02 第二章 煤层气储层特征.pptx

第1页：煤层气储层特征课件封面

煤层气储层特征课件封面

本页为章封面，标示课程名称与本章内容框架。

第2页：第二章内容目录

1. 煤的化学组成、岩石学特征
2. 2.煤层特征描述及煤层气赋存状态
3. 3.煤储层的孔隙与天然裂隙
4. 4.煤储层的渗透性
5. 5.煤储层的孔隙压力与原地应力
6. 6.煤储层的吸附性、含气性
7. 7.吸附饱和度与临界解吸压力
8. 8.煤的煤阶概念及特点煤层气储层特征

第3页：成煤物质与聚煤作用

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用煤：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的复杂混合物。

组成、结构非常复杂且不均一。由于成煤物质和聚煤条件的不同，煤分为：☞腐植煤☞残植煤☞腐泥煤

第4页：成煤物质与聚煤作用煤层

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用煤层：自然界中在特定环境由植物遗体转变而来沉积成层的可燃矿产，由有机质和混入的矿物质所组成

第5页：成煤物质与聚煤作用煤储层

成煤物质与聚煤作用煤储层

• 煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用煤储层：鉴于煤层是煤层气的载体，煤层气界将煤层称之为“煤储层”(即煤层气储层)，以示与煤层、常规油气储层的概念区别。煤储层特点：
• 割理
• 排水－降压－解析－采气

第6页：成煤物质与聚煤作用成煤物质

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用成煤物质：由于聚煤条件的不同，沉积了不同的成煤物质，主要包括高等植物、高等植物的稳定组分和浮游生物等。由高等植物形成的煤为腐植煤，在沼泽环境中形成。由高等植物的稳定组分（角质、树皮、孢子、树脂等）富集而形成的为残植煤，在沼泽环境中形成。

由沼泽、泻湖中的藻类等浮游生物在还原环境下经过腐解形成的煤称为腐泥煤

第7页：成煤物质与聚煤作用聚煤作用

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用聚煤作用：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。气候条件：温暖潮湿；物质基础：植物遗体；古地理条件：常年积水洼地；古构造条件：缓慢下沉

第8页：聚煤环境

一、成煤物质与聚煤作用聚煤环境§2.1煤的化学组成、岩石学特征

第9页：成煤物质与聚煤作用聚煤环境——沉积相分布

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用聚煤环境——沉积相分布

第10页：成煤物质与聚煤作用成煤作用

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用成煤作用：是原始成煤物质最终转化成煤的全部作用，它分为泥炭化作用、煤化作用两个阶段

第11页：成煤物质与聚煤作用成煤作用

煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用成煤作用：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

第12页：第二次煤化作用阶跃

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

第13页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

第14页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构规则部

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构规则部分

第15页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构不规则

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构不规则部分

第16页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

第17页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的结构

第18页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤质特征

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤质特征：——通过工业分析指标来表征煤的工业分析又叫煤的技术分析或实用分析。它包括水分、灰分和挥发分产率以及固定碳四个项目，用作评价煤质的基本依据

第19页：煤岩特征

煤的化学组成、岩石学特征煤岩特征：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。二、煤的化学组成与煤岩煤质特征

第20页：宏观煤岩特征

煤的化学组成、岩石学特征宏观煤岩特征：宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位，包括：按宏观煤岩成分的组合及其反映出来的平均光泽强度，可划分为四种宏观煤岩类型，即：光亮型煤半亮型煤半暗型煤暗淡型煤二、煤的化学组成与煤岩煤质特征镜煤亮煤暗煤丝炭

第21页：煤的化学组成与煤岩煤质特征中国煤的分类

煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征中国煤的分类：根据中国煤炭分类国家煤分为14大类。无烟煤（anthracite)贫煤(meagercoal)贫瘦煤(meagerleancoal)瘦煤(1eancoa1)焦煤(cokingcoal)肥煤(fatcoaL)气煤(gascoal)标准(GB5751—86)规定，1／3焦煤(1／3cokingcoal)气肥煤(gas—fatcoal)1／2中粘煤(1／2mediumcakingcoal)弱粘煤(weaklycakingcoa1)不粘煤(non—cakingcoal)长馅煤(longflamecoal)褐煤(browncoal；1ignite)

