煤層氣解吸特征與解吸效率定量表征

0煤氣開發過程與解吸特性煤層主要分布在吸附層，主要基于排水、加壓、解吸、擴散和滲流的機理。目前,在煤層氣研究中多采用單分子層吸附動力學理論,即蘭格繆爾(Langmuir)等溫吸附理論。煤層吸附與解吸特征對煤層氣開發有重要影響,以往的研究主要集中于煤等溫吸附(解吸)實驗及影響因素,對煤層氣解吸過程的理論分析很少。ZhangZ等曾針對等效解吸率的曲率曲線特征研究煤層氣解吸過程,但缺乏壓力節點及其解吸效率的詳細求解過程與普適性驗證,也沒有關于不同類型煤層氣藏解吸階段特征對比與生產指示意義的深入探究。煤層氣等溫吸附與解吸過程在理論上是可逆的,因此用蘭氏等溫吸附方程來研究解吸過程是可行的。本文針對煤層氣解吸(吸附)曲線的曲率變化特征,采用解吸效率的概念,對煤層氣解吸階段進行定量劃分,總結、對比不同類型煤層氣藏解吸階段特征,并探討本文提出的煤層氣解吸階段劃分方法的內涵與指示意義。1推理和建立方法1.1方法介紹1.1.1中煤階在煤階吸附特性分析為定量表征不同儲集層壓力下煤層氣解吸量及其對煤層氣產能的貢獻,引入解吸效率的概念,定義為單位壓降下每噸煤的解吸量。由蘭氏方程可知,煤層氣的解吸效率可以表征為煤層氣吸附量的一階導數:其中為便于直觀顯示,繪制各曲線時均選用典型中煤階等溫吸附參數(蘭氏體積21m3/t,蘭氏壓力2.7MPa)。圖1為煤層氣解吸效率曲線,可以看出,隨著儲集層壓力的降低,煤層氣解吸效率逐漸增大。1.1.2解吸曲線轉化率曲率可以定量表征曲線的彎曲程度,曲率越大表示曲線的彎曲程度越大。根據煤層氣解吸曲線曲率,對煤儲集層解吸階段進行定量劃分。根據曲率的數學表達式,可將煤層氣解吸曲線曲率表達為:煤層氣吸附量二階導數為:將(1)式、(3)式代入(2)式,可得:圖2為解吸曲線曲率變化曲線,當曲率取得最大值時,曲率一階導數為零,即:該點為曲率曲線駐點,對應的儲集層壓力為:對應的吸附量為:將(6)式代入(1)式,即可得對應的解吸效率為1m3/(t·MPa)。將解吸曲線曲率駐點對應的儲集層壓力定義為轉折壓力ptu(見圖3)。不論蘭氏體積與蘭氏壓力取何值,當儲集層壓力等于轉折壓力時,煤層氣解吸效率均為1m3/(t·MPa)。煤層氣開采過程中,隨著儲集層壓力的下降,煤層氣解吸效率逐漸增大;當儲集層壓力降至轉折壓力后,煤層氣解吸效率開始顯著增大。解吸曲線曲率的大小在一定程度上可以表征解吸效率變化的快慢。隨著壓力由高到低,曲率依次表現為緩慢增大、快速增大、快速減小與緩慢減小4個階段,對應的解吸效率表現為基本不變、緩慢增大、快速增大與急速增大4個階段。1.1.3解吸效率與啟動壓力圖4為解吸曲線曲率二階導數曲線,圖中二階導數為零的兩點為解吸曲線曲率曲線的拐點,分別為解吸效率由基本不變到緩慢增大、由快速增大到急速增大的分界點,將其分別定義為啟動壓力pst和敏感壓力pse。解吸曲線曲率二階導數為零時:(8)式的兩個解為則敏感壓力對應的煤層氣解吸效率為2.59m3/(t·MPa);啟動壓力對應的煤層氣解吸效率為0.55m3/(t·MPa)。1.2煤儲集層降壓開發過程中地層解吸特征煤層氣解吸曲線上存在3個關鍵點,對應的壓力分別為啟動壓力、轉折壓力和敏感壓力。不同煤樣解吸曲線上關鍵點對應的壓力數值不同,但對應的解吸效率是定值,分別為0.55m3/(t·MPa)、1.00m3/(t·MPa)和2.59m3/(t·MPa)。以這些關鍵點為分界點,可將等溫吸附/解吸曲線劃分低效解吸、緩慢解吸、快速解吸與敏感解吸4個階段(見圖5)。