許科，崔彬

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.中國石化華東油氣分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

等溫吸附曲線在煤層氣排采中的應用
——以織金區(qū)塊為例

許科1，崔彬2

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.中國石化華東油氣分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

煤的吸附和解吸特征是決定煤層含氣量大小和煤層氣開發(fā)潛力的重要影響因素。以等溫吸附理論為基礎，定量劃分了合理的排采階段和解吸階段，制定了系統(tǒng)的排采制度體系。該體系在織金區(qū)塊得到了很好的應用，并取得了較好的排采效果。

織金區(qū)塊；煤層氣；等溫吸附特征；解吸階段；排采制度

與常規(guī)天然氣以游離態(tài)賦存于儲層中不同，煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤層微孔隙的表面。煤層氣的產(chǎn)出需經(jīng)過解吸—擴散—滲流三個過程，煤層的吸附與解吸特征對煤層氣開發(fā)有重要影響。針對不同等溫吸附特征的煤層，應采取不同的排采制度，以達到煤層解吸效率的最大化，提高煤層氣井的產(chǎn)出效益。

織金區(qū)塊位于貴州省西部，構造上處于上揚子陸塊黔中隆起，區(qū)塊內(nèi)發(fā)育2個相對完整的大型含煤向斜——黔西向斜和巖腳向斜，含煤地層主要為上二疊系統(tǒng)龍?zhí)督M。其中巖腳向斜勘探程度較高，主要發(fā)育NW向和NE向兩組構造，包括NW構造比德、水公河次向斜和NE構造珠藏、三塘、阿弓次向斜[1]。華東分公司先后在珠藏、比德兩個次向斜實施8口探井，煤巖等溫吸附實驗表明，兩個次向斜煤巖具有不同的等溫吸附特征，8口探井的排采特征也表現(xiàn)出很大差異。本文通過對比分析珠藏、比德兩個次向斜等溫吸附特征和煤層氣井產(chǎn)氣特征差異的相關性，劃分了不同的解吸和排采控制階段，為織金區(qū)塊煤層氣井分階段差異化排采提供理論依據(jù)。

1 吸附特征及解吸階段劃分

1.1 吸附特征

煤的吸附和解吸特征是決定煤層含氣量大小和煤層氣開發(fā)潛力的重要影響因素。由于煤基質與甲烷分子之間作用力屬于范德華力，主要為物理吸附，符合蘭格繆爾單分子層吸附理論。煤的吸附能力是吸附質、溫度和壓力的函數(shù)，在溫度和吸附質一定的情況下，甲烷在煤基質的吸附量可用蘭格繆爾方程描述[2-3]：

式中：V為吸附量，m3/t；P為壓力，MPa；VL為蘭氏體積，m3/t，反映煤的最大吸附能力；PL為蘭氏壓力，MPa，影響等溫吸附曲線形態(tài)的參數(shù)，反映煤層氣解吸的難易程度。

珠藏、比德次向斜煤巖等溫吸附實驗表明，兩個次向斜煤巖具有不同的等溫吸附特征。珠藏次向斜典型煤巖蘭氏體積為39.37 m3/t，蘭氏壓力1.04 MPa；比德次向斜典型煤巖蘭氏體積為28.41 m3/t，蘭氏壓力1.43 MPa。兩個次向斜等溫吸附曲線形態(tài)明顯不同（圖1）：在高壓區(qū)，珠藏次向斜的吸附量明顯高于比德次向斜；在低壓區(qū)，珠藏次向斜的曲線斜率高于比德次向斜，隨壓力變化，煤層氣的吸附量急劇變化。

圖1 珠藏、比德等溫吸附曲線對比Fig.1 Isothermal adsorption curves comparison of Zhuzang and Bide subsyncline

從圖1煤巖的等溫吸附曲線可以看出，隨壓力降低，煤層氣的解吸速率越快。通過單位壓降下每噸煤的解吸量，定義為解吸效率，可以定量表征不同儲層壓力下煤層氣解吸量。從蘭格繆爾方程可知，煤層氣的解吸效率即為煤層氣吸附量的一階導數(shù)：

圖2可以看出，在儲層壓力較高區(qū)域，煤層氣的解吸效率較低，隨著儲層壓力的降低，煤層氣解吸效率逐漸增大[4-5]。在低壓區(qū)珠藏次向斜的解吸效率明顯高于比德次向斜。

圖2 珠藏、比德解吸效率曲線對比Fig.2 Desorption efficiency curves comparison of Zhuzang and Bide subsyncline

1.2 解吸階段劃分

為定量分析煤層氣解吸特征對煤層氣產(chǎn)出的影響，孟艷軍[6]等人引入煤層氣等溫吸附曲線曲率函數(shù)把煤層氣解吸曲線進行了定量劃分，通過求取等溫吸附曲線曲率函數(shù)一階導數(shù)和二階導數(shù)得到曲率函數(shù)的駐點和兩個拐點，將三個點對應的壓力點分別定義為轉折壓力Ptu、敏感壓力Pse和啟動壓力Pst，三個壓力點的表示式為：

將上述三個壓力點的表達式代入解吸效率公式，可以發(fā)現(xiàn)雖然不同煤樣等溫吸附曲線的關鍵點對應壓力值不同，但對應的解吸效率是定值，分別為1.00 m3/（t·MPa）、2.59 m3/（t·MPa）、0.55m3/（t·MPa）。三個壓力點可將等溫吸附曲線劃分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸4個階段。依據(jù)上述方法分別求取織金區(qū)塊兩個次向斜等溫線吸附曲線的三個關鍵壓力點，將等溫吸附曲線劃分為四個階段（表1，圖3）。從計算結果可以看出，珠藏次向斜的敏感壓力、轉折壓力和啟動壓力均高于比德次向斜。

