煤层气赋存状态和产出机理

一、煤层气赋存状态

地质条件下，煤层气储存在煤层中的状态有吸附态、游离态和溶解态，除此之外还有少数学者提出的类液态相(Collins，1991)。吸附态煤层气主要是以吸附的形式赋存在煤孔隙表面上，游离态煤层气则是分布在煤孔隙及裂隙内，溶解态煤层气是在溶解作用下赋存在煤层水中。煤化作用过程中生成的甲烷气体，首先满足吸附，然后是溶解和游离析出，在一定的温度和压力条件下，这3种状态的气处于统一的动态平衡体系之中，当煤层生烃量增大或外界条件改变时，3种储存形式可以相互转化。一般情况下，3种状态中以吸附状态为主，可占70%～95%，游离状态约占10%～20%，溶解状态极小。具体的比例取决于煤的变质程度、埋藏深度等因素(宋岩等，2005)。

1.吸附态

煤基内表面分子的吸引力在煤的表面产生吸附场，把甲烷气吸附在基质表面与基质块所含的孔隙内，把煤层气这种赋存状态称为吸附状态。吸附量的大小与煤层气储层中的压力呈非线性函数关系，用于描述吸附特性的数学模型较多，主要基于动力学理论、热力学理论和位能理论3种理论建立，包括单分子层吸附的Langmuir方程、多分子层吸附的B.E.T方程、D-R和D-A方程(适于煤/单组分气体等温吸附)、色散和极化模型以及Colllin理论等(苏现波等，2001)。通常可用Langmuir等温吸附方程来描述煤层气的吸附特征(Langmuir，1916):

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图4-11 不同组分气体的吸附特征

式中:V_L为Langmuir体积，m/t，反映煤体的最大吸附能力;P_L为Langmuir压力，MPa，在此压力下吸附量达最大吸附能力的50%;P为煤储层压力，MPa。

根据Langmuir吸附动力学模型，恒温条件下多组分气体混合吸附时(图4-11)，其定量关系可用多组分扩展Langmuir等温吸附方程来描述:

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式中:V_i为气体组分i的吸附量，m³/t;V_Li为气体组分i的Langmuir体积，m³/t;P_Li为气体组分的Langmuir压力，MPa;P_i为气体组分i的分压，与混合气体组分的摩尔比或体积浓度有关，MPa;i(j)，m为混合气体的气体组分、气体组分数。

当将煤层气视为全部由甲烷气体组成时(m=1)，扩展Langmuir等温吸附方程即为Langmuir等温吸附方程的一般形式:

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如果真实混合气体煤层气主要由CH₄、CO₂和N₂三种气体组成(m=3)，则其中甲烷气体的吸附气量

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煤层气总的吸附潜力(V_吸)等于3种单气体吸附气量之和，即

V_吸=V_CH4+V_CO2+V_N2

单气体总的Langmuir常数可通过单气体等温吸附实验获得。

煤储层对气体的吸附能力不仅受煤自身性质的影响，如煤阶、煤的显微组分、形变等，还受一些外在因素，如水分、温度和压力等条件的控制(Ettinger et al.，1966;Gan et al.，1972;Yee et al.，1993;Gayer et al.，1996;钟玲文等，1990;Croadale et al.，1998;张群等，1999;马东民，2003)。煤的变质程度直接影响着煤的结构及化学组成，并严重制约着煤的吸附能力。煤的气体吸附能力随着煤阶变化有两种趋势，在R_o＜4%时，吸附能力随煤阶的增加而增大(图4-12);R_o＞4%时，吸附能力随煤阶的增加而减小(图4-13，图4-14)。

