1、第一章 绪论第二章 煤层气储层特征第三章 煤层气钻井技术与工程设计第四章 煤层气工程管理与质量控制第五章 煤层气测井第六章 煤层气钻井第七章 煤层气增产技术第八章 煤层气排采控制理论与工艺技术第九章 煤层气数值模拟煤层气开发与开采2.1 2.1 煤的化学组成、岩石学特征煤的化学组成、岩石学特征2.2 2.2 煤层特征描述及煤层气赋存状态煤层特征描述及煤层气赋存状态2.3 2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的孔隙与天然裂隙2.4 2.4 煤储层的渗透性煤储层的渗透性2.5 2.5 煤储层的孔隙压力与原地应力煤储层的孔隙压力与原地应力2.6 2.6 煤储层的吸附性、含气性煤储层的吸附性、含气性2
2、.7 2.7 吸附饱和度与临界解吸压力吸附饱和度与临界解吸压力2.8 2.8 煤的煤阶概念及特点煤的煤阶概念及特点煤层气储层特征煤：煤：一、成煤物质与聚煤作用由于成煤物质和聚煤条件由于成煤物质和聚煤条件的不同，煤分为：的不同，煤分为： 腐植煤腐植煤 残植煤残植煤 腐泥煤腐泥煤由高等植物、浮游生物经过复杂的物理化学作用形成固体可由高等植物、浮游生物经过复杂的物理化学作用形成固体可燃矿产，包括有机和无机化合物，由于生物化学作用的不同燃矿产，包括有机和无机化合物，由于生物化学作用的不同和地质化学因素的差异，使煤成为含有几十种煤岩显微组分和地质化学因素的差异，使煤成为含有几十种煤岩显微组分的复杂混合物
3、。组成、结构非常复杂且不均一。的复杂混合物。组成、结构非常复杂且不均一。 煤层：煤层：一、成煤物质与聚煤作用一、成煤物质与聚煤作用独特的赋存状态：以吸附态为主独特的赋存状态：以吸附态为主非常规储层：典型的自生自储、多重孔渗的有机储层非常规储层：典型的自生自储、多重孔渗的有机储层特有的产出机理：排水特有的产出机理：排水降压降压解吸采气解吸采气一、成煤物质与聚煤作用成煤物质：成煤物质：一、成煤物质与聚煤作用聚煤作用：聚煤作用：聚煤作用是古气候、古植物、古地理和古构造诸因素综合作用由高等植物及浮游生物经过复杂物理化学变化聚集成煤的过程。 物质基础物质基础：植物遗体； 气候条件气候条件：温暖潮湿； 古
4、地理条件古地理条件：常年积水洼地； 古构造条件古构造条件：缓慢下沉。一、成煤物质与聚煤作用河流相河流相冲积相冲积相沼泽相沼泽相一、成煤物质与聚煤作用一、成煤物质与聚煤作用成煤作用：成煤作用：是原始成煤物质成煤物质最终转化成煤煤的全部作用，它分为泥炭化泥炭化作用、煤化煤化作用两个阶段。一、成煤物质与聚煤作用从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤，称为煤化作用阶段。对于腐泥来说，则经历了硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的媒化作用。成煤作用
5、：成煤作用：第二次煤化作用阶跃： 热裂解气生成 湿润热、内在水分、环缩合度等极小 孔隙率、总孔容、微孔孔容、孔比表面 积等继续增大 生气作用和吸附性进一步增强 含气量增高主要依赖于有限新生孔容空间第三次和第四次煤化作用阶跃： 甲基大量脱落 大分子结构有序化程度明显增强 孔隙率、孔容、孔比表面积、基本结 构单元等达到极大 孔隙空间明显增大 吸附性极度增强第四次煤化作用阶跃之后： 生气作用基本停止，气源消失 镜质组孔隙率、总孔容、微孔孔容、 孔比表面积等显著变少 内在水分从增大变为减小 吸附热开始急剧降低 吸附能力趋于消失第一次煤化作用阶跃： 水分显著减少 边基侧链脱落生成油气 煤中微孔增多，比表
6、面积增大 吸附性增强 孔隙空间被快速充填煤层气生成吸附性增强煤层气储集生成作用停止吸附性消失煤层气残留/逸散二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构煤的结构二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构煤的结构规则部分规则部分二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构煤的结构不规则部分不规则部分二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构煤的结构二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构煤的结构 煤的工业分析又叫煤的技术分析或实用分析。它包括水分水分、灰分灰分和挥发分挥发分产率以及固定碳固定碳四个项目，用作评价煤质的基本依据。 煤质特征：煤质特征： 通过工业分析指标来表征通过工业分析指标来表征二、煤的化学组成与煤岩煤
