摘要：煤层甲烷高压等温实验一般已属于超临界条件，由其吸附数据计算出的视吸附量不能反映真实吸附量，两者存在差异，因而由视吸附量建立的煤层气产能评价及含气性评价需要重新进行厘定。为深入研究这一差异性，基于前人成果并结合一般气体状态方程，给出了甲烷视吸附量和真实吸附量在不同压力点下的关系式，对具体等温吸附数据进行了计算。结果显示：真实吸附量和视吸附量差值随压力增大而增大，煤储层吸附性越强差值越大；同时，以视吸附量代替真实吸附量求取的临界解吸压力和实测饱和度均要大些。据此认为，依据视吸附量预测深部含气量会远远低估深部煤储层的含气性，超临界条件下，深部游离气含量数值可能要远远大于以往的认识。该结论对于重新认识煤储层真实吸附性及含气性具有重要意义。

关键词：超临界；煤层甲烷；视吸附量；真实吸附量；差异；地质意义；临界解吸压力；实测饱和度

    甲烷的临界温度是82.6℃，临界压力是4.6MPa。当温度和压力都超过临界点时，甲烷处于超临界状态。此时的甲烷已不是常规意义上的气体，而是超临界流体，超临界流体的特点是：无论压力多高也不会被液化，流体密度随压力的升高而逐渐增加，并逐渐接近液体密度，黏度却与气体接近。煤层气高压等温实验部分压力点已属于超临界流体状态压力。同时，一般按正常压力梯度计算，埋深超过470m，煤储层中的甲烷即属于超临界流体了。

    以前的研究者发现甲烷在超临界条件下，吸附量随压力的升高会出现一个最大值，然后下降，而不是简单的单调函数。一般照此理解，在深部某一深度会出现甲烷的最大吸附量，然后下降，煤层气含量减少。然而据笔者的研究，这种认识存在着误区。原因在于还没有弄清楚吸附量的定义及吸附实验数据处理过程，由此导致还未真正认识煤储层的吸附性。

    在吸附实验过程中，直接计算得到的吸附量为Gibbs吸附量，又称视吸附量或过剩吸附量，与之相对应的是绝对吸附量^[1]，有些学者称为真实吸附量。然而，高压状态下视吸附量和绝对吸附量差别较大，前者会出现最大值，而后者则不会，原因在于高估了游离相气体。

    参考煤的高压等温吸附实验国家标准(GB/T 19560—2004)^[2]，实验数据处理过程可以发现，在每一个压力点平衡前后，根据pV=nRT来计算平衡前后气体物质的量的差值即为吸附量，而在这个数据处理过程中，人为假设V是不变的。实际上，在煤吸附甲烷后，在煤的表面存在吸附相体积，即吸附平衡后，游离相体积减小，而数据处理时仍然将这部分吸附相体积当做游离相气体减掉了，结果高估了游离相，却低估了吸附相，并非反映客观存在的真实性。因此依据吸附实验数据直接计算得到的视吸附量推导真实吸附量对于评价煤层气储层吸附性及含气性具有实际应用价值。

    根据Moffat等的推导，视吸附量和真实吸附量具有以下关系^[3]：

 

式中n_ab为真实吸附量，m³/t；n_sp为视吸附量，m³/t；ρ_free为自由状态气体密度，kg/m³；ρ_ad为吸附相密度，kg/m³。

同时根据pV=nZRT，及，对于甲烷气体m=16n，则R=8314Pa·L/(mol·K)。在体积不变的情况下，可推导出以下公式：

 

    假定ρ_ad不随温度和压力而变化，取375m³/t^[4]即甲烷极限密度值。尽管吸附相密度值还有很多种，但这个值更易于接受，吸附相密度越小，计算的真实吸附量比视吸附量更大。

   联立公式(1)、(2)得到：

 

    根据公式(3)可以很容易地从视吸附量求出在不同温度、不同压力点下的真实吸附量。

    依据公式(3)对贵州省织纳煤田中寨1001孔6^-1号煤和黑塘3603孔6^-2号煤样进行了干燥无灰基等温吸附实验，根据实验数据求出了各压力点的真实吸实验温度均为30℃。其中中寨煤样压力点达到了12.24MPa，黑塘煤样压力点达到6.77MPa。中寨煤样的高压范围比黑塘煤样范围更大。

    结果显示(图1、2)：在相对低压范围(0～2MPa)，视吸附量和真实吸附量差别较小，误差小于5%，差值小于1m³/t。这与一些研究者在低压范围内进行液氮吸附实验得出的数据一致，即真吸附量和视吸附量基本没有差别阎。

