● ● 80
● ●
● ●
100 温度 （ 。C ）
120
140
温度对甲烷在水中溶解度的影响 当温度低于80 ℃时 溶解度随温度升高而逐渐变小；当高于80 ℃时随温度升高而增 当温度低于80 ℃时，溶解度随温度升高而逐渐变小；当高于80 ℃时随温度升高而增 但其影响远远低于压力。而且在不同温度条件下， 大，但其影响远远低于压力。而且在不同温度条件下，溶解度与压力的关系曲线有随压 力增大而散开的特征，说明在高压条件下，甲烷的溶解度受温度的影响较大， 力增大而散开的特征，说明在高压条件下，甲烷的溶解度受温度的影响较大，在低压下 温度的影响相对较小
φi = φi (Tr , p r )
式中： 气体的对比温度； 式中：Tr—气体的对比温度；pr—气体的对比压力 气体的对比温度 气体的对比压力
根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得： 根据系统的温度和压力以及气体的临界温度和压力求得：
Tr = T / Tc
界压力，MPa
p r = p / pc
式中：T—系统的温度，K；p—系统的压力，MPa；Tc—气体临界温度，K；pc—气体的临
CH4和CO2的临界温度和临界压力 气体 临界温度（ ） 临界温度（K） 临界压力（ 临界压力（MPa） ） CO2 304.3 7.38 CH4 190.7 4.64
30
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0 0.1
第三章 煤储层压力 及煤层气的赋存状态
第一节 煤储层压力
一、定义
指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力（ 指作用于煤孔隙 裂隙空间上的流体压力（包括水 裂隙空间上的流体压力 压和气压），故又称为孔隙流体压力。 压和气压），故又称为孔隙流体压力。 ），故又称为孔隙流体压力 1、开放体系 储层压力等于静水压力 2、封闭体系 储层压力等于上覆岩层压力 3、半封闭体系 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共 同承担
fi—气体的气相逸度
φi
1、逸度的计算
逸度可以根据逸度因子的定义来求取 ：
fi φi = p
式中： φi —组分 i 的逸度因子；p—系统的压力，MPa
由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上， 由于气体在水中的溶解已经处于临界温度之上，临界条件下的 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。 饱和蒸汽压力便失去了物理意义。物理化学研究表明逸度因子 与对比压力和对比温度有关 ：
Tr
0. 6
0.8 0.6 0.5
1.1
0 .8 0.7
=0
0 .9
1.3
0.4
1. 0
0.98
.5
0.3
0.2
0. 9 6
0. 9
0.2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1.0 2 Pr 3 4 5 6 8 10 20 30 40
0.1
气体普遍化逸度因子图
2、气体亨利常数的计算
常温常压下，气体在纯水中溶解的亨利常数大多可以在各种 常温常压下， 化工手册》 《化工手册》中查出 。 亨利常数表达为： 亨利常数表达为： H = h jT j 10[ mks (T )] ∑ i
第二节 煤层气赋存状态
目前，关于煤层气在煤层中的赋存状态 目前， 比较一致的观点是煤层气在煤中有三种赋 存状态： 吸附态形式存在于煤层有机质 存状态：以吸附态形式存在于煤层有机质 的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气； 的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气； 游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中 以游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中 裂隙中，称为游离气；以及以溶解态 溶解态形式 裂隙中，称为游离气；以及以溶解态形式 存在于煤层中的水里，称为水溶气。 存在于煤层中的水里，称为水溶气。
Tr =0
2.0
.5
1.6 1.4 1.2 1.1 0.9 5 0 . 8 5 0 .9 0 0 .7 0. 8 0 0 .5 5 0.6 5 0 0. 65 0.7 0 0.4 0.3 0.2
3.0
2.0
0.5ห้องสมุดไป่ตู้
1.0
2.0
1. 1. 0 1
1.3
1.0
1 .5
Φ
1.5
0.8 0.6 0.5 0.4 0.3
Van Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存状 Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存状 吸附在微孔隙中；（ ；（2 态：（1）吸附在微孔隙中；（2）被包裹在煤基 质孔隙中；（ ；（3 游离在煤中割理和裂隙中；（ ；（4 质孔隙中；（3）游离在煤中割理和裂隙中；（4） 溶解在煤中的裂隙水中。 溶解在煤中的裂隙水中。 Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 压缩在孔隙中的游离态气体；（ ；（2 四种： 四种：（1）压缩在孔隙中的游离态气体；（2） 浓缩为固相或液相；（ ；（3 溶解在煤结构中；（ ；（4 浓缩为固相或液相；（3）溶解在煤结构中；（4） 吸附在煤内表面上。 吸附在煤内表面上。 Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时， 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时，在煤孔隙 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 类液态相、孔隙气态相和游离态相。 类液态相、孔隙气态相和游离态相。