7、质特征煤是一种有机岩，利用研究岩石的方法来研究煤的学科称为煤岩学。换言之，煤岩即煤的有机岩石性质和特征。 煤岩特征：煤岩特征：二、煤的化学组成与煤岩煤质特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征宏观煤岩特征：宏观煤岩特征：按宏观煤岩成分的组合及其按宏观煤岩成分的组合及其反映出来的平均光泽强度，可划反映出来的平均光泽强度，可划分为四种宏观煤岩类型，即：分为四种宏观煤岩类型，即：光亮型煤光亮型煤半亮型煤半亮型煤半暗型煤半暗型煤暗淡型煤暗淡型煤二、煤的化学组成与煤岩煤质特征宏观煤岩成分是用肉眼宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组可以区分的煤的基本组成单位，包括：成单位，包括：镜煤镜煤亮煤亮煤暗煤暗煤丝炭
8、。丝炭。二、煤的化学组成与煤岩煤质特征中国煤的分类：中国煤的分类：根据中国煤炭分类国家标准(GB575186)规定，煤分为14大类。 u 无烟煤（anthracite)u 贫煤(meager coal)u 贫瘦煤(meager lean coal)u 瘦煤 (1ean coa1)u 焦煤(coking coal)u 肥煤(fat coaL)u 气煤(gas coal)u 13焦煤(13 coking coal)u 气肥煤(gasfat coal)u 12中粘煤(12 medium caking coal)u 弱粘煤(weakly caking coa1)u 不粘煤(noncaking coal
9、)u 长馅煤(long flame coal)u 褐煤 (brown coal；1ignite)二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的物理性质：煤的物理性质：煤的物理性质主要包括五个方面，即： 光学性质：颜色、光泽、反射率、折射率、吸收率； 机械性质：硬度、脆度、可磨性、断口； 空间结构性质：比重、表而积、孔隙度、压缩性； 电磁性质：介电常数、导电性、磁性； 热性质：比热，导热性等。一、煤层特征描述煤层的发育特征：含煤地层、含煤系数、煤层及煤层组、煤层稳定性、煤层结构、煤层分叉与尖灭、夹矸等。煤层的几何特征：煤层厚度、煤层底板标高、煤层埋深等二、煤体结构分类原生结构煤原生结构煤构构 造造 煤煤碎裂
10、煤碎裂煤碎粒煤碎粒煤糜棱煤糜棱煤煤体结构煤体结构瓦斯地质学中对煤体结构进行的宏观分类是根据煤体破坏程度进行瓦斯地质学中对煤体结构进行的宏观分类是根据煤体破坏程度进行的，可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的，可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤二、煤体结构分类三、煤层气赋存状态认识和了解煤层气在储层中的赋存状态，是地质评价的主要内容，是勘探开发的必要工作。目前人们普遍接受的观点是煤层气以 、 和 三种形式储集在煤储层中，且以 为主。溶解态 游离态吸附态吸附态吸附态吸附态吸附态溶解态溶解态游离态游离态吸附等温线吸附等温线吸附态煤层气可用吸附状态方程来表达，但最直观的是吸附等温线，即状态方
11、程的图示形式，它反映了等温条件下吸附量与压力的关系。吸附等温线在煤层气研究中的应用主要表现在以下四个方面： 评价煤层对气体的最大吸附能力，实测值往往偏低； 预测生产过程中储层压力降低时释放出气体的最大值和释放速率； 确定临界解吸压力。 确定气饱和度。特别是在气体处于未饱和状态，即所含气体量未达到最大吸附能力时，这一测试相当重要。一、煤储层的孔隙 一、煤储层的孔隙煤的孔隙类型及其成因简述注：+ + + 为作用大；+ + 为作用中等；+ 为作用小；空白为没有作用一、煤储层的孔隙一、煤储层的孔隙一、煤储层的孔隙煤的基质孔隙特征煤的基质孔隙特征与煤化程度有密切与煤化程度有密切关系。随煤化程度关系。随煤
12、化程度升高，基质孔隙的升高，基质孔隙的孔容和孔面积出现孔容和孔面积出现有规律的变化有规律的变化煤储层的天然裂隙割理是内生裂隙，与构造作用形成的外生裂隙相对应，割理是内生裂隙，与构造作用形成的外生裂隙相对应，是煤化过程中失水及烃类产生，煤基质收缩引起张力及是煤化过程中失水及烃类产生，煤基质收缩引起张力及高流体压力引起，通常分为两组，面割理和端割理，互高流体压力引起，通常分为两组，面割理和端割理，互相垂直，且垂直于层面方向相垂直，且垂直于层面方向面割理：割理中延伸距离较长、范面割理：割理中延伸距离较长、范围较大的一组，受最大主应力控制围较大的一组，受最大主应力控制端割理：延伸范围局限于面割理之端割
