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中国部分煤储层解吸特性及甲烷采收率

发布时间:2019-11-30 10:21:41 编辑:笔名

中国部分煤储层解吸特性及甲烷采收率

摘要 根据常压下的解吸实验和煤层气参数井实测数据分析,我国煤的解吸特性变化较大,解吸率主要受煤层埋深及煤级的影响。最佳解吸深度一般在400~600 m之间,镜质体反射率小于3%时,随煤级的升高而增大;大于3%时,则相反。我国煤储层的吸附时间长短与煤级没有特定关系,但在某些地区与煤层的含气量高低有关,甲烷含量低则吸附时间长,尤其是小于8 m3/t时急剧增长。从现有资料看,我国煤储层的吸附时间一般不超达9 d。煤层甲烷采收率不仅取决于煤层的含气性、煤的吸附解吸特性以及煤层所处的原始压力系统,而且还受控于钻井技术及开采工艺。根据美国的经验和我国部分测试结果,估算我国煤层甲烷的平均理论采收率为27%。  关键词 煤层甲烷 解吸量 吸附时间 饱和度 采收率  中国图书资料分类法分类号 P618.11

DESORPTION PROPERTIES OF SOME COAL RESERVOIRS AND METHANE RECOVERYRECOVERY RATE IN CHINA

Fu Xuehai Qin Yong(College of Mineral Resource and Environment Sciences,CUMT)  Ye Jianping Tang Shuheng(The First Exploration Bureau,China National Administration of Coal Geology)  Zhang Yungeng(The First Exploration Team,Anhui Exploration Bureau of Coal Geology)

Abstract Based on desorption experiments under normal pressure and the data obtained from coalbed methane(CBM) well tests,it is suggested that the desorption properties of coal reservoirs in China are very different from each other and the desorption rates are controlled primarily by buried depths and coal e optimum desorption depth ranges from 400 to wever,it increases with coal rank if the vitrinite reflectance(Ro,max)is less than 3%,and decreases with coal rank if Ro,max larger than 3%.In China there is no apparent correlation between adsorption time and coal ranks,however,in some places of China the adsorption time is related to gas the gas content is low,the adsorption time must be long,especially when the gas content is less than 8m3/e existing data show that the adsorption time of coal reservoirs in China is generally less than 9 e coalbed gas recovery rate is not only controlled by gas content,adsorption and desorption properties of coal,and by in place pressure system,but also by drilling techniques and mining cording to experiences in the d measurement in China,the average theoretical recovery rate of CBM in China is estimated as 27%.  Keywords coalbed methane;desorption volume;adsorption time;degree of saturation;recovery rate

1 引言  煤层气的解吸速率、可采资源量是煤层气地面开发两个较为重要的经济指标。原位煤层甲烷的解吸是不同压力条件下的动态过程。一般而言,产能开始较低,但很快达到高产(3年左右),然后再稳定下降[1]。我国目前尚没有生产气井(井)的实际产能数据,本文根据常压下的解吸实验和煤层气参数井实测数据来探讨我国煤储层的解吸特性及理论采收率。

2 煤储层解吸特性  解吸是煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成游离气体的过程,吸附解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。煤储层解吸特性可用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。2.1 煤层气解吸量  我国现有煤层气解吸资料多由4个部分组成,即逸散量(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)。美国煤层气含量通常由逸散气量、解吸气量(解吸至一周内平均每天小于10 cm3时为止)和残留气量3部分组成。逸散气量、解吸气量之和与总气量之体积百分比称为解吸率。  我国煤的解吸特性变化较大。煤层甲烷解吸率变化于9.1%~59.0%之间。(表1)甘肃窑街因CO2含量达到25%左右,甲烷解吸率只有9.1%;东北聚气区松辽辽西聚气带第三纪煤(辽河)甲烷解吸率为22.6%;下白垩统(铁法)甲烷解吸率为37.5%;西北聚气区下中侏罗统煤的甲烷解吸率为29.8%,华北石炭二叠系煤层甲烷解吸率22.0%~59.0%;华南聚气区上二叠统滇东黔西聚气带恩洪目标区甲烷解吸率53%左右。  解吸率受煤储层原位含气量和储层压力影响,与煤层埋藏深度有关。(表2)例如华北沁水盆地潞安和晋城目标区埋深900 m以浅石炭二叠系煤的甲烷解吸率随埋深加大而略有增高;而在东北铁法和西北宝积山目标区,中生界煤储层埋深增大,煤层甲烷解吸率却有降低的明显趋势,最佳解吸深度在400~600 m之间。由此来看,不同地区和不同时代煤储层甲烷解吸率与深度之间关系往往大相径庭。  解吸率的高低还受煤层气组成和煤级的影响,我国煤层气的解吸率约50%(混合解吸气量体积百分比),煤层甲烷解吸率约为30%。从现有资料看,煤层甲烷解吸率在镜质组反射率3%以前随煤级的升高而呈增大的趋势,(图1)反射率大于3%以后随煤级的升高呈减少趋势。

