不同矿化度水对煤层气解吸-扩散影响的实验_伊向艺.pdf

第41卷第5期 2013年10月 文章编号1001-1986201305-0033-03 煤田地质与勘探 XALGEOLOGY 2.成都理工大学能源学院，四川成都610059; 3.贵州省地质矿产勘查开发局113地质大队，贵州六盘水553001 摘要煤层气主要以吸附状态赋存于煤层的割理和基质孔隙中．以沁水盆地寺河煤矿3号煤粉碎 后的割理颗粒为实验样品，通过对样品注入蒸储水、水源水和地层水3种不同矿化度水的解吸实 验，探讨了不同矿化度水对煤层甲坑解吸一扩散过程的影响情况．结果表明3种水的初始解吸压 力约为1.4MPa，且解吸过程主要集中在后期，而前期解吸量不足总解吸量的30；含有矿化度的 水源水和地层水比无矿化皮蒸饱水的解吸率、恢复率和初始解吸压力都低，且随着水矿化度的增 大，解吸率和恢复率都略有减小． 关键词矿化度；煤层气；解吸－扩散；解吸率；恢复率 中图分类号P618.11文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.007 Experimental study on the effect of salinity on coalbed methane desorption-diffusion YI Xiangyi 1 2, WU Hongjun2, LU Yuan 2, QIU Xiaolong 3, ZHANG Hao 2, LI Chengyong2 1. StateKey Laboratory of Oil 2. College of Ene叨，Resource,Chengdu University o/Technology, Chengdu 610059, China; 3. Brigade 113, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration coalbed methane; desorption-diffusion; desorption rate; recovery rate 煤层气作为非常规天然气资源的重要组成部分11-31, 是最现实的接替常规天然气的后备资源，开发和利用 我国丰富的煤层气资源将对我国的能源储备起到至关 重要的作用。当煤层有水存在时，会对甲烧的解吸→扩 散过程产生影响，目前，煤层气生产的机理是通过排 水降低井底液柱高度来达到井底压力降低，促使局部 范围储层压力降低，产生煤储层流体压力梯度，最终 造成压降条件下的煤层气解吸［叫。 本文以沁水盆地寺河煤矿3号煤层为研究对 象，选取具有原始微孔和裂隙的煤层割理颗粒为实 验样品，在模拟地层条件下，主要研究不同矿化度 收稿日期2012-08-06 水对割理颗粒解吸一扩散过程的影响和恢复率，以期 为煤层气的研究及开发有所帮助。 1 实验介绍 1.1 实验样晶 实验煤样取自沁水盆地寺河煤矿3号煤层，煤层 厚4.45～8.75m，其变异系数为0.09。现场取样后装 箱密封运抵实验室，再粉碎部分煤样，根据煤样的 割理发育情况（因为割理颗粒发育的微孔和裂隙是 甲烧解吸一扩散的主要通道），挑选粒径为3-Smm的 割理颗粒作为实验样品（图1）。将选好的一定量样品 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05037-003）；教育部博士学科点新教师类基金（20095122120012）；博导基 金（20125122110017 作者简介伊向艺（1961一），女，回族，新疆乌鲁木齐人，教授，博士生导师，从事油气田开发工程的教学与科研工作． ChaoXing 34 煤田地质与勘探第41卷 a）煤样发育的割迎 b）实验样品 图l割理颗粒实验样品 Fig. l The cleat particles of test samples 放在恒温干燥箱内30℃烘干，以确保其水分完全蒸 发，然后称取3组样品，每组割理颗粒30g。 1.2 实验设备及实验方法 实验设备主要是入井液对煤岩解吸分析的实验装 置。该装置能严格控制实验温度，且实验数据的采集 实现了智能化。装置主要由以下组件构成压力容器、 高压注液系统、压力传感器、高压气源、回压阅、气 排液系统、数据采集系统、水浴循环加热系统。 整个实验过程的温度恒定在煤储层温度25吧， 整个过程开启数据采集系统。对实验样品放入压力 容器后的自由体积测定完毕后，接通甲烧气瓶，高 压容器压力达5如1Pa后关闭，吸附时间设定为12h; 自动记录整个吸附过程的压力变化；吸附完成后接通 氮气，通过回压阅设定解吸压力开始解吸，直至1h 内的解吸量在lOmL以下时认定解吸终止。 2 实验结果与分析 解吸率是描述煤岩解吸效果的物理量，由下式 计算 最终解吸率＝坠 ’A 、‘EF -- A ，，‘、 恢复率是描述注入液体后的解吸量相对于自 然解吸量百分比的物理量，由下式计算 恢复率＝孕2 们DI 式中Vo为煤岩最终解吸体积，mL；几为吸附平 衡后煤岩吸附甲烧的体积，mL;Voi/Vo2为煤岩注 液前／后最终解吸体积，mL。 表1为3种实验样品及其分别注入3种不同矿 化度水的数据表。表2为煤样自然解吸和注人不同 矿化度水后的解吸数据对比。可以看出，自然解吸 条件下煤对甲皖的吸附和解吸并非一个完全可逆的 过程，在达到终止解吸时间后，解吸量为吸附量的 60～70，而剩余的部分吸附气体是不能够通过 自然解吸出来的；注入3种不同矿化度水后，煤割 理颗粒对甲烧的解吸率和恢复率都比自然解吸的 低，只有50左右。