基于不同温压条件等温吸附实验的低煤级储层吸附气含量估算方法

葛燕燕，李　升，冯　硕

(新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)



基于不同温压条件等温吸附实验的低煤级储层吸附气含量估算方法

葛燕燕，李升，冯硕

(新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

为系统分析低煤级煤储层原位吸附气含量，收集了8个样品在25℃和45℃平衡水条件下的等温吸附资料，开展了2个低煤级煤样平衡水条件下等温吸附实验，提出了基于不同温压等温吸附实验的低煤级储层原位吸附气含量预测方法。结果显示：低煤级煤吸附气含量随温度增大而减小，甲烷吸附递减量随压力增加呈指数变化而非线性变化，基于预测方法对海拉尔盆地4煤样和准噶尔盆地南缘阜康矿区F1井钻遇层位原位条件下的吸附气含量进行了估算，结果显示低煤级储层吸附气含量随埋深增加而增加，但增加趋势不明显，与中-高煤级储层吸附气含量随埋深增大变化趋势不同，同时预测结果为F1井实测含气量所验证。本论文成果有助于低煤级储层煤层气的勘探与开发。

等温吸附；含气量；低煤级；煤层气

低煤级煤为煤化作用初级阶段产物，主要包括褐煤和长焰煤。我国低煤级煤层气资源占我国总资源量54.2%，主要分布于西北侏罗系含煤盆地、东北中生代断陷盆地等[1-2]。为降低低煤级储层煤层气勘探风险，储层原位含气量的精确估算极为重要。甲烷主要以吸附、溶解及游离等状态赋存于储层孔裂隙之中[3-5]，其中吸附气含量占据较大比例[6]，含气量通常由原位温压条件下的解吸过程来估计，同时根据数学方法估计损失气含量，根据室内实验计算残留气含量[7-8]。我国东北及西北低煤级储层大中孔隙及裂隙较为发育[9-10]，岩芯提升过程可能会逸散相当部分吸附气及游离气，造成含气量难以精确估算。因此，准确估计低煤级储层含气量仍然是困扰煤层气开发的难题[11]。相应研究有部分进展[12-13]，但是常规岩心含气量测试难以满足原位储层埋深条件下和区域储层含气量的估计。相对于直接解吸法，本文收集了8组煤样25℃和45℃下不同压力下的等温吸附数据，开展了2煤样不同温压下等温吸附实验，提出了基于不同温压条件下平衡水等温吸附实验的间接方法来估算低煤级储层原位吸附气含量，以期能为我国低煤级储层煤层气勘探开发提供指导。

1　等温吸附实验

为拟合储层条件，采用美国材料实验协会(ASTM)所推荐的方法[14]，在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。平衡水分含量的确定方法[15]：首先将样品破碎到小于60 目(0.25mm)，称重100g，精确到0.2mg，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中(30℃)，该溶液可以使相对湿度保持在96%～97%之间。48h后煤样即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分(Mad)含量与测试煤样水平衡时吸附水分含量之和。采用美国TerraTek公司生产的IS-300等温吸附仪对准噶尔盆地南缘阜康矿区F1井及F2井煤样分别在29℃和36℃开展不同压力下等温吸附实验，同时对海拉尔盆地4个煤样开展了25℃下不同压力下等温吸附实验(用于估算海拉尔盆地相应采样深度吸附气含量)，本次等温吸附压力可达16MPa，仪器压力误差小于3.51kPa，温度误差小于0.2℃。另为建立模型需要，搜集4组样品在25℃和45℃条件下开展的平衡水等温吸附实验[16]。可得实验结果及样品概况(表1)。

表1　测试及搜集样品煤岩学性质及不同温度平衡水条件下的等温吸附特征

注：* 为据傅小康[16]搜集数据；#为本次实验样品数据；Ro，max：镜质组最大反射率，%；T：实验温度，℃；Me：平衡水分含量，%；VL，daf：空气干燥干基条件下朗氏体积m3/t；PL，daf：空气干燥干基条件下朗氏压力，MPa；V：镜质组含量，%；I：惰质组含量，%；E：壳质组含量，% (V+I+L=100%)；Mad：空气干燥干基水分含量，%；Ad：空气干燥干基灰分含量，%。

2　储层原位吸附气含量估算模型

2.1估算方法

煤样的吸附能力以朗氏方程表示，见式(1)[18]。

(1)

式中：V：煤样在压力P下的吸附量，m3/t；VL：朗氏体积，即煤样的最大吸附量，m3/t；PL：朗氏压力，吸附曲线上最大吸附量一半值对应的压力，MPa。

储层原位吸附量可按式(2)计算。

(2)