表1 我国部分煤层气目标区煤层甲烷平均解吸量统计结果

聚气区带

地层时代

煤层编号

反射率/%

解吸量/cm3.g-1

解吸率/%

样本数

聚气区

聚气带

目标区

V1+V2

总量

东北

松辽辽西

铁法辽河

K1E

12

0.560.54

1.961.78

5.237.86

37.522.6

1232

西北

柴北祁连

靖远窑街

J1+2J1+2

煤1,2

0.920.64

1.900.39

6.384.26

29.89.10

423

渭北

韩城

P1C2

311

2.122.28

5.622.37

9.674.39

54.059.0

12

徐淮

淮南新集徐州

P2P1P2

0.871.041.16

1.591.431.36

5.405.154.82

29.427.828.2

121416

华北

太行山东

峰峰

P1

2

2.26

2.93

6.53

44.9

6

沁水

潞安晋城

P1C2P1C2

315315

1.861.924.354.32

4.483.963.797.05

12.5111.8114.2418.46

35.833.526.638.2

霍西

霍州

P1C2

210

1.431.53

1.231.46

5.605.00

22.029.2

44

华南

滇东黔西

恩洪

P2P2

915

JM,SMJM

5.765.59

10.8210.63

53.252.6

59

注:煤层气聚气区带划分引自参考文献[2]

表2  我国部分煤层甲烷平均解吸率与深度的关系 %

深度/m

铁法

宝积山

晋城

潞安

300~400

27.3

33.7

300~400

24.6

36.1

27.6

37.7

500~600

20.2

20.0

38.4

39.6

600~700

19.7

9.5

36.2

33.7

700~800

18.7

40.7

36.6

800~900

16.5

47.8

2.2 煤储层吸附时间  吸附时间由罐装煤样解吸实验求得,定义为实测气体体积累计达到63%所对应的时间。显然吸附时间短,则煤层气井有可能在短期内达到产能高峰,有利于缩短开发周期,但不利于气井的长期稳产。  煤储层的吸附时间变化极大。例如美国圣胡安盆地、中阿巴拉契亚等为1~5 d,黑勇士盆地为1~30 d,北阿巴拉契亚为80~100 d[3],长短相差悬殊,最大值与最小值相差达100倍以上。  我国以前没有煤储层吸附时间资料,近年来进行过少量测试。总的来看,我国煤储层吸附时间在数小时至5 d之内。例如平顶山三煤为2~3 d,二1煤为13 h;淮南煤为1 h到4.6 d,煤为1 h 到1.8 d,8煤为3 h到1.5 d;韩城3煤在1 d左右,11煤为8 h;峰峰2煤为1.5 h到1.6 d,4煤和6煤仅有数小时。阳泉寿阳目标区韩庄井田石炭二叠系煤的吸附时间相对较长,但也只有1~9 d。  我国煤储层吸附时间长短似乎与煤级没有特定关系,但在某些目标区常与煤层含气量的高低有关。

图1 煤层气解吸率与煤级关系散点图

例如淮南目标区4口煤层气井石炭二叠系煤储层测试资料表明,煤层甲烷含量降低,吸附时间增长,尤其是在含气量小于8 m3/t之后吸附时间急剧增长。(图2)  我国上述目标区煤储层吸附时间与美国圣胡安盆地和中阿巴拉契亚地区类似,煤层气解吸速率较快,若为水饱和煤储层,很快就能达到较高气产量。然而我国迄今还未发现典型的水饱和煤储层,气水两相渗流研究还比较薄弱,因此在煤层气地质选区中应加强水文地质条件的研究工作。