13、理：延伸范围局限于面割理之间，受最小主应力控制间，受最小主应力控制煤储层的天然裂隙煤储层的天然裂隙组合类型网格状半网状孤网状孤立状特征主内生裂隙与次内生裂隙均相交部分主内生裂隙存在与之相交的次内生裂隙大部分次内生裂隙仅一端与主内生裂隙相交大部分次内生裂隙两端均不与内生裂隙相交仅发育主内生裂隙或次内生裂隙示意图 相对渗透性好中等差很差内生裂隙组合类型表煤储层的天然裂隙煤储层的天然裂隙煤的显微裂隙组合关系煤的显微裂隙组合关系 a 规则网状割理,面割理和端割理将煤体切割成立方体基质块,平顶山六矿下石盒子组b 不规则网状割理,无法区分面割理与端割理,济源下冶太原组C-直线型断续、连续割理,仅发育一组面
14、割理,平顶山一矿下石盒子组割理及裂隙不同形态割理及裂隙不同形态割理及裂隙不同形态割理及裂隙不同形态d S 型割理,仅发育一组断续展布的张性面割理,晋城寺河矿山西组3 号煤e 多期叠加型,反映两期构造应力场的作用结果,反光, 160 ,焦作古汉山山西组煤储层的天然裂隙图图2.21 I1 2.21 I1 中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应力中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应力场影响延伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同性或较弱场影响延伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同性或较弱时，形成不规则网状割理（图时，形成不规则网状割理（图2.212.21中
15、中I2 I2 ）。如果主应力差较大，则形成）。如果主应力差较大，则形成线性连续或孤立状割理（线性连续或孤立状割理（II1II1）。剪切应力作用下形成）。剪切应力作用下形成S S型割理型割理 (II2)(II2)。多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（IIIIII）。）。煤储层的天然裂隙不同规模裂隙特征割理密度与煤阶早在早在1963 1963 年年Ammosov Ammosov 与与Eremin Eremin 就指出割理密度从就指出割理密度从褐煤到中挥发分烟煤逐渐褐煤到中挥发分烟煤逐渐增加，然后向无烟煤又逐增加，然后向无烟煤又逐渐降低的现象渐降低的现象存
16、在存在3 3种关系：种关系：（1 1）随煤阶增高呈偏正态）随煤阶增高呈偏正态分布，表达式为分布，表达式为割理密度与煤阶第二种与第二种与Laubach Laubach 等人的相同，等人的相同，割理密度随煤阶增高在割理密度随煤阶增高在R Ro,max=1.3%o,max=1.3%时达到极大值，时达到极大值，之后保持稳定之后保持稳定割理密度与煤阶割理密度随煤阶升高而增加，在Ro,max=1.3%时达到极大值，而后在Ro,max=1.3% to 4%之间缓慢降低，当Ro,max 超过4%后割理密度不再变化上述分析可得出一个重要结论：割理在中等煤阶焦煤、挥发性烟煤中最为发育，为割理发育预测提供了思路。割
17、理与矿化作用割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作用过程中，割理被矿物质充填形成脉体。用过程中，割理被矿物质充填形成脉体。割理的充填直接影响其导流能力和储层割理的充填直接影响其导流能力和储层的连通性，引起人们关注。的连通性，引起人们关注。充填矿物为石英、方解石、黄铁矿等自充填矿物为石英、方解石、黄铁矿等自生或后生矿物生或后生矿物割理与煤类型割理分布在亮煤割理分布在亮煤及镜煤中及镜煤中煤储层的天然裂隙 煤中裂隙观察研究应从煤中裂隙观察研究应从宏观宏观到到微观微观逐步逐步深化深化。 首先分析矿区地质构造背景，有目的地设置观测点，在裸露完整、首先分析矿区地质构造背景，有
18、目的地设置观测点，在裸露完整、干扰小的观测点易于追踪的代表性煤壁进行干扰小的观测点易于追踪的代表性煤壁进行观察描述观察描述。观测时，要求。观测时，要求方向定位准确，主次关系明了，对肉眼可见的裂隙几何形态参数量化。方向定位准确，主次关系明了，对肉眼可见的裂隙几何形态参数量化。 然后采集然后采集定向样品定向样品，进行微小裂隙的观测分析。采样要标定样品，进行微小裂隙的观测分析。采样要标定样品的空间方位（尽可能与天然裂隙的破裂方向一致），并保证一定的块的空间方位（尽可能与天然裂隙的破裂方向一致），并保证一定的块度。定向样品磨制成二维或三维光洁面，在层理面上观测裂隙的度。定向样品磨制成二维或三维光洁面，