第22页：煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的物理性质

煤的化学组成、岩石学特征二、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

第23页：煤层特征描述煤层的发育特征

煤层特征描述及煤层气赋存状态一、煤层特征描述煤层的发育特征：含煤地层、含煤层数、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

第24页：煤体结构分类瓦斯地质学中

煤层特征描述及煤层气赋存状态二、煤体结构分类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、碎粒煤和糜棱煤原生结构煤构造煤碎裂煤碎粒煤糜棱煤煤体结构

第25页：煤体结构分类

煤层特征描述及煤层气赋存状态二、煤体结构分类

第26页：煤层气赋存状态认识和了解煤层气

煤层特征描述及煤层气赋存状态三、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溶解态、游离态和吸附态三种形式储集在煤储层中，且以吸附态为主

第27页：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吸附态煤层中煤层气的含量远远超过其自身孔隙的容积，用溶解态和游离态难以解释这一现象。因此必定存在其它赋存状态——吸附态。吸附量与煤的比表面积、温度和压力有关。这种吸附是通过分子间的引力实现的，是可逆的，属物理吸附。

煤的比表面积相当大，采用CO2做介质测得煤的比表面积大体为50~200cm2/g，这也正是煤对煤层气有着强烈吸附能力的原因所在。吸附态总量达到煤层气90％以上

第28页：煤层气储集层多数情况下

煤层特征描述及煤层气赋存状态煤层气储集层多数情况下是饱含水的，在一定温度、压力条件下必定有一部分煤层气要溶解于其中。但量比较少在1％－5％间溶解态

第29页：游离态煤的孔隙或裂隙中

煤层特征描述及煤层气赋存状态游离态煤的孔隙或裂隙中有一部分自由气体，称游离态气体。这种赋存状态的气体符合气体状态方程。其运移动力是压力，因其在高温高压下会溶解于水，存在于不被水占据的割理和裂缝孔隙中。量很少，1％左右

第30页：等温线吸附态煤层气可用吸附状态方程来表达

等温线吸附态煤层气可用吸附状态方程来表达

• 煤层特征描述及煤层气赋存状态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

第31页：煤储层的孔隙与成因

煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤中孔隙成因排水-降压-解吸-扩散-渗流-采气

第32页：煤储层的孔隙煤中孔隙成因

煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤中孔隙成因

第33页：煤储层的孔隙煤的孔隙类型及其成因简述

煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤的孔隙类型及其成因简述对煤层气的运移作用成因简述类型+成煤植物本身所具有的细胞结构孔胞腔孔原生孔+镜屑体、惰屑体和壳屑体内部颗粒之间的孔屑间孔+++煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔角砾孔后生孔++煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔碎粒孔++煤中经流水淋滤作用而形成的孔淋滤孔++煤变质过程中产生气体和气体聚集形成的孔气孔变质孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑铸模孔矿物质孔+可溶性矿物质在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔溶蚀孔+矿物晶粒之间的孔晶间孔注：+++为作用大；++为作用中等；+为作用小；空白为没有作用煤中孔隙成因

第34页：煤中孔隙尺度分级

煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤中孔隙尺度

第35页：煤中孔隙发育影响因素

煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤中孔隙发育影响因素煤的基质孔隙特征与煤化程度有密切关系。随煤化程度升高，基质孔隙的孔容和孔面积出现有规律的变化

第36页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙割理概念及类型割理是内生裂隙，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，煤基质收缩产生张力及高流体压力引起，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，受最大主应力控制端割理：延伸范围局限于面割理之间，受最小主应力控制

第37页：割理组合类型与渗透性

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙割理概念及类型

第38页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙割理概念及类型孤立状孤网状半网状网格状组合类型仅发育主内生裂隙或次内生裂隙大部分次内生裂隙两端均不与内生裂隙相交大部分次内生裂隙仅一端与主内生裂隙相交部分主内生裂隙存在与之相交的次内生裂隙主内生裂隙与次内生裂隙均相交特征示意图很差差中等好相对渗透性内生裂隙组合类型表

