煤层气概述.ppt
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1、煤煤 层层 气气 概概 述述提提提提 纲纲纲纲1.1.1.1.什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气2.2.2.2.煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件3.3.3.3.煤层气的相关政策和优惠条件煤层气的相关政策和优惠条件煤层气的相关政策和优惠条件煤层气的相关政策和优惠条件4.4.4.4.煤层气的开采现状煤层气的开采现状煤层气的开采现状煤层气的开采现状 煤层气,是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。其成分以甲烷为主,故常称为煤层甲烷。什么是煤层气什么是煤层气什么是煤
2、层气什么是煤层气煤层气定义:煤层气定义:煤层气定义:煤层气定义:(1)(1)通通过过将将实实测测煤煤层层气气含含量量数数据据与与等等温温吸吸附附实实验验所所获获得得的的理理论论吸吸附附量量进进行行对对比比发发现现,绝绝大大多多数数样样点点的的煤煤层层气气吸吸附附饱饱和和度度处处于于吸吸附附欠欠饱饱和和或或接接近近吸吸附附饱饱和和状状态态,很很少少有有吸吸附附过过饱饱和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态以吸附为主以吸附为主。什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:(2)(2)煤煤层
3、层气气开开发发实实践践进进一一步步证证实实,煤煤层层气气以以吸吸附附为为主主的的赋赋存存特特点点。几几乎乎所所有有煤煤层层气气井井都都是是在在排排水水降降压之后才开始产气的,不具备游离气产出的特征。压之后才开始产气的,不具备游离气产出的特征。什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:(3)(3)尽尽管管煤煤层层孔孔隙隙及及裂裂隙隙中中充充满满了了水水,但但水水溶溶甲甲烷烷量量相相对实测煤层气含量值而言是微不足道的。对实测煤层气含量值而言是微不足道的。甲甲烷烷水水溶溶实实验验表表明明,在在通通常常煤煤储储层层温温度度、压压力力
4、和和矿矿化化度度条条件件下下,每每升升水水所所能能溶溶解解的的甲甲烷烷也也不不过过0.05 0.05 3.113.11升升。若若煤煤层层孔孔隙隙按按30%30%(此此假假设设值值远远大大于于实实际际情情况况)计计算算,每每吨吨煤煤最最多多也也只只有有0.25m0.25m3 3的的水水;用用最最大大溶溶解解度度 3 3 L/LL/L计计算算,每每吨吨煤煤最多最多溶解溶解甲烷只不过是甲烷只不过是0.750.75m m3 3。什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气什么是煤层气煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:煤层气赋存状态:经典的经典的3D3D理论:理论:什么是煤层气什么是煤层气什么是煤
5、层气什么是煤层气解吸解吸扩散扩散渗流渗流煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件n煤中有机质的演化具有阶段性。从物质表现特征和地球化学机煤中有机质的演化具有阶段性。从物质表现特征和地球化学机理来看,各阶段之间的分划点为煤化作用过程中存在的四次煤理来看,各阶段之间的分划点为煤化作用过程中存在的四次煤化作用跃变。煤层气生成受控于这一机理,也必然反映出相关化作用跃变。煤层气生成受控于这一机理,也必然反映出相关的阶段性演化特征。的阶段性演化特征。n煤储层含气性可从诸多方面进行表征,如煤层气组成、煤层气煤储层含气性可从诸多方面进行表征,如煤层气组成、煤层气含气量、含气饱和度、可解吸率以及煤层气资源量
6、、资源丰度含气量、含气饱和度、可解吸率以及煤层气资源量、资源丰度等。等。n含气量是确定煤层气资源量必不可少的参数,与储层压力和吸含气量是确定煤层气资源量必不可少的参数,与储层压力和吸附等温线结合起来使用,还可以预测煤层气产能。值得注意的附等温线结合起来使用,还可以预测煤层气产能。值得注意的是,并不是每个含煤区、每个煤层都赋存有可供开采的煤层气。是,并不是每个含煤区、每个煤层都赋存有可供开采的煤层气。因此,必须预先测定煤层的含气量。因此,必须预先测定煤层的含气量。煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件阶段性阶段性煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件持续性持续性成因成因类类型型示踪指