含有矿化度的水源水和地层水 比无矿化度的蒸馆水的解吸率和恢复率都低，且随着 水矿化度的增大，解吸率和恢复率都略有减小。 表1实验样品及实验注入水的矿化度 ’fable 1 Test samples and the salinity of injected liquid 水的矿化度 实验样品样品质量／2实验注入水类别.. . “I m2L- 样品l蒸馈水30 。 样品2 样品3 韩城水源水 煤层地层水 684.44 I 981.3 30 30 由图2看出，与自然解吸相比，注人3种不同 矿化度的水后，甲烧的初始解吸压力明显降低，且 都在解吸压力约1.4MPa时开始解吸。由实验可知， 由于矿化度的影响，当注入水源水和地层水后，甲 烧解吸初始出气压力比注入蒸馆水后的初始解吸压 力略低；注入3种不同矿化度水后，在低解吸压力 阶段的解吸量最大。 由图3可知，自然解吸在解吸前期的甲烧解吸量 大，在1.8MPa解吸压力下，解吸量占总解吸量的 34，在0.6MPa解吸压力下，累计解吸量占总解吸 量的71.81；而后期解吸量不到30。但在注入3 种不同矿化度水后，当解吸压力小于0.6MPa后，3 表2自然解颐和注入不同矿化度水后解吸结果对比 Result contrast between natural desorption and desorp“on after injec“ng liquid of different salinity 吸附量II此解吸条件解吸量／mL最终解吸率／恢复率／ 自然解吸 注入蒸馆水解吸 自然解吸 注入水源水解吸 自然解吸 注入地层水解吸 Table 2 实验样品 样品l587.85 样品2631.32 样品3613.04 388.37 66.07 85.24 331.06 56.32 420.08 66.54 76.96 323.30 51.21 402.53 65.66 77.52 312.04 50.90 ChaoXing 35 伊向艺等不同矿化度水对煤层气解吸－扩散影响的实验第5期 a.注入3种不同矿化度水后的煤割理颗粒对甲 烧的解吸率和恢复率都比自然解吸的低，含有矿化 度的水源水和地层水比无矿化度的蒸馆水的解吸率 和恢复率都低，且随着水矿化度的增大，解吸率和 恢复旦在都略减小。 b.自然解吸前期的解吸量约占总解吸量的 70，而注入3种不同矿化度水后，前期解吸量不 足总解吸量的30，主要集中在后期解吸，且它们 的初始解吸压力接近1.4岛。a，且有矿化度的水比 无矿化度水的初始解吸压力更低。 c.高压注人水后，微孔和裂隙中充满地层水， 对煤造成水锁伤害，造成甲皖自然解吸的解吸量比 注水解吸的解吸量大。当水中含有矿物质时，有矿 化度的水比无矿化度水的恢复率更低。 结论3 图自然解吸 园注入恭铺水解吸 困注入水源水解吸 困注入地层水解吸 立幽 解吸压力/MPa 250 。 200 h」 昌150 墨100 50 1.4 图2不同解吸压力下煤样的解吸量 Desorption quantity at different desorption pressure 园注入蒸铺水解吸 因注入水源水解吸 臼注入地层水解吸 - I U 吸 解 m自然解吸 1.8 Fig.2 100 导60 140 20 ［）伊向艺，雷群，丁云宏．煤层气压裂技术及应用阳］．北京 石油工业出版社，2012. [2］伊向艺，卢渊，张浩．鄂尔多斯盆地韩城煤岩微观特征实验研 究［巧．煤炭技术，2011,303 137-139. [3］李相方，石军太，杜希瑶．煤层气藏开发降压解吸气运移机 理［月．石油勘探与开发，2012,392 203-212. [4］李景明，刘飞，王红岩，等．煤储集层解吸特征及其影响因 素［月．石汹勘探与开发，2008,351 52-56. [5］卢渊，伊向艺，杨智煤岩应力敏感性的有限元数值模拟［月 煤田地质与勘探，2011,392 22-25. [6］李传亮，彭朝阳．煤层气的开采机理研究［月．岩性汹气藏， 2011, 234 9-11. [7］郭红玉，苏现波．煤层注水抑制瓦斯涌出机制研究［月．煤炭学 报，2010,356 928-931. [8］赵东，冯增朝，赵阳升．高压注水对媒体瓦斯解吸特性影 响的试验研究［几岩石力学与工程学报，2011,303 参考文献 1.4 图3不同解吸压力下煤样的解吸率 Desorption quantity at different desorption pressure 1.8 。 547-555. [9］赵东，冯增朝，赵阳升．煤层瓦斯解吸影响因素的试验研 究［月煤炭科学技术，2010,385 43-46. 个实验样品的甲烧解吸量均占总解吸量的70左 右；前期解吸量接近30。 上述实验结果主要是因为水克服界面张力使煤 基质孔隙内表面被润湿，从而形成连续的水分子吸 附层液膜的结果；另外，煤岩孔隙和裂隙发育，地 层水在外力作用下注入煤岩孔隙时，会存在很强的毛 管应力，阻碍甲烧的扩散，如果解吸出的甲皖能量不 足以克服这些附加的毛细管压力，甲皖就不能将水段 塞驱而流向割理表面，从而形成水锁伤害导致解吸甲 烧体积减小；其次，注入水后，割理颗粒中的黠土膨 胀，微孔和微裂隙变小，且这个过程是近乎不可逆的， 致使毛细管力增大，水锁伤害更严重；最后，由于水 源水和地层水中含有各种矿物质，当进入割理颗粒液 体中的矿物质与储层中的甜土矿物不配伍时，将会引 起絮凝沉淀，导致恢复率更低［附］。 Fig. 3 ChaoXing