第39页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙割理概念及类型割理与外生裂隙的区别外生裂隙割理可以是张性、剪性、张剪性力学性质以张性为主不受煤岩类型界线控制纵横向不超过煤岩类型界线，一般发育在镜煤和亮煤中，遇暗煤及丝炭中止可以以任何角度与层理面相交割理垂直或近似垂直于层理面裂隙面上有擦痕、阶步及反阶步割理上无擦痕，比较平整除了自生矿物外，经常发育碎煤粒割理中发育褐铁矿、方解石等自生矿物，很少发育碎煤粒

第40页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙煤中天然裂隙的分类煤的显微裂隙组合关系

第41页：煤储层的孔隙与天然裂隙

煤储层的孔隙与天然裂隙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割理及裂隙不同形态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割理,平顶山一矿下石盒子组

第42页：煤储层的孔隙与天然裂隙

煤储层的孔隙与天然裂隙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号煤割理及裂隙不同形态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

第43页：隙煤储层的天然裂隙煤中不同形态割理成因图

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙煤中不同形态割理成因图2.21I1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时，形成不规则网状割理（图2.21中I2）。

如果主应力差较大，则形成线性连续或孤立状割理（II1）。剪切应力作用下形成S型割理(II2)。多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（III）

第44页：层的天然裂隙裂隙不同规模不同规模裂隙特征

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙裂隙不同规模不同规模裂隙特征

第45页：煤储层的孔隙与天然裂隙割理发

煤储层的孔隙与天然裂隙割理发育控制因素割理密度与煤阶早在1963年Ammosov与Eremin就指出割理密度从褐煤到中挥发分烟煤逐渐增加，然后向无烟煤又逐渐降低的现象存在3种关系：（1）随煤阶增高呈偏正态分布，表达式为

第46页：煤储层的孔隙与天然裂隙

煤储层的孔隙与天然裂隙，割理发育控制因素割理密度与煤阶第二种与Laubach等人的相同割理密度随煤阶增高在Ro,max=1.3%时达到极大值，之后保持稳定

第47页：煤储层的孔隙与天然裂隙割理发

煤储层的孔隙与天然裂隙割理发育控制因素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%to4%之间缓慢降低，当Ro,max超过4%后割理密度不再变化

第48页：煤储层的孔隙与天然裂隙割理发

煤储层的孔隙与天然裂隙割理发育控制因素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

第49页：煤储层的孔隙与天然裂隙割理发

煤储层的孔隙与天然裂隙割理发育控制因素割理与矿化作用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。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。充填矿物为石英、方解石、黄铁矿等自生或后生矿物

第50页：煤储层的孔隙与天然裂隙割理发

煤储层的孔隙与天然裂隙割理发育控制因素割理与煤类型割理分布在亮煤及镜煤中

第51页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙煤中天然裂隙的研究方法煤中裂隙观察研究应从宏观到微观逐步深化。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、干扰小的观测点易于追踪的代表性煤壁进行观察描述。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。

然后采集定向样品，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方向、主次关系、长度、宽度、密度、间距，剖面上观测裂隙高度、垂向分布情况以及组合关系等

第52页：储层的孔隙与天然裂隙煤的孔隙结构研究方法

煤储层的孔隙与天然裂隙煤的孔隙结构研究方法FIB+SEM观测纳米孔隙

第53页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙煤中天然裂隙的研究方法煤中裂隙的研究以采集裂隙参数为途径，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、产状、充填特征、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等的观测查明裂隙的微观特征

第54页：煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层

煤储层的孔隙与天然裂隙煤储层的天然裂隙割理及裂隙研究意义1高产煤层气藏预测一般而言,中变质亮煤一半亮煤割理最发育,具有较高的渗透率,因此,在其它条件,如含气率、解吸一扩散速率等−满足时,是煤层气勘探的首选目标。2最佳开发策略的制定。