以原始儲集層壓力10MPa、蘭氏體積21m3/t、蘭氏壓力2.7MPa的飽和煤層氣藏為例進行計算,低效、緩慢、快速和敏感解吸階段煤層氣解吸量占含氣量的比例分別為6.65%、11.88%、27.72%和53.73%。對于欠飽和煤層氣藏,快速解吸與敏感解吸階段解吸量占含氣量的比例會更大(見表1)。因此,低效解吸與緩慢解吸階段對煤層氣產出貢獻較小,快速解吸特別是敏感解吸階段決定了煤層氣井的產能潛力。煤儲集層降壓開發過程中的4個解吸階段分別具有以下特征:(1)低效解吸階段。壓力大于啟動壓力;煤層氣解吸量對壓力幾乎不敏感;解吸效率小于0.55m3/(t·MPa);煤層氣解吸量占含氣量比例很低;對煤層氣井產能貢獻很小。(2)緩慢解吸階段。壓力介于轉折壓力與啟動壓力之間;煤層氣解吸量對壓力敏感程度低;解吸效率為0.55~1.00m3/(t·MPa);煤層氣解吸量占含氣量的比例較低;對煤層氣井產能貢獻較小。(3)快速解吸階段。壓力介于敏感壓力與轉折壓力之間;煤層氣解吸量對壓力敏感程度較高;解吸效率在1.00~2.59m3/(t·MPa);煤層氣解吸量占含氣量的比例較高;對煤層氣井產能貢獻較大。(4)敏感解吸階段。壓力小于敏感壓力;煤層氣解吸量對壓力敏感程度很高;解吸效率大于2.59m3/(t·MPa);煤層氣解吸量占含氣量的比例很高;對煤層氣井產能貢獻大。理論上,任一解吸曲線上都存在啟動、轉折和敏感壓力3個節點。但實際生產中,由于煤層吸附能力、儲集層壓力和含氣飽和度等的差異,多數煤層氣藏不會經歷全部4個解吸階段。因為在漫長的地質歷史過程中,煤層可能已經經歷部分解吸階段。對于埋深較小的中高煤階儲集層,多數煤層氣井不會經歷低效和緩慢解吸階段。2解吸特征指標煤層氣井產能受解吸效率和滲透率的共同控制。如果甲烷解吸效率小于裂縫的滲流能力,即使滲透率較高,煤層氣井產能仍然較低。提高煤層氣井解吸效率能增大解吸體積,還能增強基質收縮效應,對提高滲透率和氣井產能具有促進作用。因此,提高甲烷解吸效率是提高產能最根本的途徑。根據解吸效率的定義,理論上蘭氏體積、蘭氏壓力和儲集層壓力共同決定解吸效率:蘭氏體積、蘭氏壓力越高,解吸效率越高;儲集層壓力越高,解吸效率越低。因此從解吸特征角度講,煤層吸附能力(由蘭氏體積體現)和儲集層壓力(由埋深體現)是影響產能的關鍵因素。不同煤級煤儲集層的蘭氏壓力和蘭氏體積各不相同,圖6—圖8分別為不同蘭氏體積和蘭氏壓力條件下啟動壓力、轉折壓力與敏感壓力圖版,可以看出:蘭氏體積和蘭氏壓力越高,啟動壓力、轉折壓力與敏感壓力也越高。煤層氣解吸階段劃分是基于初始飽和吸附條件進行的,在進行實際煤層氣藏(特別是欠飽和煤層氣藏)解吸效率評價時,含氣性是控制解吸效率的關鍵因素,尤其是對初始解吸效率的影響較大。對于已經遭受破壞的煤層氣藏,在地質歷史過程中部分煤層氣已經解吸逸散,含氣量和含氣飽和度很低,即使理論上計算的解吸效率很高,也很難實現解吸產氣。煤層氣井開采過程中,初期解吸效率低,但初期比后期降壓容易,因此在開發早期具有較高的解吸效率對形成高產氣井至關重要。煤層氣井臨界解吸壓力下的解吸效率能夠反映氣井早期的產氣特征,但由于氣井臨界解吸壓力數據獲取難度較大,因此可以采用原始儲集層壓力下的理論解吸效率來間接反映氣井早期的解吸特征與產氣效果。根據本文解吸階段劃分方法,啟動壓力、轉折壓力和敏感壓力越高,原始儲集層壓力下的解吸效率計算值越高,產氣初期煤層氣解吸效率也越高,對煤層氣開發越有利。2.1煤層等溫解吸特性煤層吸附能力常用蘭氏體積表征。相對于中、低煤階,高煤階煤儲集層含氣量和蘭氏體積都較高,因此從解吸特征角度講,高煤階煤儲集層在形成高產能井方面具有先天性優勢。