煤层气升温解吸特征分析与应用

马东民 蔺亚兵 张遂安

(1.西安科技大学地质与环境学院,陕西 710054;2.中国石油大学 (北京)气体能源开发与利用教育部工程研究中心煤层气研究中心,北京 102249)

大量研究成果表明,温度与吸附量呈负相关,与解吸量呈正相关。由此在业界提出了升温解吸的概念。在煤层气排采中,随着排采时间的延续和排采强度的加大,井底温度明显降低,同时储层还面临渗透率降低的问题,严重阻碍了煤层气解吸的持续进行。为了探讨升温解吸效果,本文以AST-2000型煤层气吸附/解吸大样量仿真实验装置为依托,设计了高中低三种煤级的变温吸附/解吸实验,结合现有的应力渗透率、气-水相对渗透率、多相介质力学实验以及煤基质自调节作用等的物理模拟与数值模拟研究成果,对升温解吸机理进行分析。

1 实验方法

吸附/解吸实验按照 G B/T19560-2004《煤的高压容量法等温吸附实验方法》、采用AST-2000型吸附/解吸仿真实验仪进行。当前煤层气试井结果表明,煤储层温度主要集中在19～28℃,因此实验设计温度为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

1.1 采样与实验样品制备

煤样分别采自煤层气勘探较为活跃地区的山西柳林寨崖底9#(JM)、晋城寺河3#(WY),按照全层样的采样原则实施。室内经过破碎、粉碎、筛分过程将原煤样制成符合G B/T19560-2004要求的60～80目的空气干燥基煤样。

1.2 平衡水实验

60～80目的空气干燥基煤样平衡水分处理参考ASTM(美国试验材料学会American Society for Testing Material)的标准执行。经过称样、浸水、抽滤、湿度平衡等步骤,最后计算平衡水分含量。

实验样品的平衡水分含量为1.32%(JM)和1.89%(WY)。

1.3 吸附/解吸实验

不同压力下温度变化实验难以控制并且无规律性,由此实验设计了不同温度的等温吸附/解吸实验。因此设计实验过程为：等温升压-平衡-升压过程的吸附实验与同温的降压-平衡-降压解吸实验,在另一温度点的吸附-解吸过程,重复过程。最后,根据系统数据采集进行不同平衡压力下吸附/解吸过程含气量的计算。

1.4 实验的准确性

实验皆为一式三份相同样品的平行实验,结果表明JM与WY吸附解吸实验皆具有一致性与数据再现性,对吸附/解吸结果数据分别进行P-P/V关系分析,P-P/V皆呈直线相关 (误差皆小于0.014,拟合度皆大于0.996)。实验结果具有重复再现性与准确性。实验分析选用JM与WY的实验结果。

2 实验结果与数学拟合

2.1 实验结果

实验样品的吸附/解吸实验数据处与处理结果(散点所示)如图1、图2所示。

图1 寺河吸附/解吸实验数据拟合

图2 寨崖底吸附实验数据拟合

2.2 数学拟合

甲烷的解吸滞后于吸附,不完全是升压吸附的逆过程。用Langmuir方程来准确拟合时误差大,拟合度不高。而采用V=a·bp/(1+bp)+c来拟合收到良好的效果,将其命名为煤层气解吸方程。

式中 V——煤层气解吸到p压力下的煤层气残余吸附量,ml/g;

a——煤样最大吸附容量,ml/g;

b——吸附速度、解吸速度与吸附热综合函数,MPa-1;

c——匮乏压力下的残余吸附量,ml/g。拟合曲线见图1、图2。拟合参数见表1。

表1 实验数据的数学拟合参数

3 升温与解吸作用的综合分析

从图1和图2表明,各温度点在同压力下解吸过程的含气量皆大于吸附过程的含气量,说明甲烷的解吸均滞后于吸附。解吸作用均存在匮乏压力点,也是解吸滞后的再现。随着温度的增高不同煤阶吸附等温线和拟合函数趋势一致,但参数有变化。

3.1 温度与含气量的关系

从表1的拟合参数,可以看出寺河矿无烟煤的在各温度点的饱和吸附量明显大于柳林焦煤。同一煤种随着实验温度的增高吸附量有明显减少的趋势,其中15℃和40℃,寺河无烟煤的饱和吸附量相差9m3/t之多,而寨崖底焦煤相差5m3/t。

3.2 温度与吸附/解吸的关系

吸附和解吸是一个动态平衡过程。随着温度的增高,吸附相甲烷分子的能量水平增大,吸附相的甲烷分子获得足够的能量克服物理吸附力返回气相(游离态)中。这也是升温解吸的理论来源,升高温度有利于平衡向解吸方向推进,实验结果也证明了这一点。

很长一段时间,人们都是用吸附曲线来描述解吸过程。但是从图1和图2,我们明显可以看出,解吸滞后于吸附,这与煤基和吸附剂的物理特性有关。作者认为解吸滞后的原因除了与毛细凝结现象有关外,解吸过程的热变化是影响吸附滞后现象的关键因素。国内放置温压传感器的几口煤层气井在产气量超过2000m3之后排水温度明显降低,也证明了这一点。

吸附热计算结果表明：吸附过程是放热反应,线性方程截距为正值,阻碍着吸附行为;解吸过程是吸热反应,线性方程截距为负值,解吸过程的吸热也同样阻碍着解吸作用的持续进行。然而,实际煤储层对甲烷的吸附过程经历了一个漫长的成煤地质时期,煤层气实际排采中为了短期得到收益,排采年限最长的也就20年。因此煤层气实际排采中不得不考虑温度影响因素。

