也談煤層氣的液相吸附

朱蘇陽，李傳亮，杜志敏，彭小龍

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610599）

也談煤層氣的液相吸附

朱蘇陽，李傳亮，杜志敏，彭小龍

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610599）

原始條件下煤層氣的吸附處于欠飽和狀態(tài)，開采過程中存在臨界解吸現(xiàn)象。生產(chǎn)動態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，煤層氣在原始條件下并不符合氣相吸附規(guī)律。氣相吸附皆為飽和吸附，不存在臨界解吸過程。煤層氣的液相吸附理論不僅可以解決煤層氣開發(fā)過程存在臨界解吸壓力的問題，而且符合煤層氣的生烴環(huán)境。由于分子極性的差異，煤層氣的液相吸附量大于氣相吸附量。同時，煤層氣開采過程中的臨界解吸現(xiàn)象是地層水中未飽和煤層氣導(dǎo)致的，煤層氣的臨界解吸壓力與液相吸附系數(shù)無關(guān)，是由煤層氣在水中的溶解度以及儲集層條件下煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)決定的。

煤層氣；氣相吸附；液相吸附；飽和吸附；臨界解吸壓力；溶解度

TE122.2

A

目前多采用氣相吸附理論研究煤層氣生產(chǎn)過程中的吸附-解吸現(xiàn)象。然而，氣相吸附理論下的煤層氣數(shù)值模擬結(jié)果，并不能較好地?cái)M合煤層氣的早期生產(chǎn)動態(tài)，而且煤層氣的初始賦存狀態(tài)并不符合氣相吸附規(guī)律。因此有學(xué)者提出，煤層氣應(yīng)服從液相吸附規(guī)律；亦有研究者在分析煤與煤層氣生成環(huán)境的基礎(chǔ)上得到這一結(jié)果[1]。本文在分析煤層氣井的生產(chǎn)動態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了煤層氣的液相吸附規(guī)律。

1　煤層氣井生產(chǎn)特征

中國煤層氣儲量豐富且分布廣泛，雖然煤階、溫度與壓力等儲集層條件各不相同，但大多數(shù)煤層氣井的排采特征比較統(tǒng)一。由于原始條件下煤層氣處于不飽和吸附狀態(tài)，開井后煤層中只有水可以流動。在排水降壓一定時間之后，儲集層壓力降低至煤層氣的臨界解吸壓力，煤層氣開始解吸，氣井開始產(chǎn)氣。氣井見氣之后，產(chǎn)氣量會出現(xiàn)臺階式上升。煤層氣井產(chǎn)量從無到有的過程并不是逐漸增加的，而是一個突然變化的臺階式上升，這與煤礦中瓦斯突發(fā)事故中煤層氣的涌出動態(tài)是一致的。

煤層氣的排采過程是煤層壓力下降導(dǎo)致煤層氣解吸的反映。煤層氣井的早期生產(chǎn)動態(tài)與常規(guī)天然氣井不同，可以分為3個階段：第1階段，開井生產(chǎn)初期煤層中只有水相流動，儲集層壓力持續(xù)下降；第2階段，煤層壓力降至煤層氣的臨界解吸壓力，煤層氣開始解吸，此時煤層裂縫系統(tǒng)中存在氣水兩相，由于氣體飽和度較小，流動仍為水相流動；第3階段，儲集層中煤層氣開始流動，氣井產(chǎn)氣。目前對煤層氣吸附狀態(tài)的研究一致認(rèn)為，儲集層條件下煤層氣的初始狀態(tài)為不飽和吸附，生產(chǎn)動態(tài)也表明，煤層氣井見氣后產(chǎn)量存在臺階式上升，并不是一個逐漸增加的過程。