沁南和柳林地區的煤層氣開發很好地證實了這點:目前在埋深相似條件下,沁南地區煤層氣井產能明顯高于柳林地區。圖9為沁南和柳林地區煤層等溫吸附曲線,表2為沁南和柳林地區煤層等溫吸附參數表,可以看出:沁南地區煤儲集層蘭氏體積明顯大于柳林地區煤儲集層蘭氏體積,前者平均約為后者的兩倍,計算出的3個特征壓力及原始儲集層壓力下對應的解吸效率也具有類似特點。埋深相似時,沁南地區原始儲集層壓力普遍處于解吸效率更高的壓力區間,因而在同等降壓速度下,初始見氣階段沁南地區煤層氣解吸效率更高,解吸量更大,產能更高(見表2)。2.2不同地區煤儲集層氣井產能分析儲集層壓力是影響煤層氣吸附/解吸的關鍵參數,通常主要受煤層埋深的控制。煤層埋深對煤層壓力、含氣量和滲透率等都有不同程度的影響。通常埋深較大的煤層,含氣量和儲集層壓力較高、滲透率較低。埋深較大的煤層原始儲集層壓力對應的解吸階段通常為低效和緩慢解吸階段,解吸效率較低;而埋深較小的煤層則為快速和敏感解吸階段,解吸效率較高。煤層氣開發中,初期比后期降壓容易,儲集層壓力下降速度呈遞減趨勢。因此,埋深較小的煤儲集層開發初期穩定見氣后壓降速度快、解吸效率高、解吸量大,原始滲透率也較高,煤層氣井易形成高產井。柳林地區位于鄂爾多斯盆地東緣河東煤田中段,總體為西南傾斜的單斜構造。該區山西組煤層由東北部向西南部埋深和儲集層壓力逐漸增大,區內排采山西組煤層的直井,東部和東北部產氣效果明顯好于西南部。從區內含氣量、試井滲透率、等溫吸附參數、儲集層壓力和排采數據比較齊全的9口排采山西組煤層的直井來看,隨著原始儲集層壓力的增大,含氣量和試井滲透率變化趨勢并不明顯(見圖10),而儲集層壓力與各特征壓力的差值逐漸增大(見表2),原始儲集層壓力下解吸效率計算值呈明顯的遞減趨勢,平均產氣量和最大產氣量也呈較明顯的遞減趨勢(見表2、圖11)。由此可見,盡管含氣量和滲透率對煤層氣井產能有一定影響,但控制柳林地區山西組煤層氣井產能的主要因素為儲集層壓力和煤層吸附/解吸特征。因此,柳林地區山西組煤層氣資源開發應優先選擇埋深較小的東部地區,并逐步向西南部遞進開發;而對于埋深較大的煤層,相對高滲區的尋找及高質量的壓裂施工是提高產能的關鍵。3氣調與解吸能力在任一蘭氏等溫吸附曲線上,存在3個關鍵壓力點,分別定義為啟動壓力、轉折壓力與敏感壓力;不同的煤樣3個關鍵壓力點數值不同,但這些壓力點對應的解吸效率是定值,分別為0.55m3/(t·MPa)、1.00m3/(t·MPa)和2.59m3/(t·MPa)。據此將煤層氣解吸過程劃分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸與敏感解吸4個階段。快速與敏感解吸階段對煤層氣井產能貢獻很大,而低效與緩慢解吸階段則很小。實際生產過程中,多數煤層氣藏不會經歷全部4個解吸階段。蘭氏體積、蘭氏壓力和儲集層壓力共同決定解吸效率,蘭氏體積、蘭氏壓力值越高解吸效率越高,儲集層壓力越高解吸效率越低。煤層吸附能力、含氣性和儲集層壓力是影響煤層氣解吸特征的關鍵因素。沁南地區和柳林地區的煤層氣開發現狀印證了煤層氣解吸階段劃分方法的指示意義。高煤階煤儲集層在形成高產能井方面具有先天性優勢。對于中、低煤階煤巖,儲集層壓力(埋深)對產能影響很大。中、低煤階煤層氣開發應優先選擇埋深相對較小(風化帶以下)的地區;而對于埋深較大的煤層,提高產能的關鍵是優選相對高滲區和開展高質量的壓裂施工。符號注釋:V′——煤層氣吸附量一階導數;VL——蘭氏體積,m3/t;pL——蘭氏壓力,