煤層氣升溫解吸特征分析與應用

馬東民 藺亞兵 張遂安

(1.西安科技大學地質與環境學院,陜西 710054;2.中國石油大學 (北京)氣體能源開發與利用教育部工程研究中心煤層氣研究中心,北京 102249)

大量研究成果表明,溫度與吸附量呈負相關,與解吸量呈正相關。由此在業界提出了升溫解吸的概念。在煤層氣排采中,隨著排采時間的延續和排采強度的加大,井底溫度明顯降低,同時儲層還面臨滲透率降低的問題,嚴重阻礙了煤層氣解吸的持續進行。為了探討升溫解吸效果,本文以AST-2000型煤層氣吸附/解吸大樣量仿真實驗裝置為依托,設計了高中低三種煤級的變溫吸附/解吸實驗,結合現有的應力滲透率、氣-水相對滲透率、多相介質力學實驗以及煤基質自調節作用等的物理模擬與數值模擬研究成果,對升溫解吸機理進行分析。

1 實驗方法

吸附/解吸實驗按照 G B/T19560-2004《煤的高壓容量法等溫吸附實驗方法》、采用AST-2000型吸附/解吸仿真實驗儀進行。當前煤層氣試井結果表明,煤儲層溫度主要集中在19～28℃,因此實驗設計溫度為15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

1.1 采樣與實驗樣品制備

煤樣分別采自煤層氣勘探較為活躍地區的山西柳林寨崖底9#(JM)、晉城寺河3#(WY),按照全層樣的采樣原則實施。室內經過破碎、粉碎、篩分過程將原煤樣制成符合G B/T19560-2004要求的60～80目的空氣干燥基煤樣。

1.2 平衡水實驗

60～80目的空氣干燥基煤樣平衡水分處理參考ASTM(美國試驗材料學會American Society for Testing Material)的標準執行。經過稱樣、浸水、抽濾、濕度平衡等步驟,最后計算平衡水分含量。

實驗樣品的平衡水分含量為1.32%(JM)和1.89%(WY)。

1.3 吸附/解吸實驗

不同壓力下溫度變化實驗難以控制并且無規律性,由此實驗設計了不同溫度的等溫吸附/解吸實驗。因此設計實驗過程為：等溫升壓-平衡-升壓過程的吸附實驗與同溫的降壓-平衡-降壓解吸實驗,在另一溫度點的吸附-解吸過程,重復過程。最后,根據系統數據采集進行不同平衡壓力下吸附/解吸過程含氣量的計算。

1.4 實驗的準確性

實驗皆為一式三份相同樣品的平行實驗,結果表明JM與WY吸附解吸實驗皆具有一致性與數據再現性,對吸附/解吸結果數據分別進行P-P/V關系分析,P-P/V皆呈直線相關 (誤差皆小于0.014,擬合度皆大于0.996)。實驗結果具有重復再現性與準確性。實驗分析選用JM與WY的實驗結果。

2 實驗結果與數學擬合

2.1 實驗結果

實驗樣品的吸附/解吸實驗數據處與處理結果(散點所示)如圖1、圖2所示。

圖1 寺河吸附/解吸實驗數據擬合

圖2 寨崖底吸附實驗數據擬合

2.2 數學擬合

甲烷的解吸滯后于吸附,不完全是升壓吸附的逆過程。用Langmuir方程來準確擬合時誤差大,擬合度不高。而采用V=a·bp/(1+bp)+c來擬合收到良好的效果,將其命名為煤層氣解吸方程。