2　氣相吸附存在的問題

大多數(shù)研究認(rèn)為，儲集層條件下煤層氣服從Lang?muir氣相吸附規(guī)律（圖1a）[2-4]。在氣相吸附模型中，氣體分子飽和吸附在煤層基質(zhì)上（圖1b），氣-固系統(tǒng)中的自由氣（氣相流體）與吸附氣（吸附層中甲烷分子）處于動態(tài)平衡狀態(tài)，氣體壓力上升，氣相吸附平衡正向移動，吸附量增加；氣體壓力下降，氣相吸附平衡逆向移動，吸附量減少。

圖1　氣相吸附曲線（a）和吸附平衡（b）

自由氣與吸附氣是共存于氣-固系統(tǒng)中的，系統(tǒng)中不存在只有吸附氣而沒有自由氣的情況。同時，氣相吸附都是飽和吸附或平衡吸附。這是因?yàn)樵跊]有第二相流體存在的情況下，固體無法將氣體全部吸附在固體表面，否則，系統(tǒng)中會出現(xiàn)真空。因此，氣相吸附中不存在欠飽和吸附的情況[5]。

煤層氣的開采需要排水降壓，當(dāng)壓力降至臨界解吸壓力時煤層氣才開始解吸[6-7]。煤層氣的生產(chǎn)動態(tài)表明，儲集層原始條件下煤層氣的吸附處于欠飽和狀態(tài)。顯然，煤層氣的吸附狀態(tài)并不符合氣相吸附規(guī)律，基于氣相吸附規(guī)律的煤層氣數(shù)值模擬結(jié)果[8-9]也難以反映煤層氣井的生產(chǎn)動態(tài)（圖2）。

在氣相吸附條件下，煤層氣滲流模型模擬得到的單井產(chǎn)量動態(tài)在產(chǎn)氣初期是逐漸上升的（圖2a），并不能反映煤層氣井在短期內(nèi)產(chǎn)量的臺階式上升。這是因?yàn)闅庀辔綖槠胶馕?，因此壓力下降，氣體即開始解吸，解吸量隨著壓力下降是逐漸增加的（圖2b），煤層中的含氣飽和度也是逐漸增加的，在超過臨界流動飽和度后，煤層氣的產(chǎn)量也是逐漸增加的。因此，基于氣相吸附的數(shù)值模擬難以描述煤層氣的早期生產(chǎn)動態(tài)。

圖2　氣相吸附條件下煤層氣井?dāng)?shù)值模擬

3　液相吸附

煤層氣的液相吸附曲線形態(tài)與氣相吸附一致（圖3a），煤層氣的液相吸附理論認(rèn)為，在地層原始條件下，煤層基質(zhì)孔隙與裂縫系統(tǒng)均飽含地層水（圖3b）；甲烷分子在水的作用下吸附在固體壁上，水中有少量溶解的甲烷分子（圖3c），吸附層中的甲烷與水中溶解的甲烷達(dá)到吸附的動態(tài)平衡。此時煤層中沒有自由氣的存在。

煤層氣的液相吸附量與水相壓力沒有直接的關(guān)系，而與水中煤層氣的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。但是煤層氣在地層水中的體積分?jǐn)?shù)是水相壓力的函數(shù)，甲烷在地層水中的溶解度可以表示為[14]

儲集層條件下，甲烷在水中的體積分?jǐn)?shù)大多小于溶解度，即為不飽和溶液。若為飽和水溶液，煤層氣的液相吸附量與水相壓力的關(guān)系可以寫成

泥炭化是煤生成過程的必經(jīng)階段，而水是泥炭形成的必要條件，成煤的過程同樣在水環(huán)境下進(jìn)行；化學(xué)同位素示蹤研究表明，煤層生烴和吸附過程始終伴隨著地下水對煤層的作用和影響[10]。同時，煤巖的生烴實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，加水熱演化生烴方法更符合煤層氣的生成過程[11-13]。因此，煤層氣服從液相吸附規(guī)律的認(rèn)識可以同時解釋煤巖在水環(huán)境下生烴和氣相吸附?jīng)]有臨界解吸壓力的問題。煤層氣的液相吸附服從Langmuir液相吸附方程，即

