煤层气储层的数值模型及初步应用(4)

实际的裂隙-孔隙双重孔隙介质中裂隙分布往往是复杂、无规律的，如图2 (a)所示，要研究流体在其中的渗流规律存在着相当大的困难。为了研究流体在双重孔隙介质中的流动，人们相继提出了一些简化的物理模型[28,29,30]，如Warren-Root模型、Kazemi模型和

De Swaan模型(图2 (b)、(e)、(d))。通常使用的是Warren-Root模型。

图2 双重孔隙介质的实际和简化模型

比照Warren一Root模型，概化出煤的裂隙一孔隙双重孔隙结构模型。 文献？作者？

图3 煤的裂隙-孔隙结构模型（文中要指出）

1.3.3煤层气的储集

介绍了煤层气储层的数值模型及初步应用,可供研究煤层气开发的科研人员参考。

煤层气以吸附态、自由态和溶解态三种形式储集于煤储层中。以吸附态为主，约占70%一95%。从煤的双重孔隙结构特点来说，吸附态煤层气储集于煤基质的微小孔隙中，自由态和溶解态煤层气储集于煤的裂隙中。

1.3.3.1溶解气的储集机理

在一定压力下煤层气会储集于裂隙中的水中。其溶解度可以用亨利定律来描述:

p KC（文中的公式都没有编码？？？）

其中p是气体在液体上方的蒸汽平衡分压，C是气体在液体中的溶解度，K是亨利系数，上式说明，在一定温度条件下，气体在液体中的溶解度与压力成正比。

图4 甲烷在水中的溶解度曲线

取决于气体的成分和温度。

1.3.3.2自由气的储集机理

在裂隙中，与水混相共存着自由状态的煤层气，在等温条件下可按真实气体状态方程来描述：

pV ZnRT

其中p是气体压力，V是气体体积，n是气体摩尔数，R是气体常数，T是温度，Z是压缩因子，定义为在给定温度、压力条件下，真实气体所占体积与相同条件下理想气体所占体积之比。

也可以用压缩系数来表示气体体积随压力的变化率，即通过对上式进行微分：

C

1dV1dZ

Z

Vdppdp

对于理想气体，Z 1，对于真实气体，Z是压力和温度的函数，可根据等温的Z P

图来求得C值。

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1.3.3.3吸附气的储集机理

气体附着在固体表面上的现象称为吸附。吸附作用之所以发生，是因为气体与固体表面

[32,33]

接触时，彼此之间没有达到热力学平衡。

在煤中微孔隙内表面上的固体分子，同时受到固体内部分子和外部空间煤层气气体分子的吸引。由于前者对它的吸引力大于后者对它的吸引力，没有饱和，产生使固体表面层分子受到向内的拉力，因而在表面上形成吸附场，具有吸附周围空间更多的气体分子、形成“类液相”吸附层的趋势，以达到热力学平衡状态。

煤固体分子吸附煤层气气体分子的作用力是范德华引力，即分子间引力。煤对煤层气的吸附属于物理吸附。

前面已经提到，煤基质块中含有大量微孔隙，比表面积与孔容的比率很大，因而具有很强的吸附能力。煤的吸附作用开始很快，越往后越慢。由于是表面作用，被吸附的煤层气分子容易从煤内表面上解吸下来变成游离相。当吸附速度与解吸速度相等时，即达到吸附平衡。

煤对气体的吸附量是温度和压力的函数，即V f(P,T)，用单位质量煤吸附的气体体积来表示。一般上在恒温条件下，测定不同压力下煤对气体的吸附量，所得曲线称为吸附等温线 (isothermas)。

兰米尔模型(Langmuir，1918)是用于描述煤对气体吸附等温线最广泛的模型，它是根据汽化和凝聚的动力学平衡原理建立起来的单分子层吸附模型[34]。其方程表达式为：

