高煤阶储层煤层气解吸滞后现象定量表征及其对开发的影响

许诗婧，袁肖肖

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.大港油田采油工艺研究院油田化学所，天津 300280）

解吸滞后现象对煤层气开发具有重要影响[1-2]，但目前研究和现场应用较少，谢勇强（2006）开展了低阶煤煤层气解吸滞后现象实验研究[3]，马东民（2008）研究了煤层气解吸特征[4]，张遂安（2005）研究了煤对甲烷气体吸附解吸机理的可逆性[5]；吴迪（2012）采用Langmuir吸附模型对块状煤岩解吸曲线进行了拟合[6]，研究了甲烷解吸特征；马东民（2011）提出适用于了煤岩等温解吸曲线的拟合方法[7]，研究了温度对解吸的影响。总体来看，以上研究从不同的侧面研究了煤层气的解吸滞后现象，但对于其定量表征研究较少，而且多侧重于实验研究，对解吸滞后现象对煤层气开发实践产生的影响研究较少。通过室内实验和理论推理，提出了高煤阶储层煤层气解吸滞后现象定量表征参数，并分析了其主要影响因素，最后在此基础上分析了煤层气解吸滞后对高效开发的影响。

1 解吸滞后现象定量表征

1.1 解吸滞后概念

解吸滞后及解吸滞后系数理论模型如图1。由图1可知，煤层气解吸滞后现象是指甲烷气体在煤岩中解吸曲线与吸附曲线不完全重合的现象，即相同压力条件下，解吸过程中的吸附气量高于吸附过程中的吸附气量，且当压力降至0时，仍然有一部分气量不能解吸出来，表明解吸过程慢于吸附过程，因此称为解吸滞后。解吸滞后现象表明，甲烷在煤岩中的吸附过程不完全可逆。

图1 解吸滞后及解吸滞后系数理论模型

1.2 残余吸附气量

甲烷气体在煤岩中吸附的等温吸附曲线常用Langmuir吸附模型来拟合，Langmuir吸附模型表达方程如下所示[8]：

式中：Vad为吸附过程吸附量，mL/g；a为煤岩最大吸附量，mL/g；b为常数，受煤岩吸附解吸速度的影响；p 为压力，MPa。

基于Langmuir等温吸附模型，考虑解吸过程中，压力降至0 MPa时，仍有部分吸附气量不能完全解吸出来，引进残余吸附气量c，得到煤层气等温解吸曲线模型[9]：

式中：Vde为解吸过程吸附量，mL/g；c为残余吸附气量，mL/g。

1.3 解吸滞后系数

甲烷在煤岩中解吸滞后程度用解吸滞后系数表征，解吸滞后系数通过部分可逆面积与完全不可逆面积的比值来定量计算。由图1可知，部分可逆面积为部分可逆曲线（解吸曲线）与完全可逆曲线（吸附曲线）之间的面积；完全不可逆面积为完全不可逆曲线与完全可逆曲线之间的面积。解吸滞后系数用下式计算：

式中：I为解吸滞后系数，无量纲量；Ade为解吸曲线与纵、横坐标轴围成的面积，cm2；Aad为吸附曲线与横坐标轴围成的面积，cm2；A为完全不可逆曲线与纵、横坐标轴围成的面积，cm2。

2 实验准备

2.1 实验样品

选取沁水盆地南部高煤阶煤岩，加工制作为长度50 mm，直径25 mm的煤岩岩柱，选取无明显裂缝、外观完整的煤岩样品4块。

2.2 实验过程及结果

利用气体渗透率测定仪和气体孔隙度测定仪测定4块煤样渗透率和孔隙度，实验煤样基本物性参数见表 1，渗透率分布在 0.01×10-15～0.15×10-15m2之间，孔隙度分布在 3.1%～7.5%之间，属于低孔低渗储层；然后在4块煤样中分别截取一段，参照 SY/T 5346—2005《岩石毛管压力曲线的测定》开展压汞试验，测定煤岩孔隙结构分部特征[10]；将剩余煤样粉碎为煤粒，遵照GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》测定煤样镜质体反射率，镜质体反射率R0分布在2.57%～2.85%之间，属于高阶煤储层；遵照 GB/T 19587—2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》测定煤样比表面。然后测定各个煤岩样品的等温吸附和解吸曲线，实验过程执行GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附实验方法》，测得4块煤岩样品的吸附解吸曲线如图2。

表1 实验煤样基本物性参数

由表1和图2表明，在相同压力情况下，煤样甲烷吸附量随渗透率、孔隙度降低而逐渐增大，这是由于孔隙度、渗透率越低，煤岩平均孔隙半径越低，BET比表面积越大，因而吸附能力越强。如煤样1的吸附量远大于煤样2、煤样3、煤样4，其BET比表面积为7.8 m2/g，远大于另外3块煤样。图2表明，4块煤样解吸曲线与吸附曲线不完全重合，存在解吸滞后现象且解吸滞后程度存在差异。