3 煤层气临界解吸压力与理论采收率  煤层气临界解吸压力与煤储层含气量及吸附解吸特性呈函数关系,是估算煤层气采收率的重要参数。临界解吸压力与储层压力之比(简称为临储压力比)往往决定了开采中排水降压的难易程度,故在煤层气地质选区中应予重点考虑。3.1 临界解吸压力  我国部分目标区煤层气参数井取得了实测含气量、储层压力、平衡水等温吸附曲线等资料,从而可计算煤层的实测饱和度和临界解吸压力,如表3。从这些目标区的数据显示,煤层甲烷实测饱和度变化较大,为15.8%~83.3%,平均为44%;临界解吸压力分布于0.5~6.51 MPa之间,其中大城、淮北芦岭偏高,为6.51和5.98 MPa。与美国圣胡安盆地相比,我国煤层的饱和度与临界解吸压力普遍偏低。

表3 我国部分目标区煤层气实测饱和度及临界解吸压力

目标区

煤层号

煤层埋深/m

含气量/m3.t-1

实测饱和度/%

吸附常数

Vre/m3.t-1(2)

可采率/%(3)

临界解吸压力pcd/MPa

理论最大采收率η(4)

实测量Vme

饱和量V1

αm值(1)

b值

韩城

35

630662

10.374.72

21.219.2

48.924.6

21.519.5

0.4780.315

7.24.3

30.611.2

1.20.8

31.2210.24

铁法

13,14

824

8.85

32.4

27.3

36.5

0.554

7.2

18.6

0.51

0

峰峰

2

580

9.83

26.3

15.8

35.36

0.498

6.0

38.9

0.77

6.7

阳泉-寿阳

315

436553

10.129.54

21.721.4

44.644.6

44.941.3

0.3590.425

7.67.2

24.924.5

1.040.96

24.020.6

淮南谢李

13

750

14.88

20.9

62.3

25.87

0.21

3.8

74.5

1.03

27.9

大城

4

1190

13.67

16.4

83.3

19.2

0.387

5.2

62.0

6.51

70.2

开滦

5,8,9

800

4.64

10.0

46.4

12.6

0.28

2.5

46.1

0.5

0

淮北芦岭

8,9

610

13.31

20.2

65.9

22.4

0.221

3.5

73.7

5.98

76.5

平顶山

二1

900

6.87

24.4

28.2

25.67

0.223

4.0

10.2

1.74

51.7

注:(1)αm平衡水吸附常数;(2)Vre0.7 MPa井底压力下残留的煤层气量;(3)可采率=(Vme-Vre)/Vme;(4)η=1-[pad(1+bpcd)/pcd(1+bpad)];pad-枯竭压力。

图2 部分目标区煤层气吸附时间与含气量相关图

须指出的是,根据等温吸附曲线计算的临界解吸压力值普遍偏低,临储比很小,导致气井采收率偏低,由此去评价这些地区将失去经注开发意义。但是现有一些煤层气试验井的排采资料表明气井的实际临界解吸压力高于根据等温吸附曲线所计算的值,如铁法DT3井液面降到85 m就开始产气,上煤组深度为532 m,实际临界解吸压力为4.47 MPa,比计算的临界解吸压力高得多;屯留TL003井实际临界解吸压力亦比计算的临界解吸压力高0.7 MPa。其中原因有待进一步研究。3.2 理论采收率  煤层甲烷采收率不仅取决于煤层的含气性、煤的吸附-解吸特性以及煤层所处的原始压力系统,而且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。 据美国的经验可降至的最低储层压力(即枯竭压力pad)为100磅/平方英寸,约为0.7MPa,将其与临界解吸压力pcd=Vme/(αm-Vme).b代入η=1-[pad(1+bpcd)/pcd(1+bpad)](4),得到理论采收率。根据我国部分煤层气测试井计算的可采率为35%,变化于11.2%~74.5%,理论采收率为27%,变化于6.7%~76.5%。(表4)这一数值大体反映了我国煤层气采收潜势。

4 结语  我国煤层甲烷解吸率在30%左右,实际饱和度约为44%,吸附时间短,在数小时至数天之内,临界解吸压力低,大部分在0.5~1.74 MPa之间,最高也只有6 MPa左右,理论采收率平均为27%。总体上看来,我国煤储层含气饱和度、临界解吸压力和采收率均相对偏低,可能会在一定程度上对煤层气地面开发造成不利影响。

国家自然科学基金资助项目(编号:)  作者简介 傅雪海 男 33岁 博士研究生 高级工程师 油气、煤田地质与勘探 傅雪海(中国矿业大学资源与环境学院 徐州 221008) 秦勇(中国矿业大学资源与环境学院 徐州 221008) 叶建平(中国煤田地质总局第一勘探局 邯郸 05600) 唐书恒(中国煤田地质总局第一勘探局 邯郸 05600) 章云根(安徽煤田地质局第一勘探队 淮南 232035)

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