摘要：煤層甲烷高壓等溫實驗一般已屬于超臨界條件，由其吸附數據計算出的視吸附量不能反映真實吸附量，兩者存在差異，因而由視吸附量建立的煤層氣產能評價及含氣性評價需要重新進行厘定。為深入研究這一差異性，基于前人成果并結合一般氣體狀態方程，給出了甲烷視吸附量和真實吸附量在不同壓力點下的關系式，對具體等溫吸附數據進行了計算。結果顯示：真實吸附量和視吸附量差值隨壓力增大而增大，煤儲層吸附性越強差值越大；同時，以視吸附量代替真實吸附量求取的臨界解吸壓力和實測飽和度均要大些。據此認為，依據視吸附量預測深部含氣量會遠遠低估深部煤儲層的含氣性，超臨界條件下，深部游離氣含量數值可能要遠遠大于以往的認識。該結論對于重新認識煤儲層真實吸附性及含氣性具有重要意義。

關鍵詞：超臨界；煤層甲烷；視吸附量；真實吸附量；差異；地質意義；臨界解吸壓力；實測飽和度

    甲烷的臨界溫度是82.6℃，臨界壓力是4.6MPa。當溫度和壓力都超過臨界點時，甲烷處于超臨界狀態。此時的甲烷已不是常規意義上的氣體，而是超臨界流體，超臨界流體的特點是：無論壓力多高也不會被液化，流體密度隨壓力的升高而逐漸增加，并逐漸接近液體密度，黏度卻與氣體接近。煤層氣高壓等溫實驗部分壓力點已屬于超臨界流體狀態壓力。同時，一般按正常壓力梯度計算，埋深超過470m，煤儲層中的甲烷即屬于超臨界流體了。

    以前的研究者發現甲烷在超臨界條件下，吸附量隨壓力的升高會出現一個最大值，然后下降，而不是簡單的單調函數。一般照此理解，在深部某一深度會出現甲烷的最大吸附量，然后下降，煤層氣含量減少。然而據筆者的研究，這種認識存在著誤區。原因在于還沒有弄清楚吸附量的定義及吸附實驗數據處理過程，由此導致還未真正認識煤儲層的吸附性。

    在吸附實驗過程中，直接計算得到的吸附量為Gibbs吸附量，又稱視吸附量或過剩吸附量，與之相對應的是絕對吸附量^[1]，有些學者稱為真實吸附量。然而，高壓狀態下視吸附量和絕對吸附量差別較大，前者會出現最大值，而后者則不會，原因在于高估了游離相氣體。

    參考煤的高壓等溫吸附實驗國家標準(GB/T 19560—2004)^[2]，實驗數據處理過程可以發現，在每一個壓力點平衡前后，根據pV=nRT來計算平衡前后氣體物質的量的差值即為吸附量，而在這個數據處理過程中，人為假設V是不變的。實際上，在煤吸附甲烷后，在煤的表面存在吸附相體積，即吸附平衡后，游離相體積減小，而數據處理時仍然將這部分吸附相體積當做游離相氣體減掉了，結果高估了游離相，卻低估了吸附相，并非反映客觀存在的真實性。因此依據吸附實驗數據直接計算得到的視吸附量推導真實吸附量對于評價煤層氣儲層吸附性及含氣性具有實際應用價值。

    根據Moffat等的推導，視吸附量和真實吸附量具有以下關系^[3]：

 

式中n_ab為真實吸附量，m³/t；n_sp為視吸附量，m³/t；ρ_free為自由狀態氣體密度，kg/m³；ρ_ad為吸附相密度，kg/m³。

同時根據pV=nZRT，及，對于甲烷氣體m=16n，則R=8314Pa·L/(mol·K)。在體積不變的情況下，可推導出以下公式：

 

    假定ρ_ad不隨溫度和壓力而變化，取375m³/t^[4]即甲烷極限密度值。盡管吸附相密度值還有很多種，但這個值更易于接受，吸附相密度越小，計算的真實吸附量比視吸附量更大。

   聯立公式(1)、(2)得到：

 

    根據公式(3)可以很容易地從視吸附量求出在不同溫度、不同壓力點下的真實吸附量。

    依據公式(3)對貴州省織納煤田中寨1001孔6^-1號煤和黑塘3603孔6^-2號煤樣進行了干燥無灰基等溫吸附實驗，根據實驗數據求出了各壓力點的真實吸實驗溫度均為30℃。其中中寨煤樣壓力點達到了12.24MPa，黑塘煤樣壓力點達到6.77MPa。中寨煤樣的高壓范圍比黑塘煤樣范圍更大。

    結果顯示(圖1、2)：在相對低壓范圍(0～2MPa)，視吸附量和真實吸附量差別較小，誤差小于5%，差值小于1m³/t。這與一些研究者在低壓范圍內進行液氮吸附實驗得出的數據一致，即真吸附量和視吸附量基本沒有差別閻。