图4-12 不同R_o的煤在45℃时等温吸附曲线

图4-13 干燥基煤样Langmuir体积与煤变质关系

图4-14 平衡水煤样Langmuir体积与煤变质关系

煤的兰氏体积与挥发分含量呈线性关系，煤的兰氏体积随着挥发分含量的增加而减小，吸附量也减小。一般认为煤中水分增高，占据有效吸附点位就越多，留给气体的有效吸附点就越少，从而使吸附能力降低(图4-15)，但当水分高于一定值时不再对吸附能力产生影响，该值称临界水分值。煤是由镜质组、惰质组和壳质组组成的，一般来说，镜质组的吸附能力最强，惰质组次之，壳质组最低;对于同煤阶的煤来说，镜质组含量多的镜煤要比惰质组或稳定组含量相对多的暗煤的吸附能力强(图4-16)。

温度对煤吸附能力的影响是消极的，温度对脱附起活化作用，温度越高，游离气越多，吸附气越少，因此，随着温度的增加煤的吸附能力减小，在相同压力下吸附气体的量也越少。恒温时，煤对甲烷的吸附能力随压力升高而增大，当压力升到一定值时，煤的吸附能力达到饱和，往后再增加压力吸附量不再增加(图4-17)，这一点已得到共识。

图4-15 Langmuir体积与水分含量的关系

图4-16 Langmuir体积与镜质组含量的关系

图4-17 不同温度的吸附等温曲线

2.溶解态

溶解状态的煤层气即煤层中的水溶气，其数量的多少决定于煤层中水量的多少及水对气体溶解量的大小(付晓泰等，1996，1997;郝石生等，1993;Tyler et al.，1995;杨申镳，1997;刘俊杰，1998)。各种天然气分子的溶解能力不同，如CO₂的溶解度是CH₄的36倍，CH₄是C₂H₆的1/2强一些，压力、温度和水的矿化度等亦影响煤层气在水中的溶解量。前人实验研究表明，天然气组分溶解能力依次为CO₂＞CH₄＞N₂＞C₂H₆＞C₃H₈＞C₄H₁₀＞C₅H₁₂;随地层水矿化度的增大，天然气的溶解能力降低，地层水水型(无机盐种类)对气体溶解度的影响不显著;天然气的溶解度与压力呈非线性正比关系，并先随温度增高而降低，后随温度增高而增高，变化的转折点在80℃。煤层的水含量除泥炭、褐煤外，一般都在5%以下，也就是说，在泥炭和褐煤阶段煤层中有较多的水溶气，其他煤阶煤层因含水量低，故溶解在水中的煤层气数量有限。当水排出煤体并随压力降低等条件变化时，溶解于水中的煤层气可以析出水而呈游离气。另外，在煤层产液烃阶段(R_o=0.5%～1.3%)，还有油溶气存在，虽然油溶解气的能力大于水，但终因煤产油及储油能力有限，油溶气量不大。

煤储层溶解气是气体溶解度、孔容和水饱和度的函数，可具体表达为

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式中:V_溶为溶解气储集潜力，cm³/g;V_p为煤储层孔容，cm³/g;S_w为煤储层水饱和度，cm³/cm³;R_si为煤层气组分i的溶解度(体积比)，cm³/cm³;i，m为混合气体的气体组分、气体组分数。当CH₄浓度很高，或近似计算时，可认为煤层气全部为甲烷气体。

3.游离态

游离状态下，煤层气以自由气体状态存在于煤的割理和其他裂隙孔隙中，可以自由运动，其动力是压力(吴俊，1993)。当气体迁移进如裂隙网络中呈游离状态后，可按常规气体研究。游离气储集潜力为气体组分储集气量之和，即

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式中:V_游为游离气储集潜力，cm³/g;V_游i为游离气气体组分i的储集潜力，cm³/g。当CH₄浓度很高，或近似计算时，可将煤层气简化为甲烷气体。

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式中:n_i为在储层温压条件下，渗流孔隙中储集气体的摩尔数，mol/g;P₀为标准状态下的气体压力，1.01×10³Pa;T₀为标准状态下的气体温度，273.15K;R为摩尔体积常数，8.31J/(mol·K)。

