也谈煤层气的液相吸附

朱苏阳，李传亮，杜志敏，彭小龙

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

也谈煤层气的液相吸附

朱苏阳，李传亮，杜志敏，彭小龙

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

原始条件下煤层气的吸附处于欠饱和状态，开采过程中存在临界解吸现象。生产动态研究发现，煤层气在原始条件下并不符合气相吸附规律。气相吸附皆为饱和吸附，不存在临界解吸过程。煤层气的液相吸附理论不仅可以解决煤层气开发过程存在临界解吸压力的问题，而且符合煤层气的生烃环境。由于分子极性的差异，煤层气的液相吸附量大于气相吸附量。同时，煤层气开采过程中的临界解吸现象是地层水中未饱和煤层气导致的，煤层气的临界解吸压力与液相吸附系数无关，是由煤层气在水中的溶解度以及储集层条件下煤层气在水中的体积分数决定的。

煤层气；气相吸附；液相吸附；饱和吸附；临界解吸压力；溶解度

TE122.2

A

目前多采用气相吸附理论研究煤层气生产过程中的吸附-解吸现象。然而，气相吸附理论下的煤层气数值模拟结果，并不能较好地拟合煤层气的早期生产动态，而且煤层气的初始赋存状态并不符合气相吸附规律。因此有学者提出，煤层气应服从液相吸附规律；亦有研究者在分析煤与煤层气生成环境的基础上得到这一结果[1]。本文在分析煤层气井的生产动态的基础上，进一步探讨了煤层气的液相吸附规律。

1　煤层气井生产特征

中国煤层气储量丰富且分布广泛，虽然煤阶、温度与压力等储集层条件各不相同，但大多数煤层气井的排采特征比较统一。由于原始条件下煤层气处于不饱和吸附状态，开井后煤层中只有水可以流动。在排水降压一定时间之后，储集层压力降低至煤层气的临界解吸压力，煤层气开始解吸，气井开始产气。气井见气之后，产气量会出现台阶式上升。煤层气井产量从无到有的过程并不是逐渐增加的，而是一个突然变化的台阶式上升，这与煤矿中瓦斯突发事故中煤层气的涌出动态是一致的。

煤层气的排采过程是煤层压力下降导致煤层气解吸的反映。煤层气井的早期生产动态与常规天然气井不同，可以分为3个阶段：第1阶段，开井生产初期煤层中只有水相流动，储集层压力持续下降；第2阶段，煤层压力降至煤层气的临界解吸压力，煤层气开始解吸，此时煤层裂缝系统中存在气水两相，由于气体饱和度较小，流动仍为水相流动；第3阶段，储集层中煤层气开始流动，气井产气。目前对煤层气吸附状态的研究一致认为，储集层条件下煤层气的初始状态为不饱和吸附，生产动态也表明，煤层气井见气后产量存在台阶式上升，并不是一个逐渐增加的过程。

2　气相吸附存在的问题

大多数研究认为，储集层条件下煤层气服从Lang⁃muir气相吸附规律（图1a）[2-4]。在气相吸附模型中，气体分子饱和吸附在煤层基质上（图1b），气-固系统中的自由气（气相流体）与吸附气（吸附层中甲烷分子）处于动态平衡状态，气体压力上升，气相吸附平衡正向移动，吸附量增加；气体压力下降，气相吸附平衡逆向移动，吸附量减少。

图1　气相吸附曲线（a）和吸附平衡（b）

自由气与吸附气是共存于气-固系统中的，系统中不存在只有吸附气而没有自由气的情况。同时，气相吸附都是饱和吸附或平衡吸附。这是因为在没有第二相流体存在的情况下，固体无法将气体全部吸附在固体表面，否则，系统中会出现真空。因此，气相吸附中不存在欠饱和吸附的情况[5]。

煤层气的开采需要排水降压，当压力降至临界解吸压力时煤层气才开始解吸[6-7]。煤层气的生产动态表明，储集层原始条件下煤层气的吸附处于欠饱和状态。显然，煤层气的吸附状态并不符合气相吸附规律，基于气相吸附规律的煤层气数值模拟结果[8-9]也难以反映煤层气井的生产动态（图2）。

在气相吸附条件下，煤层气渗流模型模拟得到的单井产量动态在产气初期是逐渐上升的（图2a），并不能反映煤层气井在短期内产量的台阶式上升。这是因为气相吸附为平衡吸附，因此压力下降，气体即开始解吸，解吸量随着压力下降是逐渐增加的（图2b），煤层中的含气饱和度也是逐渐增加的，在超过临界流动饱和度后，煤层气的产量也是逐渐增加的。因此，基于气相吸附的数值模拟难以描述煤层气的早期生产动态。

图2　气相吸附条件下煤层气井数值模拟

3　液相吸附

煤层气的液相吸附曲线形态与气相吸附一致（图3a），煤层气的液相吸附理论认为，在地层原始条件下，煤层基质孔隙与裂缝系统均饱含地层水（图3b）；甲烷分子在水的作用下吸附在固体壁上，水中有少量溶解的甲烷分子（图3c），吸附层中的甲烷与水中溶解的甲烷达到吸附的动态平衡。此时煤层中没有自由气的存在。

煤层气的液相吸附量与水相压力没有直接的关系，而与水中煤层气的体积分数有关。但是煤层气在地层水中的体积分数是水相压力的函数，甲烷在地层水中的溶解度可以表示为[14]