3.3 温度与采收率的关系

煤层气排采过程,首先是降压解吸的持续进行,我们选择煤层气解吸来描述。由表1可以看出,随着温度的升高匮乏压力下的残余吸附量c值呈减小趋势,证明温度和解吸率呈正相关关系。储层实际含气量要小于饱和吸附量,为了直观的展现温度和采收率的关系,假定寺河 (WY)和寨崖底(JM)实际煤层气含气量在15℃时分别对应的饱和吸附量为29.18m3/t和13.56m3/t,利用煤层气解吸式计算出在0.5MPa和0.7MPa废弃压力下不同温度下的理论解吸率和同一个温度点解吸曲线对应的理论解吸率 (如表2)。

可以看出寺河不同温度点的采收率和解吸率均大于寨崖底,高煤级储层大于低煤级储层的采收率这一点在实际部分生产中也得到了证明。在不同废弃压力下,随着温度增高不同煤级的解吸率均大幅增长,20℃和40℃相差近10%,寺河 (WY)和寨崖底 (JM)产量分别提高近2.9m3/t和1.4m3/t。同时可以看出,寺河无烟煤的理论解吸率要比寨崖底焦煤的变化趋势明显,寺河20℃和40℃相差近10%,而寨崖底只有不到5%。由此我们可以看出,升高温度有助于提高采收率和解吸率,高煤级煤储层对温度敏感性要比低煤级煤储层的明显。

表2 不同温度采收率和解吸率列表

3.4 温度与解吸速率的关系

表1可以看出,吸附过程中随着b值 (即吸附速率系数)随着温度的增高而减小,说明吸附过程中温度升高解吸速率加快,有利于平衡向解吸过程移动。解吸曲线中寺河无烟煤的b值与吸附过程中的趋势相似,但寨崖底焦煤的b值变化范围无规律性,这可能与煤样的物理化学特性有关。由图1、图2可以看出在低压阶段 (1.5MP以下),温度越高,解吸曲线的斜率越大,说明升高温度有利于加快解吸速率。

3.5 温度与压力对解吸的敏感性分析

为了对温度与压力进行解吸作用的敏感性进行对比,利用煤层气解吸式对解吸原始数据进行了处理,表3为相同含气量时不同温度所对应的压力。

由表3可以看出,不同阶段主导影响因素不同,在高压阶段温度控制明显,在低压阶段压力控制明显。可见,在中高压阶段,升高温度比压力降低对解吸作用的影响更敏感。在排采初期,通过调控煤储层温度,可以促使煤层气解吸作用的持续进行,甚至比排水降压更有效,两者结合起来,能取得最大程度的产气量的同时也能提前产期高峰。

表3 相同含气量时不同温度点对应的压力列表

3.6 温度与储层渗透率的关系

由于高煤级煤储层内生裂隙和显微裂隙不发育以及其应力渗透率敏感性强,煤基质收缩能力弱,在传统的排水降压开发煤层气的过程中,有效应力的负效应大于煤基质收缩的正效应,从而导致煤储层渗透率逐渐降低,并随着排采的进行,产能衰减,从而出现了煤层气井产能的“瓶颈”问题。结合应力渗透率、气-水相对渗透率、多相介质力学实验及煤基质自调节作用等的物理模拟与数值模拟研究结果,我们认为,当温度保持在固定值时,煤由于本身膨胀变形的影响大于气体受热的影响,渗透率和渗流量都将降低,这对于煤层气的开采是不利的;在温度梯度发生变化 (升高)时,煤层气渗流量将发生明显增加,有利于提高煤层气的采出率。可见,升高温度能够提高储层渗透率,在排采过程中“排水降压”和“升温解吸”适当结合,可有效缓解高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题。

4 结论

经典的“排水-降压-解吸-采气”理论,有力地推动了美国的煤层气产业的形成与发展。然而,由于我国煤层气赋存地质条件复杂以及研究思路和方法的限制,只在我国沁水盆地等进行小规模化商业生产。升温解吸能够有效弥补我国煤储层低渗问题和低饱和度的问题,在中高煤阶煤层气储层应用应该受到重视。

(1)不同煤级温度升高时饱和吸附量有降低趋势,随着煤阶增高饱和吸附量降低趋势增大。升高温度能够促进解吸率的提高并增大解吸速率,在中高压阶段升高温度比压力降低对解吸作用的影响更敏感,升温解吸能够提前产气高峰。

(2)吸附和解吸过程不可逆,解吸过程滞后于吸附过程。解吸滞后不光与毛细凝聚现象有关,还与解吸过程中的温度变化效应有关。

(3)纯粹降压解吸的煤层气的解吸率不是很高,多数在70%以下,在进行生产规划时应充分考虑温度效应,将升温解吸和排水降压有效结合可提高解吸率,促进解吸作用的持续进行,从而获得最大产能。

(4)升温解吸技术在实际煤层气排采过程中的应用还不成熟,高煤级低渗和低饱和度储层可借鉴稠油注热开采模式,连续注热 (蒸汽驱替)、间歇注热 (蒸汽吞吐),提高压裂液温度等,以提高储层温度,促进煤层气持续解吸,以获得工业气流。

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