式中：VT，daf：测试温度下甲烷吸附量，m3/t；TR：储层原位温度，℃；TT：测试温度℃；ΔV′：单位温度变化引起的甲烷吸附递减量m3/(t·℃)，本文定义为吸附递减率，注意ΔV′受储层温度和压力的分布的影响，将会在随后讨论。

空气干燥基吸附气含量可由式(3)计算。

(3)

式中：Mad为空气干燥干基水分含量，%； Aad为空气干燥干基灰分含量，%。

2.2估算实例

收集的4组褐煤样品(ZT-01，HD-01，ZGR-02，YL-01)在平衡水条件下于25℃ 和 45℃ 测试的等温吸附量随温度增加而减小(图1)。样品HD-01和ZT-01 吸附量在4MPa以上趋于稳定。与样品HD-01和ZT-01不同，样品ZGR-02，YL-01则在收集资料测试条件下表现出了较好的吸附性能。

图1　低煤级煤样不同温度下的等温吸附曲线

定义同一压力下在25℃和45℃下的吸附量之差为吸附递减量ΔV，其与吸附递减率ΔV′两参数共同反映了温度对低煤级煤吸附量的影响。各样品吸附递减量随压力增大变化趋势不同：样品ZT-01的吸附递减量随压力增加变化不大；样品HD-01吸附递减量随压力增加趋于减小；而ZGR-02、YL-01两样品吸附递减量随压力增大增大显著，低压阶段尤甚。由此可见，吸附递减量随温度变化而变化，同时随压力增加，吸附递减量的变化趋于稳定(图2)。

图2　不同煤样吸附递减量随压力的变化

总体上，吸附递减量与压力的关系非线性，以对数形式拟合为最佳，见式(4)。

ΔV=aln(P)+b

(4)

式中：ΔV为吸附递减量，m3/t；P为压力，MPa；a、b 为常数，据图2及式(4)由最小二乘法拟合得出。

对ZT-01，HD-01，ZGR-02，YL-01的吸附递减量按式(4)进行拟合，发现常数a式(5)和b式(6)与四组煤样的最大镜质组反射率有较好的线性关系(图3，图4)。

a=0.440，Ro，max-0.152，r= 0.84 (5)

b=-0.497Ro，max+0.260，r= 0.85 (6)

图3　参数a与最大镜质组反射率的关系

图4　参数b与最大镜质组反射率的关系

由此可知，据最大镜质组反射率可推倒不同压力下吸附递减量，再根据储层地温梯度、储层压力系数等参数确定储层原位温压条件，再基于特定温度下的等温吸附实验，可间接估计储层原位温压条件下吸附气含量。以HLR-02样品为例，其最大镜质组反射率为0.26%，计算出参数a、b，其吸附递减量随温度的变化见式(7)。

ΔV=-0.037ln(P)+0.131，Ro，max=0.26%

(7)

然后将吸附递减量ΔV除以吸附实验温差，即可得吸附递减率ΔV′大小，据式(2)、式(3)估算储层原位温压条件下甲烷吸附量。

2.3估算结果

以海拉尔盆地的4煤样吸附试验数据为例估算其采集地储层含气量，该地区恒温带埋深约40m，温度15℃，地温梯度为2℃/100m，储层压力梯度为0.8MPa/100m。该地区储层温度和压力可由式(8)、式(9)估算。

T=15+(H-40)×2/100，

(8)

P=0.8×H/100

(9)

式中：T为储层温度，℃；H为储层埋深，m；P为储层压力，MPa。

自埋深600m增大到1400m，储层温度由26.2℃增加至42.2℃，储层压力由4.8MPa增加至11.2MPa(表2)。温度区间25℃至45℃，覆盖了埋深由600m至1400m区域。因此利用方程(4)计算含气量递减率ΔV’，HLR-02样品吸附递减率由0.0020m3/(t·℃)变化至0.0036m3/(t·℃)；HLR-05、HLR-06和HLR-07镜质组反射率均为0.42%，其吸附递减率随埋深由0.0051m3/(t·℃)变化至0.0065m3/(t·℃)。然后将计算得的吸附递减率代入方程(2)和(3)，可估算得原位储层吸附气含量(表2)。结果显示煤样吸附气含量自1.32m3/t至5.40m3/t变化(空气干燥基)，HLR-02吸附气含量随埋深增加由1.32m3/t增大至1.46m3/t，HLR-05、HLR-06及HLR-07镜质组反射率均为0.42%，大于HLR-02，吸附气含量随埋深由2.31m3/t增加至5.40m3/t。其中HLR-05吸附气含量最大，随埋深增大由4.67m3/t增大至5.40m3/t。HLR-05和HLR-07的吸附气含量随埋深增大而增大，HLR-02和HLR-06随埋深增加吸附气含量增加不明显(图5)。