2 排采階段劃分

珠藏次向斜主力煤層埋深400～600 m，儲層壓力3.5～5.5 MPa，含氣量為15～20 m3/t，實際排采得到珠藏次向斜煤層解吸壓力2～2.5 MPa。依據(jù)上述劃分的解吸階段可以看出（圖4），珠藏次向斜煤層解吸壓力位于敏感解吸區(qū)域，煤層氣解吸效率高，從圖4珠藏次向斜兩口典型探井流壓與產(chǎn)氣量關系可以看出，煤層解吸以后，隨著壓力降低，煤層氣快速解吸，產(chǎn)氣量快速上漲。

表1 珠藏、比德等溫吸附參數(shù)Table 1 Isothermal adsorption parameters of Zhuzang and Bide subsyncline

圖3 解吸階段劃分Fig.3 Desorption phase division

圖4 珠藏解吸階段劃分與產(chǎn)氣特征Fig.4 Desorption phase division and gas production characteristics of Zhuzang subsyncline

比德次向斜主力煤層埋深900～1 200 m，儲層壓力8.5～11.5 MPa，含氣量與珠藏次向斜相當，也為15～20 m3/t，實際排采得到比德次向斜煤層解吸壓力4.5～7 MPa。比德次向斜煤層氣解吸壓力主要位于緩慢解吸階段和快速解吸階段初期，此階段煤巖等溫吸附曲線較為平緩，隨壓力降低，解吸氣量?。▓D5）。從圖5兩口典型探井的流壓與產(chǎn)氣量關系也可以看出，煤層解吸見氣后，隨著流壓下降，產(chǎn)氣量上漲緩慢，織8井流壓降低至鄰近敏感壓力時，產(chǎn)氣量開始快速上漲，與敏感解吸階段煤層氣的快速解吸特征相一致。

圖5 比德解吸階段劃分與產(chǎn)氣特征Fig.5 Desorption phase division and gas production characteristics of Bide subsyncline

為提高織金區(qū)塊煤層氣產(chǎn)出效率，依據(jù)珠藏、比德兩個次向斜的儲層壓力、解吸壓力和等溫吸附特征差異，劃分制定織金區(qū)塊差異化的排采階段和排采制度，通過劃分不同的排采階段，并制定每個階段的排采制度，為兩個次向斜后續(xù)煤層氣井的排采提供依據(jù)。表2所示，在解吸見氣前劃分為兩個階段，以提高返排率、擴大壓降面積為主要目的，在壓裂液返排率達到30%后開始降壓產(chǎn)氣。解吸見氣后由于珠藏次向斜煤層解吸壓力位于敏感解吸區(qū)域，控制日降液面小于0.5 m/d，避免氣量漲幅過快，而比德次向斜解吸壓力主要位于緩慢解吸階段和快速解吸階段初期，煤層解吸見氣后應適當加快液面降幅，保持日降液面1～2 m/d至敏感壓力2.5 MPa左右，避免在煤層氣緩慢解吸階段排采時間過長造成產(chǎn)氣量上漲過慢，當壓力降至敏感壓力以下后控制液面降幅小于0.5 m/d，緩慢降壓控氣生產(chǎn)。

表2 珠藏、比德排采階段劃分及排采制度Table 2 Production phase division and production system of Zhuzang and Bide subsyncline

3 結論

1）織金區(qū)塊珠藏、比德次向斜具有不同的等溫吸附特征，珠藏次向斜具有相對較高的蘭氏體積和較低的蘭氏壓力，其敏感壓力、轉折壓力和啟動壓力均高于比德次向斜。

2）珠藏次向斜煤層解吸壓力位于敏感解吸階段，煤層解吸以后隨壓力降低，產(chǎn)氣量快速上漲，比德次向斜煤層解吸壓力主要位于緩慢解吸階段和快速解吸階段初期，此階段等溫吸附曲線較為平緩，單位壓降下，解吸氣量小，產(chǎn)氣量上漲緩慢。

3）珠藏次向斜煤層解吸后應采取緩慢降壓控產(chǎn)排采制度，日降液面＜0.5 m，比德次向斜解吸見氣后適當加快液面降幅，日降液面1～2 m，至敏感壓力2.5 MPa后采取緩慢降壓控產(chǎn)排采制度。

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（編輯：尹淑容）

Application of isothermal adsorption curves in coalbed methane production——A case study in Zhijin block

Xu Ke1and Cuibin2
（1.Petroleum Engineering College of Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China;2.Unconventional Resources Exploration and Development Headquarter,East China Oil and Gas Company,SINOPEC,Xiangning,Shanxi 042100,China）

The adsorption and desorption characteristics of coal are the important influential factors to determine gas content and development potential of coalbed methane.Based on isothermal adsorption theory,the reasonable production and desorption phase are quantitative classified and systematic production system is made,in addition,the production system is well applied in Zhijin block and achieves good production effects.

Zhijin block,coalbed methane,isothermal adsorption characteristic,desorption phase,production system

TE132.2

A

2015-09-02。

許科（1993—），男，大學本科，石油工程專業(yè)。