煤层气开采工艺：煤层气储集机制

煤储层的含气性是煤储层的基本性质。含气量是煤层气资源量计算的基础数据，是合理的煤层气勘探开发方案制订的关键。准确确定含气量和查明含气量的控制因素受到人们的重视，但到目前为止，还没有一个统一的关于煤层气含量测试的国际标准，为大多数人接受的是美国矿业局的直接测定法，我国目前煤田勘探和煤矿系统普遍采用的是由国家煤炭工业部制订的《煤层瓦斯含量和成分测定方法》（MT－77－84），而煤层气系统采用的是《煤层气含量测定方法》（GB／T19559—2004）。采用直接法测定时，煤层气含量由逸散气、解吸气和残余气3部分组成。

从钻头钻遇煤层，到煤样装入样品罐密封好，这一过程中解吸出的气体称为逸散气。这部分气体无法直接测得，可通过计算求得。逸散气的体积取决于钻揭煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻液特性、水饱和度和游离态气体含量。缩短取芯时间是准确计算逸散气的有效途径之一。不同物理特性的煤具有不同的解吸速率，如碎裂煤由于扩散距离短造成逸散气体积大；钻液的比重较大时对于煤层气的逸散有阻滞作用；如果煤储层被水饱和，游离态煤层气含量低，则逸散气体积小；相反如果煤储层未被水饱和，游离态煤层气含量高，则逸散气体积较大。

在正常大气压和储层温度下，将煤样放入样品罐后，解吸释放出的气体称为解吸气。解吸过程在解吸速率一周内平均每天小于10cm3时终止。这部分气体是由实验室直接测得的。

煤样经充分解吸后仍残留在微孔隙中的气体称为残余气，可在样品充分粉碎测得。残余气可能是由于气体扩散速率极低所致，或者是在一个大气压下煤层气处于吸附平衡状态而不再解吸。根据Diamond对美国1500个煤样的统计，残余气体积可占总含气量的40%～50%，尤其在低煤级煤中占比例较高，而中高变质烟煤的残余气仅占总含气量的10%以下。但在我国，多数高煤阶煤中的残留气所占比例较大，这是由于高煤阶煤的吸附能力强，在大气压下吸附的气体量大所致。在煤层气开发中不能忽略残余气的含量，因为这部分气体是不可回收的。

煤储层中的气体是游离态、吸附态和溶解态的平衡体系。

（1）游离态煤层气储集机制

煤基质孔隙和裂隙中有一部分自由气体，称为游离气体，可以自由运移。

理想气体状态方程为：

式中：p——气体压强，Pa；

　　　V——气体体积，m3；

　　　n——气体的物质的量，mol；

　　　R——气体常数，J／（mol·K）；

　　　T——体系温度，K。

在系统温度为500K（227℃）以上、压力105Pa以下时，可以认为体系基本符合理想气体状态方程，否则应引入真实气体修正（压缩）因子对理想气体状态方程进行修正：

式中：Z——修正因子，是气体压力和温度的函数。

引入压缩因子Z来修正理性气体状态方程，描述实际气体性质，是最简便，且适用压力范围较广的一种方法。

（2）吸附态煤层气储集机制(www.xing528.com)

煤中煤层气的含量远远超过其自身孔隙的容积，是因为存在大量以吸附状态赋存的煤层气。煤具有较大的比表面积，对气体具有较强的吸附能力。煤对煤层气的吸附作用是固体与气体间的表面作用，由于煤体表面的分子存在多余的自由引力场，气体分子在煤体表面易被吸附，同时释放吸附热；当气体分子的热运动动能较大足以克服煤体表面引力场作用时，会脱离煤体表面成为游离气体，即解吸。当吸附速率和解吸速率相等时，煤体表面吸附的气体分子会保持在一定数量，达到动态的吸附平衡。吸附平衡状态下煤体吸附的气体量取决于系统的温度和压力，即吸附气体量是系统温度和压力的函数V＝f（p，T）。

煤层气吸附量与煤的比表面积及系统的温度和压力有关，该函数关系有3种表达方式：

ⓐ吸附等温线，恒温条件下测定的不同压力下的气体吸附量；

ⓑ吸附等压线，恒压条件下测定的不同温度下的气体吸附量；

ⓒ吸附等容线，气体量和体积不变的条件下测定不同温度下的气体压力变化。

煤层气生产实践中吸附等温线最为常用，主要应用于评价煤层对气体的最大吸附能力、预测生产过程中释放气体的最大值和释放速率、确定临界解吸压力、确定气体饱和度等方面。

（3）溶解态煤层气储集机制

煤储层一般含水，在一定压力下会有一部分甲烷气体溶在地下水中成为溶解气体。诞生于19世纪初的亨利定律认为某组分气体在溶剂中的溶解度与其所受到的压力存在着一定的关系，其最初表达式为：

式中：pi——气体组分i所受到的压力，MPa；

　　　Hi——气体组分i的亨利常数，取决于溶剂、气体成分与温度，MPa；

　　　ci——气体组分i在溶剂中的摩尔分数，mol／mol。

长期以来人们一直采用亨利定律描述煤层气在水中的溶解度，少数的文献表明，利用美国化学家路易斯提出的新的热力学量——气体逸度和亨利常数的不同可以更加合理地解释气体在水中的溶解现象：

式中：fi——气体组分i的气相逸度，MPa；

　　　Hi——气体组分i的亨利常数，MPa；

　　　ci——气体组分i在溶剂中的摩尔分数，mol／mol。

在不同温度、压力和含盐浓度条件下，煤层气在水中的溶解度不同。