通常面割理方向渗透率是其它方向的3－10倍,与端割理渗透率之比高达17：1。钻井及压裂方向垂直于面割理方向

第55页：概念储集层的渗透性

煤储层的渗透性一、概念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流体的能力，渗透性优劣用渗透率表示。表达式粘度为1mpa.S的流体，在压差1atm作用下，在通过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（D）适用单位为mD,1mD=10-3µm2＝10-3D55

第56页：概念有效渗透率

煤储层的渗透性一、概念有效渗透率：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kw和kg来表示水和气的渗透率，则相对渗透率：煤中多相流体共存时，每相流体有效渗透率与其绝对渗透率比值，分别用krw和krg来表示水和气的相对渗透率，则

第57页：渗透率影响因素

煤储层的渗透性二、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（σ）与渗透率（k）存在如下关系[Mckee等给出了更为完善的关系式

第58页：渗透率影响因素王洪林等根

煤储层的渗透性二、渗透率影响因素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

第59页：渗透率影响因素原地应力

煤储层的渗透性二、渗透率影响因素原地应力，特别是最小主应力对煤储层的渗透性影响严重

第60页：Klinkenberg效应在多孔介质中

煤储层的渗透性2.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K：气测渗透率，ko：等效液相渗透率b：滑脱常数pm：压力差由上式可知由Klinkenberg效应造成渗透率的增量为：二、渗透率影响因素

第61页：基质收缩效应实验表明

煤储层的渗透性3.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

第62页：割理裂缝发育程度•割理裂隙集中的区域

割理裂缝发育程度•割理裂隙集中的区域

• 煤储层的渗透性624.割理裂缝发育程度
• 割理裂隙集中的区域，如亮煤系统的割理发育区，暗煤系统的外生裂隙集中发育区，渗透率较高，此区域打井时产量较高－甜点区识别标志之一
• 面割理延伸方向渗透率高二、渗透率影响因素

第63页：渗透率与样品尺寸的关系

煤层气开发理论与技术渗透率与样品尺寸的关系63由于煤的天然裂缝发育特征，较大样品显示出渗透率较高。§2.4煤储层的孔渗性5.样品尺寸二、渗透率影响因素

第64页：渗透率测量方法

煤储层的渗透性64三、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

第65页：渗透率测量方法

煤储层的渗透性三、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

第66页：渗透率测量方法

煤储层的渗透性三、渗透率测量方法(3)试井众多的储层参数可通过试井获取，如储层压力、压力梯度、渗透率、流动系数、表皮系数、调查半径、储层温度、破裂压力、破裂压力梯度、闭合压力、闭合压力梯度等油气领域试井方法较多，但对煤层气而言，目前被人们公认的是注入—压降试井。

这是由于采用注入—压降试井，可保证在煤储层内形成单相水流，从而获取单相水流的渗透率。66

第67页：煤层气开发理论与技术

煤层气开发理论与技术。67§2.5煤储层的吸附性与含气量测定吸附性

第68页：煤层气开发理论与技术煤对甲烷

煤层气开发理论与技术煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征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，处于力的平衡状态。当煤孔隙表面形成，则表面的碳原子至少有一侧是空的，因而出现受力不平衡（煤具有了表面自由能）。

当孔隙中存在甲烷分子时，甲烷分子就被煤的表面所吸附

第69页：大量的碳素材料研究

煤层气开发理论与技术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，小的零点几微米，大则几十微米。Kaplan认为，石墨中芳香碳层之间的结合能为5.4kJ/mol左右，基本属于分子间的范德华力（VanDerWaals）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9.4kJ/mol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，最大吸附势仅为2.65kJ/mol，这显然属于一物理吸附过程。煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征

第70页：化学吸附物理吸附性质化学键力范德华力

煤层气开发理论与技术化学吸附物理吸附性质化学键力范德华力（vanderwaals）吸附力近于化学反应热近于液化热吸附热相当高（远高于沸点）较低（低于临界温度）吸附温度有时较慢快吸附速度有无选择性单层单层或多层吸附层数脱附困难，常伴有化学变化完全脱附脱附性质煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征