7、示踪指标标Ro()特征特征备备注注同位素同位素组组成成13C1(PDB),DCHa(SMOW)组组分比分比值值有机有机成因成因生物生物成因成因原生生物成因气原生生物成因气13C10.950.5干气,炭同位素干气,炭同位素组组成偏成偏轻轻;生成早,一般在生成早,一般在后期的煤后期的煤层层中很中很难难保存下来保存下来次生生物成因气次生生物成因气13C10.95CO2含量极低含量极低0.3-1.5+煤岩中有与微生物煤岩中有与微生物活活动动有关的生物有关的生物标标记记化合物及降解特化合物及降解特征征煤煤层层受后期抬升,受后期抬升,埋深埋深较较浅浅热热成成因因原生原生热热成成因因热热降降解气解气13C1
8、:-46.2-35.1D1:-247.3-225.9C1/C1-n:0.840.94CDMI:090.550.52.0湿气:甲湿气:甲烷烷13C值值和和D1值值具正相关具正相关关系关系热热降解气降解气组组分以分以煤芯解吸气煤芯解吸气为为代代表,同位素表,同位素组组成成则则以排采气以排采气为为代代表表热热裂裂解气解气13C1:-37.5-29.6D1:-200C1/C1+20.99C1/C23385CDMI0.1322.5特干气;甲特干气;甲烷烷的碳、的碳、氢氢同位素同位素组组成偏重成偏重由于由于热热演化程度演化程度高,煤高,煤层层气气组组分分和同位素受解吸和同位素受解吸分分馏馏的影响的影响较较
9、小,小,但以排采气最但以排采气最稳稳定定次生次生热热成成因因甲甲烷烷碳碳氢氢同位素同位素进进一步一步变轻变轻干燥系数干燥系数进进一步增大,但二一步增大,但二氧化碳含量增高氧化碳含量增高0.5解吸、解吸、扩扩散和溶解散和溶解分分馏馏造成造成组组分与同分与同位素位素组组成成变变化化为为煤煤层层气富集区气富集区混合混合成因成因混合气混合气13C1:-61.3-50.7D1:-242.5-219.413C2:-26.7-15.913CC2-C1:30.757.4C1/C1-n:0.9931.0C1/C2:188.62993.7CO20.5混合气的同位素和混合气的同位素和组组分分变变化受所含化受所含热热
10、成因气和次生生物成因气和次生生物气的比例以及煤岩气的比例以及煤岩热热演化程度的影响演化程度的影响热热降解气、降解气、热热裂裂气与次生生物成气与次生生物成因气的混合因气的混合无机无机成因成因无机气无机气煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件解吸模型解吸模型LangmuirLangmuir方程方程式中:C(p)吸附量,m3/t;VL 兰氏体积,m3/t;P 地层压力,MPa;PL 兰氏压力,MPa。经典的经典的3D3D理论:理论:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件式中:qm 为煤基质中甲烷扩散量,m3/day;D 为扩散系数,m2/day
11、;为形状因子,m-2;g 为甲烷的密度,t/m3;Vm 为煤基质块的体积,m3;C(t)为煤基质中甲烷的平均浓度,m3/t;C(P)为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度,m3/t。扩散模型扩散模型FickFick定律定律经典的经典的3D3D理论:理论:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件渗流模型渗流模型DarcyDarcy定律定律式中:Vl为l相的渗流速度,m/s;l 为l相的粘滞系数,Mpas;Pl为l相的压差,MPa;L 为渗流途径的长度,m;Kl为l相的有效渗透率,10-3m2;K 为多孔介质的绝对渗透率,10-3m2;Krl为l相的相对渗
12、透率,10-3m2。Kl=K Krl经典的经典的3D3D理论:理论:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件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、以小时计以天、以小时计作用条件作用条件煤具有很
13、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解吸与吸附的差异:解吸与吸附的差异:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件 大量的实验研究表明,煤层气吸附大量的实验研究表
14、明,煤层气吸附/解吸具有解吸具有一定的可逆性一定的可逆性并且并且解吸表现出一定的滞后性解吸表现出一定的滞后性,这是,这是一个问题的两个方面一个问题的两个方面,是物理吸附客观本质的体现。,是物理吸附客观本质的体现。解吸与吸附的差异:解吸与吸附的差异:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件 根据煤层气解吸条件和解吸特征(物理),将其解吸分为:降压解吸降压解吸置换解吸置换解吸扩散解吸扩散解吸升温解吸升温解吸 等四个亚类。当然,在这四类解吸作用中降压解吸是其中最主要的也是对煤层气产出贡献最大的。解吸动力学特征及解吸类型:解吸动力学特征及解吸类型:煤层气
