許詩婧，袁肖肖

（1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.大港油田采油工藝研究院油田化學(xué)所，天津 300280）

解吸滯后現(xiàn)象對煤層氣開發(fā)具有重要影響[1-2]，但目前研究和現(xiàn)場應(yīng)用較少，謝勇強(qiáng)（2006）開展了低階煤煤層氣解吸滯后現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究[3]，馬東民（2008）研究了煤層氣解吸特征[4]，張遂安（2005）研究了煤對甲烷氣體吸附解吸機(jī)理的可逆性[5]；吳迪（2012）采用Langmuir吸附模型對塊狀煤巖解吸曲線進(jìn)行了擬合[6]，研究了甲烷解吸特征；馬東民（2011）提出適用于了煤巖等溫解吸曲線的擬合方法[7]，研究了溫度對解吸的影響。總體來看，以上研究從不同的側(cè)面研究了煤層氣的解吸滯后現(xiàn)象，但對于其定量表征研究較少，而且多側(cè)重于實(shí)驗(yàn)研究，對解吸滯后現(xiàn)象對煤層氣開發(fā)實(shí)踐產(chǎn)生的影響研究較少。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論推理，提出了高煤階儲層煤層氣解吸滯后現(xiàn)象定量表征參數(shù)，并分析了其主要影響因素，最后在此基礎(chǔ)上分析了煤層氣解吸滯后對高效開發(fā)的影響。

1 解吸滯后現(xiàn)象定量表征

1.1 解吸滯后概念

解吸滯后及解吸滯后系數(shù)理論模型如圖1。由圖1可知，煤層氣解吸滯后現(xiàn)象是指甲烷氣體在煤巖中解吸曲線與吸附曲線不完全重合的現(xiàn)象，即相同壓力條件下，解吸過程中的吸附氣量高于吸附過程中的吸附氣量，且當(dāng)壓力降至0時(shí)，仍然有一部分氣量不能解吸出來，表明解吸過程慢于吸附過程，因此稱為解吸滯后。解吸滯后現(xiàn)象表明，甲烷在煤巖中的吸附過程不完全可逆。

圖1 解吸滯后及解吸滯后系數(shù)理論模型

1.2 殘余吸附氣量

甲烷氣體在煤巖中吸附的等溫吸附曲線常用Langmuir吸附模型來擬合，Langmuir吸附模型表達(dá)方程如下所示[8]：

式中：Vad為吸附過程吸附量，mL/g；a為煤巖最大吸附量，mL/g；b為常數(shù)，受煤巖吸附解吸速度的影響；p 為壓力，MPa。

基于Langmuir等溫吸附模型，考慮解吸過程中，壓力降至0 MPa時(shí)，仍有部分吸附氣量不能完全解吸出來，引進(jìn)殘余吸附氣量c，得到煤層氣等溫解吸曲線模型[9]：

式中：Vde為解吸過程吸附量，mL/g；c為殘余吸附氣量，mL/g。

1.3 解吸滯后系數(shù)

甲烷在煤巖中解吸滯后程度用解吸滯后系數(shù)表征，解吸滯后系數(shù)通過部分可逆面積與完全不可逆面積的比值來定量計(jì)算。由圖1可知，部分可逆面積為部分可逆曲線（解吸曲線）與完全可逆曲線（吸附曲線）之間的面積；完全不可逆面積為完全不可逆曲線與完全可逆曲線之間的面積。解吸滯后系數(shù)用下式計(jì)算：

式中：I為解吸滯后系數(shù)，無量綱量；Ade為解吸曲線與縱、橫坐標(biāo)軸圍成的面積，cm2；Aad為吸附曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積，cm2；A為完全不可逆曲線與縱、橫坐標(biāo)軸圍成的面積，cm2。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選取沁水盆地南部高煤階煤巖，加工制作為長度50 mm，直徑25 mm的煤巖巖柱，選取無明顯裂縫、外觀完整的煤巖樣品4塊。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