    當壓力點大于2MPa時，視吸附量和真實吸附量差值逐漸擴大。當壓力點達到6MPa，誤差大于10%，差值超過2m³/t。不同煤樣誤差百分比相同，誤差百分比隨壓力點的增加線性增加。真實吸附量和視吸附量差值總體趨勢隨壓力點大小的增加而增加，但在不同煤樣之間明顯有所差別，例如中寨煤樣差值比黑塘煤樣差值大，從低壓1MPa左右開始差值逐漸增大。原因在于視吸附量吸附常數干燥無灰基蘭氏體積中寨煤樣為32.59m³/t，黑塘煤樣為22.44m³/t吸附性強的煤樣比吸附性弱的煤樣差值更大。

2.3.1 煤層氣評價理論的再認識

    一般煤層氣儲層評價中煤儲層吸附性評價都是依據吸附實驗測試出的視吸附量來進行的，并由此建立了煤層氣臨界解吸壓力，采收率等一系列評價參數，比如筆者前期對安陽礦區煤層氣可采潛力的評價哺]。然而視吸附量并非真實吸附量，不能客觀描述煤儲層的吸附性。因此有必要探討依據真實吸附量建立的吸附性參數及其他一系列數，進行重新認識和理論探討。

   選取安陽礦區雙全井田-煤層氣參數井實測儲層參數及等溫吸附數據，求取了真實吸附量和視吸附量下的吸附參數，及由此推導出臨界解吸壓力和實測飽和度(表2、圖3)。等溫吸附實驗溫度為20℃，測試煤層為二₁煤層。

計算結果表明：真實吸附量情況下的臨界解吸壓力和實測飽和度要小于視吸附量情況下的臨界解吸壓力和實測飽和度，視吸附量情況下的臨界解吸壓力為5.95MPa，而真實吸附量情況下的臨界解吸壓力為4.05MPa，兩者相差1.90MPa。

    一些研究者發現理論臨界解吸壓力和實際煤層氣排采中的臨界解吸壓力存在差別陌…，其中原因不排除是由于視吸附量推導出的臨界解吸壓力并非客觀值所造成的。視吸附量情況下的實測飽和度達到了99.00%，相當于飽和。而真實吸附量情況下的實測飽和度則為88.00%，并未出現飽和，兩者相差甚大。因此，在煤層氣儲層吸附性評價中經常出現的飽和，由真實吸附量計算實測飽和度或許并未出現飽和。

2.3.2 深部含氣量預測的再認識

    深部煤層氣一般指埋深大于1000m的煤層氣。預測深部含氣性，通常的做法是在等溫吸附實驗中，增加壓力點，高壓范圍再擴大，接近反映真實儲層壓力的條件，在這種情況下，測出蘭氏參數，進而進行深部含氣性的預測。

    然而根據前面的論述，視吸附量和真實吸附量隨壓力的增大差值增大，因此，進行深部預測，依據視吸附量計算出的蘭氏參數推導含氣量，必然會大大低估深部煤儲層的含氣量。而由真實吸附量推導出的吸附參數可以真實反映在高壓下的吸附甲烷量。一般在正常梯度條件下，埋深大于470m的煤儲層中的甲烷處于超臨界流體狀態，其氣體密度要大于同溫同壓下的由一般氣體狀態方程求出的游離氣密度。在0℃、20MPa條件下，超臨界甲烷密度大概為180kg/m^3[10]，而由公式(2)推導出的甲烷密度為140.91kg/m³。坪深在2000m以淺，超臨界甲烷密度不會超越吸附相密度(375kg/m³)，而超臨界條件下的游離氣含量或許遠遠大于一般的認識值。

    1) 超臨界條件下，由吸附實驗求取的視吸附量并非真實吸附量，視吸附量隨壓力增大會出現最大值，而真實吸附量不會。由一般氣體狀態方程及視吸附量和真實吸附量之間的關系建立了甲烷在給定溫度、壓力條件下，視吸附量和真實吸附量的求取方法。

    2) 煤層甲烷隨吸附壓力的增大，真實吸附量與視吸附量差值也越大，誤差也越大；同時發現煤層吸附性越強，真實吸附量和視吸附量之間差值也越大。

    3) 依據視吸附量求取煤儲層臨界解吸壓力和實測飽和度的方法，由真實吸附量亦求取了臨界解吸壓力和實測飽和度。結果顯示：后者求算結果小于前者。這可能是煤層氣排采井實際臨界解吸壓力和理論求算的臨界解吸壓力存在差別的原因之一，而一般煤儲層吸附性評價中出現的飽和現象，或許部分存在假象。

    4) 依據視吸附量求算深部煤儲層的含氣量，其誤差會更大，會大大低估深部煤儲層的含氣性。深部煤層甲烷處于超臨界流體狀態，其氣體密度在埋深2000m范圍之內遠遠小于吸附相密度，但大于由一般氣體狀態方程推導出的氣體密度。因此超臨界條件下的游離氣含量數值可能遠遠大于以往的認識。

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