19、在层理面上观测裂隙的方向、方向、主次关系、长度、宽度、密度、间距主次关系、长度、宽度、密度、间距，剖面上观测裂隙高度、垂向分，剖面上观测裂隙高度、垂向分布情况以及布情况以及组合关系组合关系等。等。煤储层的天然裂隙煤中裂隙的研究以采集煤中裂隙的研究以采集裂隙参数裂隙参数为途径，以识别为途径，以识别裂隙的类型、切割关系、空间分布规律和形成机裂隙的类型、切割关系、空间分布规律和形成机制为内容，以查明裂隙对煤层气勘探开发的影响制为内容，以查明裂隙对煤层气勘探开发的影响为目的。裂隙参数包括张开度、长度、高度、产为目的。裂隙参数包括张开度、长度、高度、产状、充填特征、裂隙密度及空间组合特征等。室状、充填特
20、征、裂隙密度及空间组合特征等。室内光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜内光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜等的观测查明裂隙的微观特征。等的观测查明裂隙的微观特征。煤储层的天然裂隙（1 1）高产煤层气藏预测）高产煤层气藏预测一般而言一般而言, , 中变质亮煤一半亮煤割理最发育中变质亮煤一半亮煤割理最发育, , 具有较高的具有较高的渗透率渗透率, , 因此因此, , 在其它条件在其它条件, , 如含气率、解吸一扩散速率如含气率、解吸一扩散速率等等 满足时满足时, , 是煤层气勘探的首选目标。是煤层气勘探的首选目标。（2 2）最佳开发策略的制定。）最佳开发策略的制定。通常面割理方向渗透率是
21、其它方向的通常面割理方向渗透率是其它方向的 3 310 10 倍倍, , 与端割与端割理渗透率之比高达理渗透率之比高达1717：1 1 。钻井及压裂方向垂直于面割理方向。钻井及压裂方向垂直于面割理方向。2022-3-2555储集层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过储集层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的性质，也就是说，渗透性是指岩石传导其连通孔隙的性质，也就是说，渗透性是指岩石传导流体的能力，渗透性优劣用渗透率表示。流体的能力，渗透性优劣用渗透率表示。表达式表达式适用单位为md,1md=10-3m2一一 、概念、概念粘度为1mpa.S的流体，在压差1atm作用下，在通过
22、1cm2、长度为1cm的多孔介质，其流量为1cm3/s时，该多孔介质渗透率即为一达西2022-3-2556一一 、概念、概念有效渗透率：煤中多相流体共存时，煤层对其中的每有效渗透率：煤中多相流体共存时，煤层对其中的每相流体渗透率称为有效渗透率，分别用相流体渗透率称为有效渗透率，分别用kw和和kg来表示来表示水和气的渗透率，则水和气的渗透率，则相对渗透率：煤中多相流体共存时，每相流体有效渗相对渗透率：煤中多相流体共存时，每相流体有效渗透率与其绝对渗透率比值，分别用透率与其绝对渗透率比值，分别用krw和和krg来表示水和来表示水和气的相对渗透率，则气的相对渗透率，则2022-3-2557二、渗透率
23、影响因素二、渗透率影响因素1. 有效应力与原地应力有效应力为总应力减去储层流体压力。垂直于裂隙方向的总应力减去裂隙内流体压力，所得的有效应力称为有效正应力，它是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加，导致裂隙宽度减小，甚至闭合，使渗透率急剧下降。Somerton 的实验研究发现的有效应力（ ）与渗透率（k）存在如下关系Mckee 等给出了更为完善的关系式2022-3-2558王洪林等根据大量资料指出随着有效应力的增加，渗透率呈指数降低二、渗透率影响因素二、渗透率影响因素2022-3-2559原地应力，特别是最小主应力对煤储层的渗透性影响严重二、渗透率影响因素二、渗透率影响因素2022-3-256
24、02. Klinkenberg效应在多孔介质中，气体分子就与通道壁相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿孔隙表面滑移，增加了分子流速，这一现象称分子滑移现象，这种由气体分子和固体间的相互作用产生的效应称Klinkenberg 效应由上式可知由Klinkenberg效应造成渗透率的增量为：二、渗透率影响因素二、渗透率影响因素K：气测渗透率 ，ko：等效液相渗透率 b：滑脱常数 pm：压力差2022-3-25613. 基质收缩效应实验表明，煤体在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀与收缩。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。由于煤体在侧向上是受围限的，因此煤基质的收缩