Ve

VLPgPL Pg

其中Ve是基质块表面与自由气体处于平衡状态的吸附气体含量。VL是Langmuir压力，

PL是Langmuir压力，Pg是自由气体压力。

VL表征煤具有的最大吸附能力。PL反映煤内表面对气体的吸附能力，当Pg等于兰米尔

压力时，煤的吸附量等于兰米尔体积的二分之一。VL和PL的大小决定于煤的性质，由等温吸附试验结果求得。兰米尔吸附等温线形式如图5。由兰米尔方程可知，随着压力增加，煤中煤层气吸附量增大。

图5 煤的等温吸附曲线

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Brunauer (1945) 认为，吸附等温线并非都是兰米尔型的，有五种主要类型兰米尔型仅相当于其中的类型I。

图6 BET等温吸附曲线的五种主要类型

[33]

，如图6，

此外，煤的等温吸附量除了和温度、压力有关外，还受煤本身性质影响：首先是煤级影响，其次受煤中矿物和显微组分组影响。这两个因素会影响煤的分子结构、孔隙结构，引起煤的比表面积、平衡水分和内表面物理化学活性的差异[35,36]。

按照现行的分析测试方法，煤层气含量由损失气、解吸气和残余气含量三部分组成。损失气包含由于受各种地质因素的影响，逸散到大气中的煤层气，以及在开采过程中泄漏未能收集的煤层气。 残余气则指在吸附在煤层中无法开采或难以开采的残余煤层气。只有解吸气才是可以利用，可供采集的部分。

1.3.4 煤层气的产出机理

为什么1.3.4.4和这个标题一样！ 1.3.4.1 煤层气的解吸机理

由于煤对气体的吸附具有可逆性，即意味着其中存在一个吸附与解吸作用的平衡。大体上来说，自由气体的等温解吸曲线与其等温吸附曲线是相同的，符合兰米尔等温吸附模型。因此，可以根据煤的兰米尔等温吸附曲线来描述煤层气的解吸过程，从而预测煤储层在生产过程中随着压力下降解吸出的煤层气量。 煤层气开始解吸的压力，称为临界解吸压力，描述如图7。图中，曲线的上半部分为解吸区，下半部分则不解吸。当煤储层的含气性达到饱和，初始储层压力下的煤层气含量点落在曲线上时，只要压力一降低，煤层气就开始解吸。如果煤储层含气性未达到饱和程度，即初始储层压力下的煤层气含量点位于曲线下方，即使压力降低，煤层气也不会马上解吸，只有当储层压力下降，该点左移至曲线后，才一会有煤层气解吸。该压力称为临界解吸压力。

图7 煤层气的解吸曲线与临界压力

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1.3.4.2 煤层气的扩散机理

由于煤基质块中孔隙的孔径很小，渗透率极低，煤层气在其中的达西渗流非常微弱，可以忽略不计，所以一般认为煤层气在煤基质块孔隙中运移，质量传递的主要方式是扩散作用[37,38,39]

。 煤层气通过煤基质微孔隙系统的扩散，可以按非稳态扩散和拟稳态扩散两种模式进行处理。拟稳态扩散遵从Fick第一定律，非稳态扩散遵从Fick第二定律。

1.3.4.2.1 非稳态扩散

在非稳态扩散模式中，认为煤基质块内煤层气浓度从中心到边缘是变化的，并且中心的浓度变化率为零；基质块边缘浓度就是煤储层压力控制的等温吸附浓度，随着煤层气开采过程中煤储层压力的变化，煤基质块的浓度也发生变化。按Fick第二定律，采用下面偏微分方程描述煤基质块内煤层气的扩散过程：

C t

D

C x

22

其中C为浓度，x为距离，t为事件，D为扩散系数。该模型能较客观地表示煤基质块中煤层气浓度的时空变化，反映煤层气的扩散过程。但是求解方法复杂，计算工作量大。

1.3.4.2.2 拟稳态扩散

考虑拟稳态扩散情况，即假设煤基质块内的煤层气在扩散过程中每一个时间段都有 …… 此处隐藏：2709字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……