高煤階儲層煤層氣解吸滯后現象定量表征及其對開發的影響

許詩婧，袁肖肖

（1.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；2.大港油田采油工藝研究院油田化學所，天津 300280）

解吸滯后現象對煤層氣開發具有重要影響[1-2]，但目前研究和現場應用較少，謝勇強（2006）開展了低階煤煤層氣解吸滯后現象實驗研究[3]，馬東民（2008）研究了煤層氣解吸特征[4]，張遂安（2005）研究了煤對甲烷氣體吸附解吸機理的可逆性[5]；吳迪（2012）采用Langmuir吸附模型對塊狀煤巖解吸曲線進行了擬合[6]，研究了甲烷解吸特征；馬東民（2011）提出適用于了煤巖等溫解吸曲線的擬合方法[7]，研究了溫度對解吸的影響。總體來看，以上研究從不同的側面研究了煤層氣的解吸滯后現象，但對于其定量表征研究較少，而且多側重于實驗研究，對解吸滯后現象對煤層氣開發實踐產生的影響研究較少。通過室內實驗和理論推理，提出了高煤階儲層煤層氣解吸滯后現象定量表征參數，并分析了其主要影響因素，最后在此基礎上分析了煤層氣解吸滯后對高效開發的影響。

1 解吸滯后現象定量表征

1.1 解吸滯后概念

解吸滯后及解吸滯后系數理論模型如圖1。由圖1可知，煤層氣解吸滯后現象是指甲烷氣體在煤巖中解吸曲線與吸附曲線不完全重合的現象，即相同壓力條件下，解吸過程中的吸附氣量高于吸附過程中的吸附氣量，且當壓力降至0時，仍然有一部分氣量不能解吸出來，表明解吸過程慢于吸附過程，因此稱為解吸滯后。解吸滯后現象表明，甲烷在煤巖中的吸附過程不完全可逆。

圖1 解吸滯后及解吸滯后系數理論模型

1.2 殘余吸附氣量

甲烷氣體在煤巖中吸附的等溫吸附曲線常用Langmuir吸附模型來擬合，Langmuir吸附模型表達方程如下所示[8]：

式中：Vad為吸附過程吸附量，mL/g；a為煤巖最大吸附量，mL/g；b為常數，受煤巖吸附解吸速度的影響；p 為壓力，MPa。

基于Langmuir等溫吸附模型，考慮解吸過程中，壓力降至0 MPa時，仍有部分吸附氣量不能完全解吸出來，引進殘余吸附氣量c，得到煤層氣等溫解吸曲線模型[9]：

式中：Vde為解吸過程吸附量，mL/g；c為殘余吸附氣量，mL/g。

1.3 解吸滯后系數

甲烷在煤巖中解吸滯后程度用解吸滯后系數表征，解吸滯后系數通過部分可逆面積與完全不可逆面積的比值來定量計算。由圖1可知，部分可逆面積為部分可逆曲線（解吸曲線）與完全可逆曲線（吸附曲線）之間的面積；完全不可逆面積為完全不可逆曲線與完全可逆曲線之間的面積。解吸滯后系數用下式計算：

式中：I為解吸滯后系數，無量綱量；Ade為解吸曲線與縱、橫坐標軸圍成的面積，cm2；Aad為吸附曲線與橫坐標軸圍成的面積，cm2；A為完全不可逆曲線與縱、橫坐標軸圍成的面積，cm2。

2 實驗準備

2.1 實驗樣品

選取沁水盆地南部高煤階煤巖，加工制作為長度50 mm，直徑25 mm的煤巖巖柱，選取無明顯裂縫、外觀完整的煤巖樣品4塊。

2.2 實驗過程及結果

利用氣體滲透率測定儀和氣體孔隙度測定儀測定4塊煤樣滲透率和孔隙度，實驗煤樣基本物性參數見表 1，滲透率分布在 0.01×10-15～0.15×10-15m2之間，孔隙度分布在 3.1%～7.5%之間，屬于低孔低滲儲層；然后在4塊煤樣中分別截取一段，參照 SY/T 5346—2005《巖石毛管壓力曲線的測定》開展壓汞試驗，測定煤巖孔隙結構分部特征[10]；將剩余煤樣粉碎為煤粒，遵照GB/T 6948—2008《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》測定煤樣鏡質體反射率，鏡質體反射率R0分布在2.57%～2.85%之間，屬于高階煤儲層；遵照 GB/T 19587—2004《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》測定煤樣比表面。然后測定各個煤巖樣品的等溫吸附和解吸曲線，實驗過程執行GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附實驗方法》，測得4塊煤巖樣品的吸附解吸曲線如圖2。

表1 實驗煤樣基本物性參數

由表1和圖2表明，在相同壓力情況下，煤樣甲烷吸附量隨滲透率、孔隙度降低而逐漸增大，這是由于孔隙度、滲透率越低，煤巖平均孔隙半徑越低，BET比表面積越大，因而吸附能力越強。如煤樣1的吸附量遠大于煤樣2、煤樣3、煤樣4，其BET比表面積為7.8 m2/g，遠大于另外3塊煤樣。圖2表明，4塊煤樣解吸曲線與吸附曲線不完全重合，存在解吸滯后現象且解吸滯后程度存在差異。