第71页：煤吸附

煤层气开发理论与技术71煤吸附CH4的数学模型常用的吸附理论和模型有：■Langmuir单组分层吸附理论：Langmuir方程■BET多分子层吸附理论：BET方程■Polanyi吸附势理论：D-R、D-A方程对模型的精度问题，不同的作者有不同的结论。

目前多采用Langmuir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

第72页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心72BET二常数表达式见式:该理论除接受了Langmuir提出的动态平衡、固体表面是均匀的等假设之外，认为吸附是多分子层。BET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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型吸附等温线，并可计算多孔性物质的比表面积。

（希朗诺尔、泰勒、埃米特）Langmuir方程：V=VLP/（PL+P）或P/V=P/VL+PL/VL其主要假设条件是：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Ⅰ型等温线。

P1C1PV(P0P)VmCVmCP0D-R方程D-A方程固体表面存在着位势场ε，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。D-R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或毛细凝结现象，D-A方程中n随吸附剂的孔隙结构特点而变化，适用范围较宽；20P0ElnP)]吸附势理论：VVexp[(RTln)]0nRTP0EPVVexp[(煤吸附CH4的数学模型

第73页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心四种方程拟合结果的相对误差曲线73不同模型拟合焦煤吸附CH4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/n=1,D-AD-RLangmuirBET拟合曲线误差曲线煤吸附CH4的数学模型

第74页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心74不同煤级煤吸附不同气体的差异性71421283500246810压力/MPa吸附量/(cm3g-1)CH4CO2N261218243000246810压力/MPa吸附量/(cm3g-1)CH4CO2N200714212835281046压力/MPa吸附量/(cm3g-1)CH4CO2N20020406080246810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：CO2>CH4>N2

第75页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心75长焰煤吸附不同气体无烟煤吸附不同气体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围的空隙中，称为“固溶现象”。

不同煤级煤吸附不同气体的差异性07142128350246810压力/MPa吸附量/(cm3g-1)CH4CO2N20204060800246压力/MPa810吸附量/(cm3g-1)CH4CO2N2

第76页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心76不同煤级煤对CO2的吸附等温线无烟煤吸附CO2等温线出现上翘现象，其它3种煤较接近。随煤级的升高，CH4、N2吸附量增加，即无烟煤>焦煤>气煤>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010203040500246810压力/MPa不同煤级煤吸附CH4的吸附等温线吸附量/(cm3g-1)长焰煤气煤焦煤无烟煤不同煤级煤吸附N2的吸附等温线051015200281046压力/MPa吸附量/(cm3g-1)长焰煤气煤焦煤无烟煤不同煤级煤对CO2的吸附等温线0204060800462压力/MPa吸附量/(cm3g-1)无烟煤2无烟煤

第77页：不同煤级煤吸附不同气体的差异性

煤层气开发理论与技术不同煤级煤吸附不同气体的差异性N2CO2CH4煤样RPLVLRPLVLRPLVL0.7036-36.24-17.740.97376.7270.200.991016.7027.33长焰煤0.948736.8339.760.99072.2630.360.99127.7923.94气煤0.99869.9623.830.99861.7141.820.99653.4428.82焦煤0.998614.4049.110.99631.6886.340.99714.0860.18无烟煤不同煤级煤样吸附不同气体的Langmuir常数（VL单位为cm3/g，PL单位为MPa。

）

第78页：煤层气开发煤层气吸附／解吸过

煤层气开发煤层气吸附／解吸过程的差异与解吸作用类型划理分论与技术地质条件下的煤层气吸附过程与开采条件下的煤层气解吸过程的差异对比78煤层气物理解吸煤层气物理吸附人为的排水-降压-解吸过程（是一种“被动过程”）吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中（是一种“自发过程”）作用过程解吸是一个相对较快的过程以天、以小时计吸附是一个漫长的过程以百万年计作用时间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几乎是恒定的温度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层在演化中逐步脱水、升温、增压作用条件解吸为游离态的煤层气逸散速度等煤质、基质孔隙内表面积等影响因素

第79页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油

• 煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心79实验结果与认识：不同实验煤样对CH
• CO
• N2等单组分气体的吸附／解吸实验结果表明，煤层气的吸附／解吸具有吸附／解吸过程的可逆性和解吸过程的滞后性，这是一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质的体现。煤层气吸附／解吸可逆性实验研究