圖3　煤層氣的液相吸附曲線（a）、液相吸附環(huán)境（b）和吸附平衡（c）

4　討論

（1）液相吸附量大于氣相吸附量相同溫度和壓力條件下，煤層氣的液相吸附量大于氣相吸附量，這是分子間相似相容特性導(dǎo)致的結(jié)果。在氣相吸附中，吸附層與氣相中的甲烷都是非極性分子，極性相同的分子間斥力較小。而液相吸附中，由于水分子為強(qiáng)極性分子，與甲烷分子的極性相差較大，吸附層中甲烷與水分子間具有較強(qiáng)的斥力，因此更多的甲烷分子受到水的排斥被迫附著在煤層基質(zhì)表面上，固體顆粒周圍的吸附層可以聚集更多的甲烷分子（圖3b），從而使煤層氣的液相吸附量大于氣相吸附量。

實(shí)驗(yàn)研究也驗(yàn)證了注水煤樣的液相最大吸附量高于氣相最大吸附量的結(jié)論（圖4）。文獻(xiàn)［15］利用deIS-100型等溫吸附儀，在實(shí)驗(yàn)溫度25℃的條件下，以甲烷氣體（分析純）作為流體，進(jìn)行了干燥煤樣、平衡水煤樣和注水煤樣吸附能力測試（圖4a），與干燥煤樣相比，注水煤樣基質(zhì)對氣體分子的吸附能力較大，而且注水煤樣的最大吸附量與其含水飽和度呈正相關(guān)關(guān)系（圖4b）。

圖4　干燥煤樣、平衡水煤樣和注水煤樣吸附量統(tǒng)計(jì)

氣相吸附理論認(rèn)為，煤層表面可以吸附水分子，吸附在煤基質(zhì)表面的水分子會占據(jù)甲烷分子的吸附位，從而降低煤層氣的吸附量。而注水煤樣中的水占據(jù)了更多的煤層內(nèi)表面積，因此注水煤樣的吸附量應(yīng)小于平衡水煤樣的吸附量，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻恰恰相反，注水煤樣的吸附能力遠(yuǎn)大于平衡水煤樣的吸附能力，同時均大于干燥煤樣的吸附能力。這就表明了注水煤樣中出現(xiàn)了液相吸附，同時驗(yàn)證了液相吸附量大于氣相吸附量的觀點(diǎn)。

液相吸附條件下的解吸是一個復(fù)雜的過程，液相解吸開始后，煤層氣在孔隙中匯聚形成自由氣。自由氣與固體顆粒接觸后，煤層中就出現(xiàn)了氣相吸附。由于煤層氣的液相吸附量大于氣相吸附量，在液相吸附向氣相吸附轉(zhuǎn)換的過程中，會解吸出大量的煤層氣，與煤層氣生成初期的產(chǎn)氣動態(tài)一致。

（2）液相吸附下的臨界解吸壓力煤層氣的液相吸附與氣相吸附都是飽和吸附，煤層基質(zhì)不能將溶于水的氣體分子全部吸附在壁面上，水中的煤層氣體積分?jǐn)?shù)一旦降低，液相解吸也隨之開始。但是通常情況下，原始地層壓力下的地層水并沒有被煤層氣飽和，而是溶解了少量甲烷分子。這就導(dǎo)致了煤層氣開發(fā)過程中出現(xiàn)了臨界解吸壓力的現(xiàn)象。