圖2 實驗煤巖甲烷吸附解吸曲線

3 分析與探討

利用origin2018軟件，根據式（1）、式（2）分別對實驗獲得的甲烷吸附數據和解吸數據進行擬合，得到相應的擬合參數；根據式（3）分別計算了4塊煤樣的解吸滯后系數I，實驗煤巖吸附解吸曲線擬合結果見表2。

表2 實驗煤巖吸附解吸曲線擬合結果

3.1 殘余吸附氣量

表2表明，通過引進殘余吸附氣量c這個參數，可以將Langmuir吸附模型改造為適用于煤層氣儲層的解吸模型，即式（2）。表1、表2共同表明，煤樣殘余吸附氣量受儲層物性特征影響，孔隙度、滲透率越低、孔隙半徑越小，殘余吸附氣量越大。

煤樣物性特征對殘余吸附氣量的影響如圖3。由圖3可知，煤樣滲透率越高，殘余吸附氣量越低，這表明物性越好的區域，煤層氣的采收率越高；煤樣平均孔隙半徑越小，殘余吸附氣量越低，二者成負對數關系，這主要是孔隙吸附甲烷分子后，孔隙半徑減小，如果儲層孔隙半徑越小，甲烷吸附導致其孔隙半徑減小程度越大，越不利于甲烷解吸；煤樣比表面積越大，殘余吸附氣量越高，比表面積大，煤巖吸附能力強，因此殘余氣量也高。

3.2 解吸滯后系數

圖3 煤樣物性特征對殘余吸附氣量的影響

煤樣物性特征對解吸滯后系數的影響如圖4。圖4表明，煤樣解吸滯后系數隨滲透率增加而降低，表明儲層物性越好，解吸滯后程度越低，越利于煤層氣產出；煤樣平均孔隙半徑越小，解吸滯后系數越大，主要是因為孔隙半徑越小，煤巖比表面積越大，煤巖吸附能力越強，解吸能力越弱。

4 解吸滯后對煤層氣開發的影響

4.1 對解吸壓力預測的影響

在煤層氣開發實踐中，往往根據等溫吸附曲線進行解吸壓力與含氣量之間的換算，如煤樣1實測含氣量為21 m3/t，采用等溫吸附曲線推算的解吸壓力為0.67 MPa，而用等溫解吸曲線推算的解吸壓力應為0.30 MPa，因此，解吸滯后現象導致煤儲層實際解吸壓力降低，需要用等溫解吸曲線來推算實際的解吸壓力。

反之，由于不同煤樣間等溫解吸曲線存在巨大的差異，因此即使解吸壓力相同，含氣量也不會相同，例如，煤樣2實測含氣量低于煤樣1，僅為18 m3/t，但其解吸壓力卻高達2.57 MPa，遠遠高于煤樣1的解吸壓力。因此，單純根據某口井解吸壓力高低并不能判斷其含氣量高低，因此，現場中存在某些井，解吸壓力很高，但不能形成工業氣流。

圖4 煤樣物性特征對解吸滯后系數的影響

4.2 對采出程度的影響

由于解吸滯后導致殘余吸附氣量形成，且表2表明，解吸滯后系數越大，殘余吸附氣量越高，因此，解吸滯后大大降低了煤層氣的采出程度。以煤樣1為例，實測含氣量為21 m3/t，而殘余吸附氣量卻高達15.6 m3/t，解吸滯后導致煤樣最終采收率僅為25.7%；而煤樣4實測含氣量為8 m3/t，殘余吸附氣量為2.3 m3/t，最終采收率卻高達71.3%。這表明，低孔、低滲儲層解吸滯后程度嚴重，最終采收率遠遠低于滲透率較高的儲層。

4.3 對解吸效率的影響

作煤樣1等溫吸附曲線和等溫解吸曲線的一階導數，分別得到2個解吸效率曲線（圖5）。

圖5表明，在平衡壓力高于2 MPa時，2條曲線基本重合，表明解吸效率基本相當；而當平衡壓力低于2 MPa時，等溫吸附曲線計算得到的解吸效率明顯高于等溫解吸曲線計算結果，二者差值就是解吸滯后現象對甲烷解吸效率的影響程度，因此解吸滯后會大幅降低甲烷的解吸效率。

圖5 煤樣1解吸與吸附曲線解吸效率對比

5 結論

1）高煤階煤樣解吸曲線與吸附曲線不完全重合，存在解吸滯后現象且解吸滯后程度存在差異。利用殘余吸附氣量c概念改造后的Langmuir吸附模型適用于高煤階煤儲層等溫解吸數據的擬合。

2）殘余吸附氣量和解吸滯后系數能夠定量表征煤層氣解吸滯后程度。煤樣殘余吸附氣量和解吸滯后系數受儲層物性特征影響，滲透率越低，孔隙半徑越小，比表面積越大，殘余吸附氣量和解吸滯后系數越大。

3）解吸滯后現象導致煤儲層實際解吸壓力降低，需要用等溫解吸曲線來推算實際的解吸壓力；由于不同煤樣間等溫解吸曲線存在巨大的差異，單純根據某口井解吸壓力高低并不能判斷其含氣量高低。同時解吸滯后系數越大，殘余吸附氣量越高，解吸滯后大大降低了煤層氣的采出程度和解吸效率。