25、不可能引起煤层整体的水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变。基质沿裂隙的收缩造成水平应力下降，有效应力相应减小，裂隙宽度增加，渗透率增高。二、渗透率影响因素二、渗透率影响因素2022-3-2562渗透率与样品尺寸的关系渗透率与样品尺寸的关系由于煤的天然裂缝发育特征，由于煤的天然裂缝发育特征，较大样品显示出渗透率较高。较大样品显示出渗透率较高。4. 样品尺寸二、渗透率影响因素二、渗透率影响因素2022-3-2563三、渗透率测量方法三、渗透率测量方法1. 实验室测试储层的绝对渗透率、相对渗透率的实验测试，是在渗透率仪上进行的。相对渗透率的测定有两种方法：一是非稳态法，该方法首先用盐水将煤心饱和，而
26、后注入气体排出盐水，记录随时间排出的水和气量及压力等数据，计算出气、水相对渗透率；另一种是稳态法，该方法是同时将水和气体在一定压力下恒速注入煤心，记录水、气的排出量随时间的变化情况，求出相对渗透率。非稳态法更适合于孔隙度低的煤心。2022-3-2564三、渗透率测量方法三、渗透率测量方法2. 测井Faivre 和Sibbit 提出了一种利用双侧向测井计算渗透率的方法，即F-S 计算方法cf比例因子，由个地区统计数据求取，或由地区经验取值，也可实验测定2022-3-2565三、渗透率测量方法三、渗透率测量方法(3) 试井2022-3-2566 。吸附性 煤田地质界普遍认为，煤中有机质的基本结构单
27、元煤田地质界普遍认为，煤中有机质的基本结构单元主要是带有支链和各种官能团的主要是带有支链和各种官能团的缩合稠核芳香缩合稠核芳香系统，支系统，支链、官能团与缩合芳香核之间的比例关系影响到煤的化链、官能团与缩合芳香核之间的比例关系影响到煤的化学工艺性质。随着煤化程度加深，基本结构单元中六碳学工艺性质。随着煤化程度加深，基本结构单元中六碳环的数量不断增加，支链和官能团逐渐减少。环的数量不断增加，支链和官能团逐渐减少。 煤是由碳原子构成的有机固体，煤体相内的碳原子煤是由碳原子构成的有机固体，煤体相内的碳原子被四周的碳原子吸引，处于被四周的碳原子吸引，处于力的平衡状态力的平衡状态。当煤孔隙表。当煤孔隙表
28、面形成，则表面的碳原子至少有一侧是空的，因而出现面形成，则表面的碳原子至少有一侧是空的，因而出现受力不平衡（煤具有了受力不平衡（煤具有了表面自由能表面自由能）。当孔隙中存在甲）。当孔隙中存在甲烷分子时，甲烷分子就被煤的表面所吸附。烷分子时，甲烷分子就被煤的表面所吸附。 大量的碳素材料研究表明，煤、焦、炭、炭墨等非晶质高碳大量的碳素材料研究表明，煤、焦、炭、炭墨等非晶质高碳物料都是由微晶石墨片或芳核组成，其尺寸大小不等，小的零点物料都是由微晶石墨片或芳核组成，其尺寸大小不等，小的零点几微米，大则几十微米。几微米，大则几十微米。KaplanKaplan认为，石墨中芳香碳层之间的结认为，石墨中芳香碳
29、层之间的结合能为合能为5.4 kJ/mol5.4 kJ/mol左右，基本属于分子间的左右，基本属于分子间的范德华力范德华力（Van Van DerDer WaalsWaals）作用。甲烷因其饱和的成键结构而表现出极大的化学惰）作用。甲烷因其饱和的成键结构而表现出极大的化学惰性，其性，其9.4kJ/mol9.4kJ/mol的液化热却是很好的说明。的液化热却是很好的说明。 量子化学计算表明，当甲烷吸附于煤的表面时，量子化学计算表明，当甲烷吸附于煤的表面时，最大吸附势最大吸附势仅为仅为2.65 kJ/mol2.65 kJ/mol，这显然属于一，这显然属于一物理吸附物理吸附过程。过程。 物理吸附与化学
30、吸附的本质差异性性 质质物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸吸 附附 力力范德华力（范德华力（van der waals）化学键力化学键力吸吸 附附 热热近于液化热近于液化热近于化学反应热近于化学反应热吸附温度吸附温度较低（低于临界温度）较低（低于临界温度）相当高（远高于沸点）相当高（远高于沸点）吸附速度吸附速度快快有时较慢有时较慢选选 择择 性性无无有有吸附层数吸附层数单层或多层单层或多层单层单层脱附性质脱附性质完全脱附完全脱附脱附困难，常伴有化学变化脱附困难，常伴有化学变化2022-3-2570煤吸附煤吸附CH4的数学模型的数学模型常用的吸附理论和模型有：常用的吸附理论和模型有： Langm
31、uirLangmuir单组分层吸附理论：单组分层吸附理论： LangmuirLangmuir方程方程 BETBET多分子层吸附理论：多分子层吸附理论： BETBET方程方程 PolanyiPolanyi吸附势理论：吸附势理论： D-RD-R、D-AD-A方程方程对模型的精度问题，不同的作者有不同的结论。对模型的精度问题，不同的作者有不同的结论。目前多采用目前多采用Langmuir方程：方程： 参数有明确的 物理意义。 方程形式简单、 使用方便。 虽有误差，可 满足工程需要。2022-3-2571 BET二常数表达式见式二常数表达式见式: 该理论除接受了该理论除接受了LangmuirLangmu