儲集層原始條件下，煤層氣狀態(tài)為圖5中的A點(diǎn)，此時地層水是煤層氣的不飽和溶液，壓力下降并不會導(dǎo)致水中煤層氣體積分?jǐn)?shù)的變化，液相解吸也不會發(fā)生。因此煤層氣開采必須首先實(shí)施排水降壓，通過排水使得地層壓力從原始地層壓力（pi）降低至臨界解吸壓力（pdc），即甲烷的吸附狀態(tài)從A點(diǎn)平移至B點(diǎn)。此時煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)與溶解度相等，繼續(xù)降低地層壓力使得地層水開始脫氣，水中的煤層氣體積分?jǐn)?shù)開始下降，吸附氣開始解吸。因此B點(diǎn)的地層壓力，即為煤層氣的臨界解吸壓力。液相吸附條件下的煤層氣臨界解吸壓力與吸附系數(shù)無關(guān)，而是與煤層氣在地層水中的溶解度有關(guān)。煤層氣液相解吸與地層水的脫氣是同步進(jìn)行的。

圖5　液相吸附下的臨界解吸壓力

5　結(jié)論

（1）煤層氣的吸附狀態(tài)與氣相吸附規(guī)律不符，氣相吸附皆為飽和吸附，壓力下降即開始解吸；而開采初期，煤層氣的吸附處于不飽和狀態(tài)，排采過程存在臨界解吸壓力，因此煤層氣在儲集層原始條件下并不符合氣相吸附規(guī)律。

（2）成煤過程以及煤層氣的生烴過程均在水環(huán)境中完成，煤層氣的液相吸附理論可以解釋煤巖在水環(huán)境中的生烴條件，又能解釋煤層氣開發(fā)過程存在臨界解吸壓力的問題，而氣相吸附?jīng)]有臨界解吸壓力的問題。

（3）煤層氣的液相吸附理論認(rèn)為，煤層氣初始條件下，煤層基質(zhì)與裂縫體統(tǒng)中均飽含地層水；煤層氣液相吸附為飽和吸附，液相吸附量與煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，煤層氣的液相吸附量高于氣相吸附量；煤層氣的臨界解吸壓力與煤層氣的液相吸附曲線無關(guān)，而是由煤層氣在水中的溶解度曲線以及儲集層條件下煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)決定的。

符號注釋

a——甲烷的液相吸附系數(shù)；

cm——甲烷在地層水中的體積分?jǐn)?shù)，m3/m3；cms——甲烷在水中的溶解度，m3/m3；

p——水相壓力，MPa；

VaLd——液相吸附量，m3/m3；

VaLdm——最大液相吸附量，m3/m3；

α——甲烷的溶解系數(shù)，m3（/m3·MPa）.

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Discussion on Liquid Phase Adsorption ofCoalbed M ethane

ZHUSuyang，LIChuanliang，DU Zhimin，PENGXiaolong
(State Key Laboratory ofOiland Gas ReservoirGeology and Exploitation，SouthwestPetroleum University，Chengdu，Sichuan 610500)

The coalbed methane is in an undersaturated state under the initial reservoir condition.There exists the critical desorption in coalbed methane production.According to the production performance,it is demonstrated that the coalbed methane adsorption does not conform to gas?solid adsorption regulation.The gas?solid adsorptionmustbe saturated,and cannothave the critical desorption process.The liquid phase adsorption theory ofcoalbedmethane can not only solve the critical desorption problem,butalso satisfy the situation ofcoal?bedmethane generation.Due to the difference ofmolecule polar,the liquid phase adsorption volume is larger than the gas phase adsorp?tion.Meanwhile,the undersaturated solution state ofcoalbedmethane in water leads to critical desorption phenomenon.The coalbedmeth?ane critical desorption pressure has no relation with liquid phase adsorption coefficient,and it is calculated by the solubility of coalbed methane inwaterand the volume fraction ofcoalbedmethane inwaterin reservoirconditions.

coalbedmethane;gasphase adsorption;liquid phase adsorption;saturated adsorption;criticaldesorption pressure;solubility

1001-3873（2015）05-0620-04

10.7657/XJPG20150523

2015-03-25

2015-06-17

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05060）；國家自然科學(xué)基金（51404201）

朱蘇陽（1989-），男，江蘇南通人，博士研究生，油藏工程，（Tel）15828512977（E-mail）zhusuyang1989@aliyun.com.