在常温常压条件下，煤层气可视为理想气体。但在储层温压条件下，煤层气可作为真实气体，与理想气体存在一定偏差，温压越大，偏差越大，理想气体状态方程需用气体压缩因子(偏差因子)校正。计算n_i的公式为

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式中:P_i为储层压力，Pa;T为储层温度，K;V_p为煤储层渗流孔隙孔容，cm³/g;S_g为煤储层气(水)饱和度，%;Z_i为气体组分i的压缩因子，是与气体、温度和克分子(摩尔)密度相关的参数。

二、煤层气产出机理

如前文所述，煤层气在煤储层中主要以3种相态存在，即吸附相、游离相和溶解相，而这3种相态的甲烷气体处在一个动态平衡过程中。

在煤储层中，当流体压力降低时，以物理吸附的形式吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气发生解吸作用变为游离态煤层气，之后游离态煤层气经过煤基质扩散或渗流进入天然裂隙，天然裂隙内的游离态煤层气通过渗流到达井筒而产出(郝石生等，1994;苏喜立等，1999;宋岩等，2002;傅雪海等，2003;刘洪林等，2004)，归纳而言，煤层气的产出机理就是解吸—扩散—渗流的“3D”理论(Desorption—解吸，Diffusion—扩散，DarcyFlow—渗流)，如图4-18所示。根据煤层气产出机理，在开发过程中制定了排水—降压—解吸—采气的开采理论，有效地指导了煤层气的生产。

图4-18 煤层气产出解吸—扩散—渗流示意图

1.解吸机理

当煤储层中压力降低时，处于吸附状态的甲烷气体分子获得能量E_a越出吸附势阱而成为自由气体分子，被吸附的甲烷分子与煤的内表面相脱离，解吸为游离相，因此解吸过程是吸热的(Nodzenski，1998)。甲烷气体分子的热运动越剧烈，其动能越高，吸附甲烷分子获得能量发生解吸的可能性越大。其过程多数学者都是借用Langmuir方程或扩展Langmuir方程来描述解吸行为特征。对于欠饱和的情况，只有在煤储层中的压力低于临界解吸压力之后甲烷分子才能从煤基质孔隙内表面被解吸下来(Rupple et al.，1974;Vishnyakov et al.，1998)。根据不同的煤层气解吸条件和解吸特征，可以将煤层气物理解吸细分为降压解吸、升温解吸、置换解吸和扩散解吸等4个亚类。降压解吸指被吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气分子由于“外界压力”等的降低而变得更为活跃，以至于解脱了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态;升温解吸指温度升高，加速了气体分子的热运动，使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸;置换解吸的本质是未被吸附的水分子或其他气体分子为争取达到动态平衡而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原先呈吸附态的甲烷分子变为游离态;扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”。在这4类解吸作用中，降压解吸是其中最主要的也是对煤层气产出贡献最大的解吸类型。

2.扩散机理

煤层气从煤储层中经过4种作用解吸出来后将经历扩散作用进入割理，即甲烷分子从高浓度区向低浓度区运动，其过程可用Fick第一定理来描述:

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式中: 为煤基质中扩散出来的甲烷量，t/d;D为扩散系数，m²/d;σ为形状系数，m^-2;ρ_g为甲烷的密度，t/m³;V_m为煤基质块的体积，m³;C(t)为煤基质中甲烷的平均浓度;C(P)为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度，t/m³。

3.渗流机理

煤层气在裂隙系统中的流动符合达西定律，在裂隙系统中甲烷和水以各自独立的相态混相流动，达西定理的使用需考虑每种流体的相渗透率，即有效渗透率，有效渗透率和绝对渗透率的比值称为相对渗透率。在实际研究过程中通常采用相对渗透率，通常认为它是饱和度的函数。根据达西定律，可把每一相的渗流定律写成:

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式中:V_l为l相的渗流速度;u_l为l相的黏滞系数;ΔP_l为l相的压差;L为渗流途径的长度;K_l为l相的有效渗透率;K为多孔介质的绝对渗透率;K_rl为l相的相对渗透率。