32、ir提出的动态平衡、固体表面是均匀的等假设之外，提出的动态平衡、固体表面是均匀的等假设之外，认为认为吸附是多分子层。吸附是多分子层。 BETBET方程主要用于描述中孔丰富的多孔性物质，但用于超临界状态方程主要用于描述中孔丰富的多孔性物质，但用于超临界状态流体时偏差较大，可用来描述流体时偏差较大，可用来描述、型吸附等温线，并可计算多孔性物质的比表型吸附等温线，并可计算多孔性物质的比表面积。面积。 （希朗诺尔、泰勒、埃米特）（希朗诺尔、泰勒、埃米特）Langmuir方程：方程： V= VL P / （PL + P） 或或 P/V=P/VL +PL/ VL 其主要假设条件是：其主要假设条件是：单分子
33、层吸附、固体有理想的均匀表面、被吸附的分子之间无单分子层吸附、固体有理想的均匀表面、被吸附的分子之间无相互作用、吸附平衡是动态平衡等。主要用来描述相互作用、吸附平衡是动态平衡等。主要用来描述型等温线。型等温线。0011)(PPCVCCVPPVPmm吸附势理论吸附势理论 ： D-R方程方程 D-A方程方程 固体表面存在着位势场固体表面存在着位势场，位势大小和把气体在等温条件下从气体压力压缩到饱和位势大小和把气体在等温条件下从气体压力压缩到饱和压力使之液化所作的功有关。压力使之液化所作的功有关。 D-R方程一般适合于孔径较小的吸附剂，并且不易发生方程一般适合于孔径较小的吸附剂，并且不易发生多层吸附
34、或毛细凝结现象，多层吸附或毛细凝结现象，D-A方程中方程中n随吸附剂的孔隙结构特点而变化，适用范围较随吸附剂的孔隙结构特点而变化，适用范围较宽；宽； )ln(exp200PPERTVV)ln(exp00nPPERTVV煤吸附煤吸附CH4的数学模型的数学模型2022-3-2572四种方程拟合结果的相对误差曲线四种方程拟合结果的相对误差曲线 不同模型拟合焦煤吸附不同模型拟合焦煤吸附CH4的曲线的曲线05101520250246810压力 /MPa吸附量 /cm3g-1n=1,D-AD-RlangmuirBET实测值焦煤-8-40480369压力 /MPa相对误差 /%压 力 /MPa相对误差 /%
35、n=1,D-AD-RLangmuirBET拟合曲线拟合曲线误差曲线误差曲线煤吸附煤吸附CH4的数学模型的数学模型2022-3-2573不同煤级煤吸附不同气体的差异性不同煤级煤吸附不同气体的差异性07142128350246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N206121824300246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N207142128350246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N20204060800246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N2长焰煤气煤焦煤无烟煤同一煤样吸附不同气体：同一煤
36、样吸附不同气体：CO2CH4N22022-3-2574 低煤级煤的吸附等温线更接近直线，高煤级煤则具抛物线形态。低煤级煤的吸附等温线更接近直线，高煤级煤则具抛物线形态。煤的变质程度越低，其三维网状空间结构越发育，在吸附过程中，当煤的变质程度越低，其三维网状空间结构越发育，在吸附过程中，当压力较低时，气体分子不足以克服一些交链的阻力进入到这些网状结压力较低时，气体分子不足以克服一些交链的阻力进入到这些网状结构中，当压力较高时，气体分子有足够的动力可进入到这些高分子包构中，当压力较高时，气体分子有足够的动力可进入到这些高分子包围的空隙中，称为围的空隙中，称为“固溶现象固溶现象” 。 长焰煤长焰煤吸
37、附不同气体吸附不同气体不同煤级煤吸附不同气体的差异性不同煤级煤吸附不同气体的差异性07142128350246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N2无烟煤无烟煤吸附不同气体吸附不同气体0204060800246810压力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)CH4CO2N22022-3-2575不同煤级煤对不同煤级煤对CO2的吸附等温线的吸附等温线 不同煤级煤吸附不同煤级煤吸附CH4的吸附等温线的吸附等温线无烟煤吸附无烟煤吸附CO2等温线出现上翘等温线出现上翘现象，其它现象，其它3种煤较接近。种煤较接近。随煤级的升高，随煤级的升高，CH4、N2吸附量增加，吸附量增加，即无