表2　不同埋深低煤级煤储层原位吸附气含量

3　低煤级储层吸附气含量讨论

3.1低煤级储层原位吸附气含量-对比中高煤级储层

埋深增大，低煤级储层吸附气含量增大不明显(图5)。可推断随埋深增加，温度对吸附量的负效应与压力对吸附量的正效应相互抵消。对于中高煤级储层而言，吸附气含量随埋深增大初期由于压力正效应较温度负效应更明显，先增大，后由于温度负效应更明显，吸附气含量随埋深增大而减小[19](图6)。因此，随埋深增大，不同阶段主导吸附气含量变化趋势的因素不同。中-高煤级储层含气量变化趋势转换深度约1000m，即我国煤层气资源储量规范DZ/T0216-2010认为的深部储层与浅部储层转换的临界埋深[20]。然而低煤级储层吸附气含量随埋深变化趋势较中高煤级储层不同，再加上深部低煤级储层含相当量的游离气和水溶气[6]，深部煤层气开发临界深度定位应有别于中-高煤级储层，不能一概而论。

图5　吸附气含量与埋深的关系

图6　鄂尔多斯盆地东部深部储层甲烷最大吸附量(据申建(2011)修改)

3.2估算方法的验证

基于上述低煤阶储层原位吸附气含量估算方法，本文对新疆准噶尔盆地南缘阜康矿区F1井长焰煤(0.5

图7　F1井实测吸附气含量与估算吸附气含量

4　结　论

1)低煤级煤吸附气含量随温度增大而减小，甲烷吸附递减量随压力增加呈指数变化而非线性变化。

2)基于不同温压、平衡水条件下的等温吸附实验的吸附气量估算方法可准确估算储层原位吸附气含量。

3)低煤级储层原位吸附气含量随埋深增加而增加，增加趋势不明显，有别于中-高煤级储层随埋深增加吸附气含量先增加后减小的变化趋势。

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A calculating method of indirelt absorbedgas content of Low-rank Couls based on isothermal adsorption experiments under different temperatures and pressures

GEYan-yan，LISheng，FENGShuo

(InstituteofGeologicalandMiningEngineering，XinjiangUniversity，Urumqi830047，China)

Inordertosystematicallyanalyzethesorptiongascontentoflow-rankcoals，methaneisothermaladsorptionexperimentsonmoisture-equilibratedcoalswereperformedunderdifferenttemperatures.Intotal8low-rankcoalsamples’methaneadsorptionexperimentdataon25℃and45℃werecollectedandanalyzedwhile2ofthosewereconducted，basedonwhichaindirectadsorbedgascontentcalculatingmethodwasproposed.Theresultsshowedthatadsorbedgascontentinlow-rankcoalsdecreasedastemperatureincreased.Therelationshipbetweenmethaneadsorptiondecrementandpressurewasnotlinearoverawiderange，butwasbetterdescribedbyalogarithmicform.Basedonthecalculatingmethod，fourlow-rankcoalsamplesofHailarBasininInnerMongoliaanddrilledcoalseamofF1wellinFukangminingareaofsourthernJunggarBasinwereevaluatedunderin-situconditionsofreservoirtemperatureandpressure.Theresultsshowedthattheadsorbedgascontentintheselow-rankcoalreservoirincreasesbutnotobviouslywithincreasingburialdepthfrom600to1400m.ThesecharacteristicsarequitedifferentfromthatofmiddleorhighrankcoalreservoirandthecalculatingmethodwasvalidatedtobecorrectbythecomparativeanalysisbetweencalculatingresultsandactualtestresultsofF1well.Findingsinthisworkarehelpfultofurtherunderstandtheadsorbedgascontentandimproveevaluationofthecoalbedmethanereserveoflow-rankcoalreservoirs.

isothermaladsorption；gascontent；low-rankcoal；coalbedmethane

2016-01-30

新疆维吾尔自治区青年自然科学基金项目资助(编号：2013211B09)

葛燕燕(1981-)，女，新疆乌鲁木齐人，实验师，2015年毕业于中国矿业大学，博士，从事煤层气勘探开发工作。E-mail：gyyxjdxgbc@163.com。

李升(1980-)，男，新疆库尔勒人，副教授，2008年毕业于吉林大学，博士，从事煤层气勘探开发工作。E-mail：lisheng2997@163.com。

P618.13

A

1004-4051(2016)08-0161-05