利用氣體滲透率測定儀和氣體孔隙度測定儀測定4塊煤樣滲透率和孔隙度，實(shí)驗(yàn)煤樣基本物性參數(shù)見表 1，滲透率分布在 0.01×10-15～0.15×10-15m2之間，孔隙度分布在 3.1%～7.5%之間，屬于低孔低滲儲層；然后在4塊煤樣中分別截取一段，參照 SY/T 5346—2005《巖石毛管壓力曲線的測定》開展壓汞試驗(yàn)，測定煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分部特征[10]；將剩余煤樣粉碎為煤粒，遵照GB/T 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》測定煤樣鏡質(zhì)體反射率，鏡質(zhì)體反射率R0分布在2.57%～2.85%之間，屬于高階煤儲層；遵照 GB/T 19587—2004《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》測定煤樣比表面。然后測定各個(gè)煤巖樣品的等溫吸附和解吸曲線，實(shí)驗(yàn)過程執(zhí)行GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法》，測得4塊煤巖樣品的吸附解吸曲線如圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣基本物性參數(shù)

由表1和圖2表明，在相同壓力情況下，煤樣甲烷吸附量隨滲透率、孔隙度降低而逐漸增大，這是由于孔隙度、滲透率越低，煤巖平均孔隙半徑越低，BET比表面積越大，因而吸附能力越強(qiáng)。如煤樣1的吸附量遠(yuǎn)大于煤樣2、煤樣3、煤樣4，其BET比表面積為7.8 m2/g，遠(yuǎn)大于另外3塊煤樣。圖2表明，4塊煤樣解吸曲線與吸附曲線不完全重合，存在解吸滯后現(xiàn)象且解吸滯后程度存在差異。

圖2 實(shí)驗(yàn)煤巖甲烷吸附解吸曲線

3 分析與探討

利用origin2018軟件，根據(jù)式（1）、式（2）分別對實(shí)驗(yàn)獲得的甲烷吸附數(shù)據(jù)和解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的擬合參數(shù)；根據(jù)式（3）分別計(jì)算了4塊煤樣的解吸滯后系數(shù)I，實(shí)驗(yàn)煤巖吸附解吸曲線擬合結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)煤巖吸附解吸曲線擬合結(jié)果

3.1 殘余吸附氣量

表2表明，通過引進(jìn)殘余吸附氣量c這個(gè)參數(shù)，可以將Langmuir吸附模型改造為適用于煤層氣儲層的解吸模型，即式（2）。表1、表2共同表明，煤樣殘余吸附氣量受儲層物性特征影響，孔隙度、滲透率越低、孔隙半徑越小，殘余吸附氣量越大。

煤樣物性特征對殘余吸附氣量的影響如圖3。由圖3可知，煤樣滲透率越高，殘余吸附氣量越低，這表明物性越好的區(qū)域，煤層氣的采收率越高；煤樣平均孔隙半徑越小，殘余吸附氣量越低，二者成負(fù)對數(shù)關(guān)系，這主要是孔隙吸附甲烷分子后，孔隙半徑減小，如果儲層孔隙半徑越小，甲烷吸附導(dǎo)致其孔隙半徑減小程度越大，越不利于甲烷解吸；煤樣比表面積越大，殘余吸附氣量越高，比表面積大，煤巖吸附能力強(qiáng)，因此殘余氣量也高。

3.2 解吸滯后系數(shù)

圖3 煤樣物性特征對殘余吸附氣量的影響

煤樣物性特征對解吸滯后系數(shù)的影響如圖4。圖4表明，煤樣解吸滯后系數(shù)隨滲透率增加而降低，表明儲層物性越好，解吸滯后程度越低，越利于煤層氣產(chǎn)出；煤樣平均孔隙半徑越小，解吸滯后系數(shù)越大，主要是因?yàn)榭紫栋霃皆叫?，煤巖比表面積越大，煤巖吸附能力越強(qiáng)，解吸能力越弱。