38、烟煤即无烟煤焦煤焦煤气煤气煤长焰煤。长焰煤。0204060800123456压 力 /MPa吸附量 /cm3g-1长 焰 煤气 煤焦 煤无 烟 煤不同煤级的煤吸附不同气体的差异性不同煤级的煤吸附不同气体的差异性01 02 03 04 05 0024681 0压 力 / M P a吸附量 /(cm3g-1)长 焰 煤气 煤焦 煤无 烟 煤不同煤级煤吸附不同煤级煤吸附N2的吸附等温线的吸附等温线051015200246810压 力 /MPa吸附量 /(cm3g-1)长 焰 煤气 煤焦 煤无 烟 煤不同煤级煤对不同煤级煤对CO2的吸附等温线的吸附等温线02 04 06 08 00246压 力 / M
39、 P a吸附量 /(cm3g-1)无 烟 煤 2无 烟 煤2022-3-2576不同煤级煤吸附不同气体的差异性不同煤级煤吸附不同气体的差异性煤样煤样CH4CO2N2VLPLRVLPLRVLPLR长焰煤长焰煤27.3316.700.991070.206.720.9737-17.74-36.240.7036气煤气煤23.947.790.991230.362.260.990739.7636.830.9487焦煤焦煤28.823.440.996541.821.710.998623.839.960.9986无烟煤无烟煤60.184.080.997186.341.680.996349.1114.400.9
40、986不同煤级煤样吸附不同气体的不同煤级煤样吸附不同气体的LangmuirLangmuir常数常数 （VL单位为单位为cm3/ g， PL单位为单位为MPa。）。）2022-3-2577煤层气物理吸附煤层气物理吸附煤层气物理解吸煤层气物理解吸作用过程作用过程吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中（是一种（是一种“自发过程自发过程”）人为的排水人为的排水- -降压降压- -解吸过程解吸过程（是一种（是一种“被动过程被动过程”）作用时间作用时间吸附是一个漫长的过程吸附是一个漫长的过程以百万年计以百万年计解吸是一个相对较快的过程解吸是一个相对较快的过程以天、以小时计
41、以天、以小时计作用条件作用条件煤具有很强的吸附能力煤具有很强的吸附能力煤热演化生成的煤层气足以满足煤的吸附煤热演化生成的煤层气足以满足煤的吸附煤层在演化中逐步脱水、升温、增压煤层在演化中逐步脱水、升温、增压煤具有更强的吸附能力煤具有更强的吸附能力有限的降压和极有限的基质孔隙空间有限的降压和极有限的基质孔隙空间几乎是恒定的温度几乎是恒定的温度影响因素影响因素煤质、基质孔隙内表面积等煤质、基质孔隙内表面积等解吸为游离态的煤层气逸散速度等解吸为游离态的煤层气逸散速度等2022-3-2578实验结果与认识：实验结果与认识：2022-3-2579 。含气性主要富集因素是生、储、保，主要富集因素是生、储、
42、保，圈、运作用较弱圈、运作用较弱含气量：单位重量煤中所含煤层气的体积，单位：m3/t 中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准GB/T 19559-2004 1970年最早由法国人Bertard首次提出，以后在美国矿业局加速甲烷排放项目研究中采用了此法，称之为直接法。 其后被修改完善，美国矿业局（USBM）的关键性修改，把解吸气体积测定分为3个部分： 损失气：指采样过程中释放出的气体体积，为煤层钻进到样品装罐前逸散的那部分气体。 解吸气：指环境温度压力下自然解吸的气体体积，为煤芯装罐以后解吸出来的气体。 残余气：解吸结束后，仍然残留在煤层中的那部分气体。将样品粉碎到60-200目所释放的气
43、体体积。 解吸气测定解吸气测定： 1. 解吸间隔：自然解吸时，每间隔一定时间测定一次，其时间间隔依气量大小和罐内压力而定。 美国矿业局：第一点5min，其后10min、15min、30min、60min、120min，直至累计满8h 。 装罐结束第一次测定为5min，以后每10min、15min、30min、60min、间隔各测定1h， 120min直至累计满8h。 连续解吸8h后可视表压适当延长解吸时间间隔，最长为24h。 2. 解吸终止限：自然解吸持续到连续7天每天平均解吸量小于或等于10cm3，结束解吸测定。 损失气计算方法：损失气计算方法： 计算参数：零时间气体开始逸散的时间； 损失气