图2 实验煤岩甲烷吸附解吸曲线

3 分析与探讨

利用origin2018软件，根据式（1）、式（2）分别对实验获得的甲烷吸附数据和解吸数据进行拟合，得到相应的拟合参数；根据式（3）分别计算了4块煤样的解吸滞后系数I，实验煤岩吸附解吸曲线拟合结果见表2。

表2 实验煤岩吸附解吸曲线拟合结果

3.1 残余吸附气量

表2表明，通过引进残余吸附气量c这个参数，可以将Langmuir吸附模型改造为适用于煤层气储层的解吸模型，即式（2）。表1、表2共同表明，煤样残余吸附气量受储层物性特征影响，孔隙度、渗透率越低、孔隙半径越小，残余吸附气量越大。

煤样物性特征对残余吸附气量的影响如图3。由图3可知，煤样渗透率越高，残余吸附气量越低，这表明物性越好的区域，煤层气的采收率越高；煤样平均孔隙半径越小，残余吸附气量越低，二者成负对数关系，这主要是孔隙吸附甲烷分子后，孔隙半径减小，如果储层孔隙半径越小，甲烷吸附导致其孔隙半径减小程度越大，越不利于甲烷解吸；煤样比表面积越大，残余吸附气量越高，比表面积大，煤岩吸附能力强，因此残余气量也高。

3.2 解吸滞后系数

图3 煤样物性特征对残余吸附气量的影响

煤样物性特征对解吸滞后系数的影响如图4。图4表明，煤样解吸滞后系数随渗透率增加而降低，表明储层物性越好，解吸滞后程度越低，越利于煤层气产出；煤样平均孔隙半径越小，解吸滞后系数越大，主要是因为孔隙半径越小，煤岩比表面积越大，煤岩吸附能力越强，解吸能力越弱。

4 解吸滞后对煤层气开发的影响

4.1 对解吸压力预测的影响

在煤层气开发实践中，往往根据等温吸附曲线进行解吸压力与含气量之间的换算，如煤样1实测含气量为21 m3/t，采用等温吸附曲线推算的解吸压力为0.67 MPa，而用等温解吸曲线推算的解吸压力应为0.30 MPa，因此，解吸滞后现象导致煤储层实际解吸压力降低，需要用等温解吸曲线来推算实际的解吸压力。

反之，由于不同煤样间等温解吸曲线存在巨大的差异，因此即使解吸压力相同，含气量也不会相同，例如，煤样2实测含气量低于煤样1，仅为18 m3/t，但其解吸压力却高达2.57 MPa，远远高于煤样1的解吸压力。因此，单纯根据某口井解吸压力高低并不能判断其含气量高低，因此，现场中存在某些井，解吸压力很高，但不能形成工业气流。

图4 煤样物性特征对解吸滞后系数的影响

4.2 对采出程度的影响

由于解吸滞后导致残余吸附气量形成，且表2表明，解吸滞后系数越大，残余吸附气量越高，因此，解吸滞后大大降低了煤层气的采出程度。以煤样1为例，实测含气量为21 m3/t，而残余吸附气量却高达15.6 m3/t，解吸滞后导致煤样最终采收率仅为25.7%；而煤样4实测含气量为8 m3/t，残余吸附气量为2.3 m3/t，最终采收率却高达71.3%。这表明，低孔、低渗储层解吸滞后程度严重，最终采收率远远低于渗透率较高的储层。

4.3 对解吸效率的影响

作煤样1等温吸附曲线和等温解吸曲线的一阶导数，分别得到2个解吸效率曲线（图5）。

图5表明，在平衡压力高于2 MPa时，2条曲线基本重合，表明解吸效率基本相当；而当平衡压力低于2 MPa时，等温吸附曲线计算得到的解吸效率明显高于等温解吸曲线计算结果，二者差值就是解吸滞后现象对甲烷解吸效率的影响程度，因此解吸滞后会大幅降低甲烷的解吸效率。

图5 煤样1解吸与吸附曲线解吸效率对比

5 结论

1）高煤阶煤样解吸曲线与吸附曲线不完全重合，存在解吸滞后现象且解吸滞后程度存在差异。利用残余吸附气量c概念改造后的Langmuir吸附模型适用于高煤阶煤储层等温解吸数据的拟合。

2）残余吸附气量和解吸滞后系数能够定量表征煤层气解吸滞后程度。煤样残余吸附气量和解吸滞后系数受储层物性特征影响，渗透率越低，孔隙半径越小，比表面积越大，残余吸附气量和解吸滞后系数越大。

3）解吸滞后现象导致煤储层实际解吸压力降低，需要用等温解吸曲线来推算实际的解吸压力；由于不同煤样间等温解吸曲线存在巨大的差异，单纯根据某口井解吸压力高低并不能判断其含气量高低。同时解吸滞后系数越大，残余吸附气量越高，解吸滞后大大降低了煤层气的采出程度和解吸效率。