4 解吸滯后對煤層氣開發(fā)的影響

4.1 對解吸壓力預(yù)測的影響

在煤層氣開發(fā)實(shí)踐中，往往根據(jù)等溫吸附曲線進(jìn)行解吸壓力與含氣量之間的換算，如煤樣1實(shí)測含氣量為21 m3/t，采用等溫吸附曲線推算的解吸壓力為0.67 MPa，而用等溫解吸曲線推算的解吸壓力應(yīng)為0.30 MPa，因此，解吸滯后現(xiàn)象導(dǎo)致煤儲層實(shí)際解吸壓力降低，需要用等溫解吸曲線來推算實(shí)際的解吸壓力。

反之，由于不同煤樣間等溫解吸曲線存在巨大的差異，因此即使解吸壓力相同，含氣量也不會相同，例如，煤樣2實(shí)測含氣量低于煤樣1，僅為18 m3/t，但其解吸壓力卻高達(dá)2.57 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤樣1的解吸壓力。因此，單純根據(jù)某口井解吸壓力高低并不能判斷其含氣量高低，因此，現(xiàn)場中存在某些井，解吸壓力很高，但不能形成工業(yè)氣流。

圖4 煤樣物性特征對解吸滯后系數(shù)的影響

4.2 對采出程度的影響

由于解吸滯后導(dǎo)致殘余吸附氣量形成，且表2表明，解吸滯后系數(shù)越大，殘余吸附氣量越高，因此，解吸滯后大大降低了煤層氣的采出程度。以煤樣1為例，實(shí)測含氣量為21 m3/t，而殘余吸附氣量卻高達(dá)15.6 m3/t，解吸滯后導(dǎo)致煤樣最終采收率僅為25.7%；而煤樣4實(shí)測含氣量為8 m3/t，殘余吸附氣量為2.3 m3/t，最終采收率卻高達(dá)71.3%。這表明，低孔、低滲儲層解吸滯后程度嚴(yán)重，最終采收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滲透率較高的儲層。

4.3 對解吸效率的影響

作煤樣1等溫吸附曲線和等溫解吸曲線的一階導(dǎo)數(shù)，分別得到2個(gè)解吸效率曲線（圖5）。

圖5表明，在平衡壓力高于2 MPa時(shí)，2條曲線基本重合，表明解吸效率基本相當(dāng)；而當(dāng)平衡壓力低于2 MPa時(shí)，等溫吸附曲線計(jì)算得到的解吸效率明顯高于等溫解吸曲線計(jì)算結(jié)果，二者差值就是解吸滯后現(xiàn)象對甲烷解吸效率的影響程度，因此解吸滯后會大幅降低甲烷的解吸效率。

圖5 煤樣1解吸與吸附曲線解吸效率對比

5 結(jié)論

1）高煤階煤樣解吸曲線與吸附曲線不完全重合，存在解吸滯后現(xiàn)象且解吸滯后程度存在差異。利用殘余吸附氣量c概念改造后的Langmuir吸附模型適用于高煤階煤儲層等溫解吸數(shù)據(jù)的擬合。

2）殘余吸附氣量和解吸滯后系數(shù)能夠定量表征煤層氣解吸滯后程度。煤樣殘余吸附氣量和解吸滯后系數(shù)受儲層物性特征影響，滲透率越低，孔隙半徑越小，比表面積越大，殘余吸附氣量和解吸滯后系數(shù)越大。

3）解吸滯后現(xiàn)象導(dǎo)致煤儲層實(shí)際解吸壓力降低，需要用等溫解吸曲線來推算實(shí)際的解吸壓力；由于不同煤樣間等溫解吸曲線存在巨大的差異，單純根據(jù)某口井解吸壓力高低并不能判斷其含氣量高低。同時(shí)解吸滯后系數(shù)越大，殘余吸附氣量越高，解吸滯后大大降低了煤層氣的采出程度和解吸效率。