44、时间从零时间到样品装罐的时间。 计算方法： 1 .美国矿业局直接法（USDM） 其依据是气体从一个均一初始浓度的球体恒温扩散的偏微分方程。在零时间，假设气体浓度在球体边界处瞬时降至大气压，扩散系数为常数，孔隙结构单峰分布。解吸初期，损失气体积与时间的平方根成正比的原理。 直接法以最初8h损失量与时间平方根成正比的关系外推，横轴截距为损失气时间平方根，纵轴截距为损失气体积。 适合于煤芯样品，测值更接近于保压取芯。 此法相当于我国常用的最小二乘方法，是应用最广的一种方法。 直接法损失气计算图示：直接法损失气计算图示：*井 *样 品损失量计算图*井 *样 品损失量计算图y = 48.243x - 1
45、28.05R2 = 0.997-200-10001002003000.01.02.03.04.05.06.07.08.0( T + t ) /min1/2损失量 / cm3损失量 =128.05cm3 损失气计算方法：损失气计算方法： 2.史威法(SW) ： 依据与直接法相同。除边界处气体浓度随时间呈函数变化外，孔隙结构为双峰分布，考虑了样品密封到解吸罐前的压力变化，借以提高损失气计算精度。 SW以曲线进行计算，曲线给出体积校正因子、损失气时间比、地面时间比的关系。 根据零时间和损失气时间参数，计算出损失气时间比和地面时间比，然后依据煤体形态因子计算求得。 适合于煤屑样品，测值偏低。 3.阿莫
46、克曲线拟合法：其原理同上。通过实际考察，测值偏差较大，应用很少。 4.国内也曾有最小二乘法，测点连线外推法，二项式等。史威法（史威法（S SW W） 计算公式如下： 损失时间比 = 损失气时间/实测气25%解吸出的时间 地面时间比 = 地面暴露时间/损失气时间 利用以上两参数经查表得出体积校正因子，再通过下式计算损失气量。 损失气量 = 实测气体积 ( 体积校正因子 - 1)图 美国煤层气井损失气量估算值的三种方法对比图050100150200250S.U5-7SSR11-15GRI1GRI2V.C32-1FC12SHCT1SU36-1基准值百分比 直接法 史威法 阿莫科法损失气计算方法比较：
47、损失气计算方法比较：比较结果：比较结果： 1.直接法实际应用测值较高，适宜煤芯样品，与保压岩芯结果较接近，在解吸初期即可得到。 2.史威法测值较低，只有在解吸结束后才可求得，适于气含量低的煤。 3.阿莫克曲线拟合法数值偏高。 结论：比较可知，建议使用直接法。结论：比较可知，建议使用直接法。残余气测定方法：残余气测定方法： 残余气：指解吸结束后，仍然滞留在煤层中的部分气体。 因为不能采出，美国一般不测试。 1.测试方法：球磨法。 解吸测定结束后，选取500g样品，装入球磨罐，在球磨机上球磨，球磨2-4h后，把球磨罐放入恒温水浴，间隔一定时间测定残余气体积。 2.残余气测定终止限：连续7天，解吸的
48、气体量平均小于或等于10cm3，则残余气测定结束。 标准温度压力校正：测得的解吸气、损失气、残余气需经标准温度压力条件（200C，101.325kPa ）校正。 VSTP = 273.2*P*V/101.325*(273.2+T) 式中：VSTP标准状态下的气体体积，cm3； P大气压力，kPa； T大气温度，； V气体体积（解吸计量读数），cm3。 数据处理：数据处理： 1. 气体体积计算： GV/m 式中：G 实测的自然解吸气含量，cm3/g； V 实测的自然解吸气体积，cm3； m - 样品总重量，g。 2. 气含量计算： 煤层气含量等于损失气含量、实测的自然解吸气含量和残余气 含量之和
49、。 3. 计算数值精度要求： 煤层气含量数据保留2位小数。 气含量计算：气含量计算： 煤层气含量测定报告分为单样品测定报告和测定汇总报告。 1. 单样品测定报告 主要包括：自然解吸原始记录、残余气测定原始记录、解吸曲线图、损失气计算图、工业分析结果、气组分分析结果、煤质分析结果、煤岩鉴定结果和单样品测定成果报告等。 2. 汇总报告 汇总报告应包括以下内容： 煤层气含量测定汇总表。 成果报告：成果报告：2022-3-2594一、储层压力定义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2022-3-25952022-3-25962022-3-2597煤层瓦斯压力煤层瓦斯
50、压力2022-3-2598美储层压力计算方法美储层压力计算方法2022-3-2599原地应力是指煤储层没有受到任何人为扰动，处于原始状态的应力。原地应力是压裂设计的重要依据，是储层渗透性的重要控制因素，同时也严重影响煤层气井的排采。2022-3-25100水力压裂法应力测量的最直接的方法原地应力测试采用微型压裂法，一般进行四个注入压降循环，具体如下表原地应力测量试井方法2022-3-25101原地应力测量试井方法2022-3-25102原地应力测量试井方法通过求得最小水平应力、临界破裂压力、岩石抗拉强度、孔隙压力（储层压力）获取最大水平应力，。2022-3-25103原地应力测量测井方法通过测