15、生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件(1)降压解吸)降压解吸 降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程,也是煤层气开采过程中最最主要的一种解吸作用。降压解吸的基本特征是,被吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气分子由于“外界压力”的降低而变得更为活跃,以致于解脱了范德华力的束缚,由吸附态变为游离态。根据目前对降压解吸的基本认识,其解吸行为基本服从朗缪尔方程。解吸动力学特征及解吸类型:解吸动力学特征及解吸类型:煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件煤层气的生成及储存条件(2 2)置换解吸)置换解吸)置换解吸)置换解吸 置换解吸的本质是未被吸
16、附的其他气体分子或水分子为而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置,从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态,故普遍存在于煤层气开采过程之中。事实上,置换解吸是“优胜劣汰的自然法则”的具体体现。一方面,未被吸附的其他气体分子和水分子,在普遍存在于各种原子、分子之间的范德华力作用下在不停地争取被吸附的机会,以力图达到动态平衡状态;另一方面,气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚,变吸附态为游离态。解吸动力学特征及解吸类型:解吸动力学特征及解吸类型:煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件(3 3)扩散解吸)扩散解吸)扩散解吸)扩散解吸
17、 根据分子扩散理论,只要有浓度差存在,就有分子扩散运动,这是气体分子热力学性质所决定的。研究表明,甲烷气体分子在煤的孔隙内表面得以高度富集,这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差,这种浓度差迫使甲烷分子扩散,从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在性,因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类型。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”,因此这种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的,是解吸作用与扩散作用的耦合。从解吸的角度,称之为“扩散解吸”。解吸动力学特征及解吸类型:解吸动力学特征及解吸类型:煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层
18、气生成及储存条件(4 4)升温解吸)升温解吸)升温解吸)升温解吸 据现代物理化学研究表明,吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关,与解吸量呈正相关。温度升高,加速了气体分子的热运动,使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸。有人将温度对解吸速率和解吸量的影响归于影响因素,我们认为温度与压力一样,都是引起解吸的一种动力,应将其定为一种解吸类型。这一类型在煤层气含量测定实验中早已得到证实。我们可以发现,在煤层气含量测定过程中,当解吸罐放入恒温水箱时,即使解吸罐内的压力在升高,煤层气解吸也会加速。在煤层气开采过程中,其温度
19、往往几乎是“恒定的”。这是因为在煤层气开采过程中,无论是煤层气解吸、扩散还是渗流甚至水的渗流,均没有条件引起煤层温度发生重大变化。即使大量产水需要运距离的水源补给,也会在渗流过程中使其温度均衡。解吸动力学特征及解吸类型:解吸动力学特征及解吸类型:煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气吸附饱和度是指煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度,实际气含量与理论吸附量之比,一般用百分比表示。吸附饱和度是评价煤层气富集程度和可采性的重要综合指标。常规油气饱和度常规油气饱和度常规油气饱和度常规油气饱和度是指孔隙体积比是指孔隙体积比是指孔隙体积
20、比是指孔隙体积比吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论吸附量实测气含量实测气含量残余气含量残余气含量临界产气压力(井底流压临界产气压力(井底流压)吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:吸附饱和度及物理意义:煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件煤层气生成及储存条件废废弃弃压压力力临临界界解解吸吸压压力力实实测测储储层层压压力力理论吸附量理论
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