3、溶解度的计算
根据以上的逸度及逸度因子的计算公式可导出： 根据以上的逸度及逸度因子的计算公式可导出：
f i φi p ci = = Hi Hi
假设地表温度为290 K，地温梯度为 ℃/100 m，静水压力梯度 假设地表温度为 ，地温梯度为3℃ ， 取一值进行计算， 为1 MPa/100 m。从地表每 。从地表每100 m取一值进行计算，求取不同 取一值进行计算 埋深CO 溶解度，并计算其比值。 埋深 2与CH4溶解度，并计算其比值。
煤层气在地层水中的溶 解度随矿化度的升高而 解度随矿化度的升高而 降低， 降低，在低压条件下矿 化度影响较小，在高压 化度影响较小， 条件下则影响较大。 条件下则影响较大。例 如四川盆地泉36 36井气在 如四川盆地泉36井气在 ℃、 Pa时 60 ℃、100 Pa时，矿化 度为l0000 mg／ 度为l0000 mg／L和 mg／ 57000 mg／L的溶解度分 别为1.65 1.16， 1.65和 别为1.65和1.16，两者 相差0.49 压力为400 0.49。 相差0.49。压力为400 Pa时 Pa时，两者溶解度分别 4.22和3.19， 为4.22和3.19，差值为 1.03， 1.03，矿化度对溶解度 的影响更加明显
● 3
溶 解 度 （ m 3/m 3）
温度 / ℃ 20 140 140
压力 1号样 /M Pa 5 22 36 1.162 3.898 4.530
2号样
3号样
4号样
● 2 ●
● ●
2.111 4.650 5.418
1.924 3.959 5.071
1.582 4.134 4.804
● 1 ● 0 60
二、储层压力状态
压力系数：即实测储层压力与同深度静水压力之比，%
① 超压：压力系数>1，压力梯度>0.98 MPa/100m； 超压：压力系数>1，压力梯度>0.98 MPa/100m；
② 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 正常压力：压力系数=1，压力梯度=0.98 MPa/100m； MPa/100m； ③ 欠压：压力系数<1，压力梯度<0.98 MPa/100m。 欠压：压力系数<1，压力梯度<0.98 MPa/100m。 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明， 我国三十二个矿区煤层气试井结果表明，各煤级煤储层 超压状态占33. 超压状态占33.2%，正常压力状态占21.9%，欠压状态占45.3 正常压力状态占21. 欠压状态占45. %，各煤级煤储层中三种状态均有分布，其中中煤级煤储层 各煤级煤储层中三种状态均有分布， 大多处于欠压状态。 大多处于欠压状态。
Gw— 静水 压力梯度 ； 0.98MPa/100m （ 淡水 ） ； 静水压力梯度 压力梯度； 98MPa/100m 淡水） h—煤层中点处水头深度，m 煤层中点处水头深度，
4、煤层气（瓦斯）压力 、煤层气（瓦斯）
煤层气（瓦斯） 煤层气（瓦斯）压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿 井中测得的煤层孔隙中的气体压力。 井中测得的煤层孔隙中的气体压力。 煤储层试井测 的储层压力是水压， 的储层压力是水压，二者的测试条件和测试方法明显 不同。煤储层压力是水压与气压的总和，在封闭体系 不同。煤储层压力是水压与气压的总和， 储层压力中水压等于气压；在开放体系中， 中，储层压力中水压等于气压；在开放体系中，储层 压力等于水压与气压之和。 压力等于水压与气压之和。
4、煤层气在水中溶解度的实验研究
实验结果表明，温度、压力、矿化度是控制煤层气在水中溶解度的主要因素。 实验结果表明，温度、压力、矿化度是控制煤层气在水中溶解度的主要因素。
4 泉2#气（伴生 气） 矿化度（688 9.5mg/L） ● ● ● ● ● ● 200Pa ● 100 Pa ● 50Pa ● ● 300Pa ● 400Pa ●
H i = ∑ h jT j
j =0
5
气体溶解度参数
系数 h0 h1 h2 h3 h4 h5 s0 s1 s2 s3 s4 s5 CO2 7.83656×107 1.96025×106 8.20754×104 -7.40674×102 2.18330×100 -2.20999×10-3 1.19784×10-1 -7.17823×10-4 4.93854×10-6 -1.03826×10-8 1.08233×10-11 0 CH4 2.39893×109 8.71412×107 -1.115263×105 -5.46350×103 2.77573×10-1 -3.87416×10-3 1.64764×10-1 -1.41671×10-3 1.37712×10-5 -5.42472×10-8 1.02238×10-10 -8.83777×10-14