第80页：煤储层的含气性

煤层气开发理论与技术80。含气性§2.5煤储层的吸附性与含气量测定

第81页：煤层-生气层-储集层-产层

煤层气开发理论与技术煤层-生气层-储集层-产层从时空配置关系，可以说有煤炭资源分布的地方就有煤层气资源分布，只是富集程度不同而已。主要富集因素是生、储、保，圈、运作用较弱§2.6煤储层的含气性含气量：单位重量煤中所含煤层气的体积，单位：m3/t

第82页：煤层气含量测定方法

煤层气开发理论与技术煤层气含量测定方法GB/T19559-2004中华人民共和国国家标准

第83页：年最早

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目所释放的气体体积。煤层气含量测试方法

第84页：解吸气测定

煤层气开发理论与技术解吸气测定：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、120min间隔各测定1h，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。

煤层气含量测试方法

第85页：损失气计算方法

煤层气开发理论与技术损失气计算方法：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。

煤层气含量测试方法

第86页：直接法损失气计算图

煤层气开发理论与技术直接法损失气计算图示：***井***样品损失量计算图y=48.243x-128.05R2=0.997-200-10010002003000.01.02.03.05.06.07.08.04.0(T+t)/min1/2损失量/cm3损失量=128.05cm3煤层气含量测试方法

第87页：损失气计算方法

煤层气开发理论与技术损失气计算方法：2.史威法(S＆W)：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。S＆W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。

煤层气含量测试方法

第88页：史威法

煤层气开发理论与技术史威法（S＆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)煤层气含量测试方法

第89页：图美国煤层气井损失气量估算值的三种方法

煤层气开发理论与技术图美国煤层气井损失气量估算值的三种方法对比图150100500200S.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：250煤层气含量测试方法

第90页：比较结果

煤层气开发理论与技术比较结果：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。

煤层气含量测试方法

第91页：残余气测定方法

煤层气开发理论与技术残余气测定方法：残余气：指解吸结束后，仍然滞留在煤层中的部分气体。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，解吸的气体量平均小于或等于10cm3，则残余气测定结束。煤层气含量测试方法

第92页：煤层气开发理论与技术数据处理

煤层气开发理论与技术数据处理：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。

煤层气含量测试方法

第93页：气含量计算

煤层气开发理论与技术气含量计算：1.气体体积计算：G＝V/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。

3.计算数值精度要求：煤层气含量数据保留2位小数。煤层气含量测试方法

第94页：成果报告

煤层气开发理论与技术成果报告：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。煤层气含量测试方法

第95页：煤储层的储层压力与原地应力

煤储层的储层压力、原地应力一、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

第96页：煤储层的储层压力与原地应力（续）

煤储层的储层压力与原地应力（续）

第97页：煤储层的储层压力与原地应力（续）

煤储层的储层压力与原地应力（续）

第98页：煤层气开发理论与技术煤层瓦斯

煤层气开发理论与技术煤层瓦斯压力98§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第99页：煤层气开发理论与技术中国石油

煤层气开发理论与技术中国石油大学（北京）煤层气研究中心99美储层压力计算方法§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第100页：煤层气开发理论与技术原地应力

煤层气开发理论与技术原地应力

煤层气开发理论与技术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。100§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第101页：水力压裂法

煤层气开发理论与技术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101§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第102页：煤层气开发理论与技术原地应力

煤层气开发理论与技术原地应力测量－试井方法§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第103页：煤层气开发理论与技术原地应力

煤层气开发理论与技术原地应力测量－试井方法通过求得最小水平应力、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，。103§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第104页：煤层气开发理论与技术原地应力