    当压力点大于2MPa时，视吸附量和真实吸附量差值逐渐扩大。当压力点达到6MPa，误差大于10%，差值超过2m³/t。不同煤样误差百分比相同，误差百分比随压力点的增加线性增加。真实吸附量和视吸附量差值总体趋势随压力点大小的增加而增加，但在不同煤样之间明显有所差别，例如中寨煤样差值比黑塘煤样差值大，从低压1MPa左右开始差值逐渐增大。原因在于视吸附量吸附常数干燥无灰基兰氏体积中寨煤样为32.59m³/t，黑塘煤样为22.44m³/t吸附性强的煤样比吸附性弱的煤样差值更大。

2.3.1 煤层气评价理论的再认识

    一般煤层气储层评价中煤储层吸附性评价都是依据吸附实验测试出的视吸附量来进行的，并由此建立了煤层气临界解吸压力，采收率等一系列评价参数，比如笔者前期对安阳矿区煤层气可采潜力的评价哺]。然而视吸附量并非真实吸附量，不能客观描述煤储层的吸附性。因此有必要探讨依据真实吸附量建立的吸附性参数及其他一系列数，进行重新认识和理论探讨。

   选取安阳矿区双全井田-煤层气参数井实测储层参数及等温吸附数据，求取了真实吸附量和视吸附量下的吸附参数，及由此推导出临界解吸压力和实测饱和度(表2、图3)。等温吸附实验温度为20℃，测试煤层为二₁煤层。

计算结果表明：真实吸附量情况下的临界解吸压力和实测饱和度要小于视吸附量情况下的临界解吸压力和实测饱和度，视吸附量情况下的临界解吸压力为5.95MPa，而真实吸附量情况下的临界解吸压力为4.05MPa，两者相差1.90MPa。

    一些研究者发现理论临界解吸压力和实际煤层气排采中的临界解吸压力存在差别陌…，其中原因不排除是由于视吸附量推导出的临界解吸压力并非客观值所造成的。视吸附量情况下的实测饱和度达到了99.00%，相当于饱和。而真实吸附量情况下的实测饱和度则为88.00%，并未出现饱和，两者相差甚大。因此，在煤层气储层吸附性评价中经常出现的饱和，由真实吸附量计算实测饱和度或许并未出现饱和。

2.3.2 深部含气量预测的再认识

    深部煤层气一般指埋深大于1000m的煤层气。预测深部含气性，通常的做法是在等温吸附实验中，增加压力点，高压范围再扩大，接近反映真实储层压力的条件，在这种情况下，测出兰氏参数，进而进行深部含气性的预测。

    然而根据前面的论述，视吸附量和真实吸附量随压力的增大差值增大，因此，进行深部预测，依据视吸附量计算出的兰氏参数推导含气量，必然会大大低估深部煤储层的含气量。而由真实吸附量推导出的吸附参数可以真实反映在高压下的吸附甲烷量。一般在正常梯度条件下，埋深大于470m的煤储层中的甲烷处于超临界流体状态，其气体密度要大于同温同压下的由一般气体状态方程求出的游离气密度。在0℃、20MPa条件下，超临界甲烷密度大概为180kg/m^3[10]，而由公式(2)推导出的甲烷密度为140.91kg/m³。坪深在2000m以浅，超临界甲烷密度不会超越吸附相密度(375kg/m³)，而超临界条件下的游离气含量或许远远大于一般的认识值。

    1) 超临界条件下，由吸附实验求取的视吸附量并非真实吸附量，视吸附量随压力增大会出现最大值，而真实吸附量不会。由一般气体状态方程及视吸附量和真实吸附量之间的关系建立了甲烷在给定温度、压力条件下，视吸附量和真实吸附量的求取方法。

    2) 煤层甲烷随吸附压力的增大，真实吸附量与视吸附量差值也越大，误差也越大；同时发现煤层吸附性越强，真实吸附量和视吸附量之间差值也越大。

    3) 依据视吸附量求取煤储层临界解吸压力和实测饱和度的方法，由真实吸附量亦求取了临界解吸压力和实测饱和度。结果显示：后者求算结果小于前者。这可能是煤层气排采井实际临界解吸压力和理论求算的临界解吸压力存在差别的原因之一，而一般煤储层吸附性评价中出现的饱和现象，或许部分存在假象。

    4) 依据视吸附量求算深部煤储层的含气量，其误差会更大，会大大低估深部煤储层的含气性。深部煤层甲烷处于超临界流体状态，其气体密度在埋深2000m范围之内远远小于吸附相密度，但大于由一般气体状态方程推导出的气体密度。因此超临界条件下的游离气含量数值可能远远大于以往的认识。

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