式中 V——煤層氣解吸到p壓力下的煤層氣殘余吸附量,ml/g;

a——煤樣最大吸附容量,ml/g;

b——吸附速度、解吸速度與吸附熱綜合函數,MPa-1;

c——匱乏壓力下的殘余吸附量,ml/g。擬合曲線見圖1、圖2。擬合參數見表1。

表1 實驗數據的數學擬合參數

3 升溫與解吸作用的綜合分析

從圖1和圖2表明,各溫度點在同壓力下解吸過程的含氣量皆大于吸附過程的含氣量,說明甲烷的解吸均滯后于吸附。解吸作用均存在匱乏壓力點,也是解吸滯后的再現。隨著溫度的增高不同煤階吸附等溫線和擬合函數趨勢一致,但參數有變化。

3.1 溫度與含氣量的關系

從表1的擬合參數,可以看出寺河礦無煙煤的在各溫度點的飽和吸附量明顯大于柳林焦煤。同一煤種隨著實驗溫度的增高吸附量有明顯減少的趨勢,其中15℃和40℃,寺河無煙煤的飽和吸附量相差9m3/t之多,而寨崖底焦煤相差5m3/t。

3.2 溫度與吸附/解吸的關系

吸附和解吸是一個動態平衡過程。隨著溫度的增高,吸附相甲烷分子的能量水平增大,吸附相的甲烷分子獲得足夠的能量克服物理吸附力返回氣相(游離態)中。這也是升溫解吸的理論來源,升高溫度有利于平衡向解吸方向推進,實驗結果也證明了這一點。

很長一段時間,人們都是用吸附曲線來描述解吸過程。但是從圖1和圖2,我們明顯可以看出,解吸滯后于吸附,這與煤基和吸附劑的物理特性有關。作者認為解吸滯后的原因除了與毛細凝結現象有關外,解吸過程的熱變化是影響吸附滯后現象的關鍵因素。國內放置溫壓傳感器的幾口煤層氣井在產氣量超過2000m3之后排水溫度明顯降低,也證明了這一點。

吸附熱計算結果表明：吸附過程是放熱反應,線性方程截距為正值,阻礙著吸附行為;解吸過程是吸熱反應,線性方程截距為負值,解吸過程的吸熱也同樣阻礙著解吸作用的持續進行。然而,實際煤儲層對甲烷的吸附過程經歷了一個漫長的成煤地質時期,煤層氣實際排采中為了短期得到收益,排采年限最長的也就20年。因此煤層氣實際排采中不得不考慮溫度影響因素。

3.3 溫度與采收率的關系

煤層氣排采過程,首先是降壓解吸的持續進行,我們選擇煤層氣解吸來描述。由表1可以看出,隨著溫度的升高匱乏壓力下的殘余吸附量c值呈減小趨勢,證明溫度和解吸率呈正相關關系。儲層實際含氣量要小于飽和吸附量,為了直觀的展現溫度和采收率的關系,假定寺河 (WY)和寨崖底(JM)實際煤層氣含氣量在15℃時分別對應的飽和吸附量為29.18m3/t和13.56m3/t,利用煤層氣解吸式計算出在0.5MPa和0.7MPa廢棄壓力下不同溫度下的理論解吸率和同一個溫度點解吸曲線對應的理論解吸率 (如表2)。

可以看出寺河不同溫度點的采收率和解吸率均大于寨崖底,高煤級儲層大于低煤級儲層的采收率這一點在實際部分生產中也得到了證明。在不同廢棄壓力下,隨著溫度增高不同煤級的解吸率均大幅增長,20℃和40℃相差近10%,寺河 (WY)和寨崖底 (JM)產量分別提高近2.9m3/t和1.4m3/t。同時可以看出,寺河無煙煤的理論解吸率要比寨崖底焦煤的變化趨勢明顯,寺河20℃和40℃相差近10%,而寨崖底只有不到5%。由此我們可以看出,升高溫度有助于提高采收率和解吸率,高煤級煤儲層對溫度敏感性要比低煤級煤儲層的明顯。