煤层气开发理论与技术原地应力测量－测井方法104通过测井分析估算地应力，主要采用长源距声波测井和地层倾角测井两种方法§2.6煤储层的储层压力、原地应力

第105页：度与临界解吸压力吸附饱和度临界解吸压力

吸附饱和度与临界解吸压力吸附饱和度临界解吸压力

第106页：煤层气吸附饱和度

煤层气开发理论与技术煤层气吸附饱和度是指煤层在一定的煤层温度、煤储层压力和煤层湿度等储层条件下对甲烷的吸附饱和程度（Saturation），一般用百分比表示。煤层气吸附饱和度是评价煤层气的富集程度和可采性的重要的综合评价指标。

吸附饱和度的意义103035012345678910压力（MPa）吸附量（m3/t)25实测含气2015理论吸附量废弃含实测储层压力5废弃压力0临界解吸压力等温吸附曲线

第107页：煤层气吸附饱和度

煤层气开发理论与技术煤层气吸附饱和度是一个间接参数，它是通过实测煤层气含量、储层压力和等温吸附曲线等基本储层参数，利用langmuir吸附方程计算出储层压力条件下的理论吸附量，然后再用实测煤层气含量值除以理论吸附量则可求得煤层气吸附饱和度。

常用下列公式来表达：吸附饱和度的求取

第108页：吸附饱和度的表达饱和煤层

煤层气开发理论与技术吸附饱和度的表达饱和煤层（A）含有最大的气含量，这在理论上是可能的，如由实验室确定的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水和压力下降时，气生产立即开始。欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事件。

为了使气产气甚至需要几年的时间进行脱水和降压，而最终的储量减少。饱和的欠饱和的

第109页：煤层气开发理论与技术临界解吸

煤层气开发理论与技术临界解吸压力的意义实测气含量废弃气含量实测储层压力临界解吸压力废弃压力在煤层气开采过程中，压力降低到煤层气开始解吸的压力称之为临界解吸压力，一般用MPa表示。理论气含量

第110页：煤层气开发理论与技术临界解吸

煤层气开发理论与技术临界解吸压力的意义实测气含量实测废弃气储含量层压废弃力压力237.5已知樊庄地区某煤层（1）吸附等温线（2）试井求取地层地层压力（7.5）（3）实验室实测含气量（23）题目：求取（1）最大吸附量（2）最大解析量（3）临界解析压力（4）含气饱和度（23/27*100%）

第111页：煤层气开发理论与技术煤阶(煤

煤层气开发理论与技术煤阶(煤变质程度)对煤储层及钻井方案的影响肥煤,瘦煤半无烟煤,贫煤,无烟煤,未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段直井压裂褐煤,泥炭长焰煤,气煤水平井或多分支井煤硬度递增孔隙度递减渗透率递减含气量递增不同煤阶吸附气量对比图（据张隧安等）§2.8不同煤阶煤特点及开发适应性

第112页：储层特点

煤层气开发理论与技术储层特点：主要为中—高变质程度的焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤为主，RO＞1.3%，低孔渗、煤层厚、含气量高，压力低，硬度高，埋藏较深。割理系统发育。代表储层：沁水盆地与宁武盆地储层适用钻井方案：三分支以上的水平井羽状水平井丛式井§2.8不同煤阶煤特点及开发适应性高煤阶煤储层特点及开发技术

第113页：中等煤阶煤储层特点及开发技术储层特点

煤层气开发理论与技术中等煤阶煤储层特点及开发技术储层特点：以气煤、焦煤为主，RO值在0.65%～1.3%，中等孔渗、煤层厚、含气量低－中等，含气饱和度高，单向或双向割理发育。代表储层：山西河东盆地与鄂尔多斯盆地适用钻井方案：低分支水平井（1－3分支），物性较好、非均质性若的地区可以考虑直井压裂和U型井，物性较差、非均质性较强的地区也可以考虑羽状水平井§2.8不同煤阶煤特点及开发适应性

第114页：低煤阶煤储层特点及开发技术储层特点

煤层气开发理论与技术低煤阶煤储层特点及开发技术储层特点：褐煤、长焰煤为主，RO值小于0.5%，高孔渗、煤层厚、含气量低，含气饱和度低，割理不发育。代表储层：吐哈盆地、东北第三系盆地煤储层适用钻井方案：直井压裂及扩孔，洞穴完井§2.8不同煤阶煤特点及开发适应性