储集层条件下，甲烷在水中的体积分数大多小于溶解度，即为不饱和溶液。若为饱和水溶液，煤层气的液相吸附量与水相压力的关系可以写成

泥炭化是煤生成过程的必经阶段，而水是泥炭形成的必要条件，成煤的过程同样在水环境下进行；化学同位素示踪研究表明，煤层生烃和吸附过程始终伴随着地下水对煤层的作用和影响[10]。同时，煤岩的生烃实验也证实，加水热演化生烃方法更符合煤层气的生成过程[11-13]。因此，煤层气服从液相吸附规律的认识可以同时解释煤岩在水环境下生烃和气相吸附没有临界解吸压力的问题。煤层气的液相吸附服从Langmuir液相吸附方程，即

图3　煤层气的液相吸附曲线（a）、液相吸附环境（b）和吸附平衡（c）

4　讨论

（1）液相吸附量大于气相吸附量相同温度和压力条件下，煤层气的液相吸附量大于气相吸附量，这是分子间相似相容特性导致的结果。在气相吸附中，吸附层与气相中的甲烷都是非极性分子，极性相同的分子间斥力较小。而液相吸附中，由于水分子为强极性分子，与甲烷分子的极性相差较大，吸附层中甲烷与水分子间具有较强的斥力，因此更多的甲烷分子受到水的排斥被迫附着在煤层基质表面上，固体颗粒周围的吸附层可以聚集更多的甲烷分子（图3b），从而使煤层气的液相吸附量大于气相吸附量。

实验研究也验证了注水煤样的液相最大吸附量高于气相最大吸附量的结论（图4）。文献［15］利用deIS-100型等温吸附仪，在实验温度25℃的条件下，以甲烷气体（分析纯）作为流体，进行了干燥煤样、平衡水煤样和注水煤样吸附能力测试（图4a），与干燥煤样相比，注水煤样基质对气体分子的吸附能力较大，而且注水煤样的最大吸附量与其含水饱和度呈正相关关系（图4b）。

图4　干燥煤样、平衡水煤样和注水煤样吸附量统计

气相吸附理论认为，煤层表面可以吸附水分子，吸附在煤基质表面的水分子会占据甲烷分子的吸附位，从而降低煤层气的吸附量。而注水煤样中的水占据了更多的煤层内表面积，因此注水煤样的吸附量应小于平衡水煤样的吸附量，但是实验结果却恰恰相反，注水煤样的吸附能力远大于平衡水煤样的吸附能力，同时均大于干燥煤样的吸附能力。这就表明了注水煤样中出现了液相吸附，同时验证了液相吸附量大于气相吸附量的观点。

液相吸附条件下的解吸是一个复杂的过程，液相解吸开始后，煤层气在孔隙中汇聚形成自由气。自由气与固体颗粒接触后，煤层中就出现了气相吸附。由于煤层气的液相吸附量大于气相吸附量，在液相吸附向气相吸附转换的过程中，会解吸出大量的煤层气，与煤层气生成初期的产气动态一致。

（2）液相吸附下的临界解吸压力煤层气的液相吸附与气相吸附都是饱和吸附，煤层基质不能将溶于水的气体分子全部吸附在壁面上，水中的煤层气体积分数一旦降低，液相解吸也随之开始。但是通常情况下，原始地层压力下的地层水并没有被煤层气饱和，而是溶解了少量甲烷分子。这就导致了煤层气开发过程中出现了临界解吸压力的现象。

储集层原始条件下，煤层气状态为图5中的A点，此时地层水是煤层气的不饱和溶液，压力下降并不会导致水中煤层气体积分数的变化，液相解吸也不会发生。因此煤层气开采必须首先实施排水降压，通过排水使得地层压力从原始地层压力（pi）降低至临界解吸压力（pdc），即甲烷的吸附状态从A点平移至B点。此时煤层气在水中的体积分数与溶解度相等，继续降低地层压力使得地层水开始脱气，水中的煤层气体积分数开始下降，吸附气开始解吸。因此B点的地层压力，即为煤层气的临界解吸压力。液相吸附条件下的煤层气临界解吸压力与吸附系数无关，而是与煤层气在地层水中的溶解度有关。煤层气液相解吸与地层水的脱气是同步进行的。

图5　液相吸附下的临界解吸压力

5　结论

（1）煤层气的吸附状态与气相吸附规律不符，气相吸附皆为饱和吸附，压力下降即开始解吸；而开采初期，煤层气的吸附处于不饱和状态，排采过程存在临界解吸压力，因此煤层气在储集层原始条件下并不符合气相吸附规律。

（2）成煤过程以及煤层气的生烃过程均在水环境中完成，煤层气的液相吸附理论可以解释煤岩在水环境中的生烃条件，又能解释煤层气开发过程存在临界解吸压力的问题，而气相吸附没有临界解吸压力的问题。

（3）煤层气的液相吸附理论认为，煤层气初始条件下，煤层基质与裂缝体统中均饱含地层水；煤层气液相吸附为饱和吸附，液相吸附量与煤层气在水中的体积分数相关，煤层气的液相吸附量高于气相吸附量；煤层气的临界解吸压力与煤层气的液相吸附曲线无关，而是由煤层气在水中的溶解度曲线以及储集层条件下煤层气在水中的体积分数决定的。

符号注释

a——甲烷的液相吸附系数；

cm——甲烷在地层水中的体积分数，m3/m3；cms——甲烷在水中的溶解度，m3/m3；

p——水相压力，MPa；

VaLd——液相吸附量，m3/m3；

VaLdm——最大液相吸附量，m3/m3；

α——甲烷的溶解系数，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

国家科技重大专项（2011ZX05060）；国家自然科学基金（51404201）

朱苏阳（1989-），男，江苏南通人，博士研究生，油藏工程，（Tel）15828512977（E-mail）zhusuyang1989@aliyun.com.