表2 不同溫度采收率和解吸率列表

3.4 溫度與解吸速率的關系

表1可以看出,吸附過程中隨著b值 (即吸附速率系數)隨著溫度的增高而減小,說明吸附過程中溫度升高解吸速率加快,有利于平衡向解吸過程移動。解吸曲線中寺河無煙煤的b值與吸附過程中的趨勢相似,但寨崖底焦煤的b值變化范圍無規律性,這可能與煤樣的物理化學特性有關。由圖1、圖2可以看出在低壓階段 (1.5MP以下),溫度越高,解吸曲線的斜率越大,說明升高溫度有利于加快解吸速率。

3.5 溫度與壓力對解吸的敏感性分析

為了對溫度與壓力進行解吸作用的敏感性進行對比,利用煤層氣解吸式對解吸原始數據進行了處理,表3為相同含氣量時不同溫度所對應的壓力。

由表3可以看出,不同階段主導影響因素不同,在高壓階段溫度控制明顯,在低壓階段壓力控制明顯。可見,在中高壓階段,升高溫度比壓力降低對解吸作用的影響更敏感。在排采初期,通過調控煤儲層溫度,可以促使煤層氣解吸作用的持續進行,甚至比排水降壓更有效,兩者結合起來,能取得最大程度的產氣量的同時也能提前產期高峰。

表3 相同含氣量時不同溫度點對應的壓力列表

3.6 溫度與儲層滲透率的關系

由于高煤級煤儲層內生裂隙和顯微裂隙不發育以及其應力滲透率敏感性強,煤基質收縮能力弱,在傳統的排水降壓開發煤層氣的過程中,有效應力的負效應大于煤基質收縮的正效應,從而導致煤儲層滲透率逐漸降低,并隨著排采的進行,產能衰減,從而出現了煤層氣井產能的“瓶頸”問題。結合應力滲透率、氣-水相對滲透率、多相介質力學實驗及煤基質自調節作用等的物理模擬與數值模擬研究結果,我們認為,當溫度保持在固定值時,煤由于本身膨脹變形的影響大于氣體受熱的影響,滲透率和滲流量都將降低,這對于煤層氣的開采是不利的;在溫度梯度發生變化 (升高)時,煤層氣滲流量將發生明顯增加,有利于提高煤層氣的采出率。可見,升高溫度能夠提高儲層滲透率,在排采過程中“排水降壓”和“升溫解吸”適當結合,可有效緩解高煤級煤儲層煤層氣產能“瓶頸”問題。

4 結論

經典的“排水-降壓-解吸-采氣”理論,有力地推動了美國的煤層氣產業的形成與發展。然而,由于我國煤層氣賦存地質條件復雜以及研究思路和方法的限制,只在我國沁水盆地等進行小規模化商業生產。升溫解吸能夠有效彌補我國煤儲層低滲問題和低飽和度的問題,在中高煤階煤層氣儲層應用應該受到重視。

(1)不同煤級溫度升高時飽和吸附量有降低趨勢,隨著煤階增高飽和吸附量降低趨勢增大。升高溫度能夠促進解吸率的提高并增大解吸速率,在中高壓階段升高溫度比壓力降低對解吸作用的影響更敏感,升溫解吸能夠提前產氣高峰。

(2)吸附和解吸過程不可逆,解吸過程滯后于吸附過程。解吸滯后不光與毛細凝聚現象有關,還與解吸過程中的溫度變化效應有關。

(3)純粹降壓解吸的煤層氣的解吸率不是很高,多數在70%以下,在進行生產規劃時應充分考慮溫度效應,將升溫解吸和排水降壓有效結合可提高解吸率,促進解吸作用的持續進行,從而獲得最大產能。

(4)升溫解吸技術在實際煤層氣排采過程中的應用還不成熟,高煤級低滲和低飽和度儲層可借鑒稠油注熱開采模式,連續注熱 (蒸汽驅替)、間歇注熱 (蒸汽吞吐),提高壓裂液溫度等,以提高儲層溫度,促進煤層氣持續解吸,以獲得工業氣流。

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