煤层气的赋存状态及其影响因素

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1、焦作工学院学报,第18卷,第3期,1999年5月JournalofJiaozuoInstituteofTechnology,Vol118,No13,May19993煤层气的赋存状态及其影响因素苏现波　刘保民(焦作工学院化石燃料研究所　焦作454000)摘要　煤储层内的煤层气与常规天然气的赋存状态截然不同,基本上可划分为溶解态、游离态、吸附态,近期Collins指出类液态相的存在.在简要介绍了溶解态和游离态煤层气赋存规律之后,主要对吸附态煤层气及吸附等温线进行详细论述,同时对煤的吸附能力的控制因素进行了系统探讨.关键词　煤层气　赋存状态　吸附等温线中图法分类号　TD712120　

2、引　言煤储层对煤层气的容纳能力远远超过其自身孔隙体积,所以煤层气必定以不同于天然气的状态赋存.目前关于煤层气赋存状态比较一致的认识是:它以吸附态、游离态和溶解态的三种形式储集在煤的孔隙中,以吸附态为主,占80%以上.但是,长期以来对吸附态煤层气的状态方程认识存在严重[1,2]分歧,随研究程度的深入不断有新的理论问世.本文旨在全面系统地阐述煤层气的各种赋存状态及其影响因素.1　溶解态煤层气储层多是饱含水的,在一定条件下必定有一部分煤层气要溶解于其中,其溶解度可用亨利定律描述:pb=KcCB(1)3式中:pb———溶质在液体上方的蒸汽平衡压力,Pa;CB———气体在水中的溶解度,m

3、ol/m;Kc———亨利常数.2　游离态煤的孔或裂隙中有一部分自由气体称游离态气体,这种赋存状态符合气体的状态方程.对于象煤层气这样的真实气体可用范德华方程描述:2MaMMp+2·V-b=RT(2)μV2μμ式中:a、b———常数,可由实验求得;-1μ———摩尔质量,kg·mol;p———压力,Pa;T———绝对温度,K;M———气体质量,kg;R———摩尔气体常数.收稿日期:1998O10O06第一作者:苏现波,男,1963年生,副教授.3　国家自然科学基金资助项目,编号:49702027.　　　　　　　　　　　　　　　　　　焦　作　工　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　

4、1581999年第18卷3　吸附态煤层中煤层气的含量远远超过其自身孔隙的容积,用溶解态和吸附态难以解释这一现象,因此必定存在其它赋存状态,即吸附态.311　吸附等温线吸附态煤层气可用吸附状态方程来表达,但最直观的是吸附等温线,即状态方程的图示形式.吸附等温线在煤层气勘探开发中的应用主要表现在以下4个方面:(1)评价煤对气体的最大吸附能力;(2)预测生产过程中储层压力降低时释放出气体的最大值;(3)确定临界解吸压力;(4)确定气饱和度.312　吸附等温线的数学表达式如何用数学方法表达吸附等温线,是表面物理化学的一个重要研究领域.长期以来,众多的研究者试图从3个方面解决这一难题:动

5、力学理论、热力学理论和位能理论.31211　单分子吸附理论———Langmuir方程动力学理论中最早、迄今仍在广泛应用的是Langmuir理论.该理论认为被吸附气体和吸附剂之间的平衡是动态的,其表达式为VmbpV=(3)(1+bp)式中:p———压力,Pa;3Vm———单分子层体积,cm;3V—*吸附体积,cm;b———常数.把(3)式改写成线性形式:p1p=+(4)VVmbVm以p/V对p作图得一直线,由该直线的斜率和截距便可求取Vm和b.该方程描述的是Ⅰ型吸附等温线,它是目前广泛应用于煤层气吸附的状态方程,其更为简单的表达式为VLpV=(5)pL+p3式中:V———吸附量,

6、cm;pL———Langmuir压力,Pa;p———压力,Pa;3VL———Langmuir体积,cm.31212　多分子层吸附理论———B1E1T方程动力学理论的另一分支是多分子层吸附理论,是Langmuir单分子层吸附理论的扩展,该理论将Langmuir对单分子层假定的动态平衡状态,用于各不连续的分子层.另外假设第一层中的吸附是靠固体分子与气体分子间的范德华力,而第二层以外的吸附是靠气体分子间的范德华力.吸附是多分子层的,每一层都是不连续的.这种吸附称B1E1T吸附,由B1E1T方程描述.Vcx=(6)Vm(1-x)[1+(c-1)x]式中:x=p/p0;p———蒸汽压力,

7、Pa;p0———饱和蒸汽压力,Pa;c———与气体吸附热和凝结有关的常数.将(6)式改写为x1(c-1)x=+(7)V(1-x)cVmcVm以x/V(1-x)对x作图由斜率和截距可求出Vm和c.31213　位能理论对多层吸附而言,位能理论认为固体吸附剂表面存在一个位能场.吸附质分子在这一场中越接近第3期　　　　　　　　　　　　苏现波等:煤层气的赋存状态及其影响因素　　　　　　　　　　　　　　　159固体表面密度就越大,越向外越小.如果认为固体与气体分子间的力为色散力,则位能理论称为色散模型;