煤储层物质构成及煤层气开采工艺

煤是具有分子筛结构的微孔状固体，其内部微孔隙中充满了煤化作用过程中形成的气、液态流动相。因此，广义上讲，煤是固体相和流动相的组合，流动相主要为分散的“小分子”物质，包括烃类及内在水分。这些小分子物质呈吸附状态存在于煤基质的微－大孔隙表面。尽管目前对煤的大分子格架与小分子化合物的化学构成、数量关系、存在状态、作用方式等尚缺乏全面的认识，但煤的两相结构观点已得到多数学者的认同。根据烃的源岩和储层性质，可将煤的组成按图1－1的方案进行划分。

图1－1　煤储层的物质构成

这种划分方法将有机质分为基质部分与小分子部分，基质部分指复杂的三维空间碳芳香格架，小分子部分指以物理吸附或弱键与煤结构相连的小分子部分，此处使用“小分子部分”而非“流动相”，以避免与核磁共振分析中流动相的概念（指分子结构中具有高度振动或旋转流动性的组分）相混淆。

小分子部分又可进一步分为强键结合部分和松散结合部分，前者不能在煤结构中自由运动，后者能自由进出煤结构，主要为CH4、CO2和H2O等，其中，CH4是煤层气的主要成分。

在将煤作为烃的源岩与储集层进行研究时，煤组成的双组分模式具有重要实用价值。但值得提出的是，无论大分子基质还是小分子部分，在煤化作用过程中其成分都在发生变化。例如，小分子部分在低煤级时主要是水，在中煤级时主要是油和沥青，而在高煤级时则主要为CH4和H2O，而现今保留在煤结构里的是它们的混合物。此外，鉴于煤化学结构的复杂性，这种分类在一定程度上是模式化的，事实上，煤结构中从小分子（如CH4和H2O）到大分子基质是连续变化的。所以，煤不仅具有成烃的物质基础，而且具有容纳烃类物质的空间。

煤在演化过程中生成大量的气体，这些气体的一部分保留在煤层中，煤层中的孔隙和裂隙为煤层气的赋存提供了空间，也为其运移提供了通道。因此，煤既是煤层气的源岩，又是煤层气的储集层。煤能否成为好的源岩和储集层，则主要取决于煤化作用程度，煤化作用过程中物理性质（孔隙率、渗透性）的变化影响烃类气体的赋存和运移，而烃类气体的产生则取决于煤化作用过程中的化学反应。

（1）固态物质组成

固态有机质加上矿物质共同构成煤的固体骨架。煤的固态物质组成特性，影响煤储层储气空间的发育，且与煤的吸附－解吸性能密切相关，还会影响煤储层的渗透性和工程力学特征。

①宏观煤岩组成。煤有3种成因类型：一是主要来源于高等陆生植物的腐植煤；二是主要由低等浮游生物形成的腐泥煤；三是介于二者之间的腐植腐泥煤。自然界中以腐植煤为主，腐植煤也是煤层气赋存的主要煤储层类型。

宏观煤岩组分是肉眼可以区分的煤的基本单元组成，按照国际煤岩学会的定义，宏观煤岩组分包括镜煤、丝炭、亮煤和暗煤。镜煤和丝炭是简单煤岩成分；亮煤和暗煤是由简单煤岩类型组合而成的复杂煤岩成分；镜煤和亮煤是光亮煤岩成分；丝炭和暗煤是暗淡煤岩成分。宏观煤岩组分的组合，构成了不同的宏观煤岩类型。

②显微煤岩组成。显微煤岩组成分为显微组分和矿物质。显微组分是指在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机组分。依照国际通行标准，硬煤（烟煤和无烟煤）的显微组分被划分为镜质组、惰质组和壳质组3个显微分组。无机矿物质主要为黏土类和硫化物类，其次为碳酸盐类、氧化硅类等，煤中矿物质种类、含量、赋存形式等直接关系煤储层含气量大小和煤储层裂隙发育特征和力学性质，对煤层气开采影响显著。(https://www.xing528.com)

③煤的大分子结构。煤中有机大分子的基本化学结构为芳香环，缩合形成缩合芳环，缩合芳环结合形成平面碳网，平面碳网在垂向上叠加构成芳香稠环或芳核。煤级增高，平面碳网中的芳环数增多，层面间距减小，基本结构单元的堆砌度增大。不同煤化作用阶段的主导地球化学机制不同，由此控制了煤化学结构和物理结构的阶段性演化。

（2）液态物质组成

煤储层中液态物质包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及煤基质中的束缚水。从地下水渗流的角度，按水的结构形式、重力pr与分子引力pm的关系、水与围岩颗粒的作用力，可将煤层中的水分划分为液态水和结合水，岩层中水的分类见表1－1。

表1－1　岩层中水的分类（薛禹群等，1977，修改）

强结合水是指在静电引力和氢键连接力作用下，牢固地吸附于煤基质表面的水分子，强结合水具有高黏度和高抗剪强度，几乎不受温度影响。

弱结合水处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍然受到范德华力和强结合水最外层水分子的静电引力的合力影响。

毛细水是在固（煤基质块）、液、气三相界面上发生毛细现象的水。

重力水是指距离煤体表面更远的那部分水分子，受煤体表面吸引力较小，受重力影响更大，水能在自身重力作用下发生运动。

显然，随着结合水饱和度增高，煤储层排水降压难度增大。

（3）气态物质组成

煤储层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷，在煤储层中的赋存方式有游离态、吸附态和溶解态3种状态。不同赋存状态的甲烷所占的比例取决于煤储层孔隙－裂隙系统、煤大分子结构缺陷、煤吸附能力等。通常，游离态甲烷占甲烷总量的8%～12%，多数的甲烷是吸附在煤储层裂隙－孔隙表面，或与芳香层缺陷的不饱和共价键相结合，吸附甲烷需要解吸或置换才能开采出来。