等温吸附实验程序。在60秒时打开样品缸阀门， 记录不同时间的压力与温度。前300秒每秒采集一次数据，以后1分钟采集 一次数据，直到达到吸附平衡。 重复充气、压力检测，到最终压力为止。 第一个压力点完成后，关闭阀门，继续往参考缸中充气，达到计算出的 第二个目标压力，温度稳定后，启动等温吸附实验程序，在60秒时打开阀 门让两缸平衡。平衡后重复以上过程，直至最后一个压力点实验结束。
吸附方式：物理吸附，范德华力
吸附模型：单层吸附，多层吸附，容积充填理论 一、朗格缪尔理论
Vm bp VL p abp V 1 bp 1 bp p p L
VL或Vm或a—最大吸附量； VL 、PL——朗格缪尔体积 和压力，PL等于1／b
二、 平衡水等温吸附实验
IS-100型气体等温吸附/解吸仪(中国矿大)
VS ––– 煤样的体积, ， cm3。
吸附量: 根据参考缸、样品缸的平衡 压力及温度，计算不同平衡 压力点的吸附量。 利用公式： PV = nZRT 式中：P——压力，MPa； V——体积, cm3； n——摩尔数； Z——气体的压缩因 子； R——气体常数； T——温度，K。
分别求出平衡前系统内气体的摩尔数（ n1）和平衡后系统内气体的摩尔数（n2） ，则煤样吸附气体的摩尔数增量（∆n）： ∆n=n1－n2 …………… （4） 式中： ∆n––––– 平衡前后自由气体摩尔 数的增量； n1––––– 平衡前系统内气体的摩尔数； n2––––– 平衡后系统内气体的摩尔数。 吸附气体的总体积增量（∆V总）： ∆V总=∆n×22.4×1000 ……（5） 单位吸附增量（∆V）： ∆V = V总 / M ……………（6） 式中：M–––––煤样质量； V总––––吸附气体的总体积； ∆V–––––单位吸附增量。