煤的甲烷吸附能力的影响因素

通常用等温吸附的兰氏（Langmuir）参数来评价煤储层的吸附性能。常用的参数有兰氏体积（V1）和兰氏压力（P1）。兰氏体积的物理意义是煤层气储层的极限吸附量，代表煤储层的吸附能力。兰氏压力的物理意义是实际吸附量达到极限吸附量50％时的压力，代表煤层气储层吸附气体的难易程度。兰氏压力小者，等温吸附线的曲率大，说明煤在低压区吸附量相对较大，而在高压区随着压力增大煤的吸附量增加速度减少。兰氏压力大者，等温吸附线的曲率小，说明煤在低压区吸附量相对较小，而在高压区随着压力增大煤的吸附量迅速增高。兰氏体积反映了煤的最大吸附能力，但并不说明在某个压力下兰氏体积大者其吸附量就大；在一定压力下，尤其在较低压力区，煤的吸附量不但与兰氏体积的大小有关，更重要的是与兰氏压力有关，兰氏压力越小吸附量就越大，反之吸附量越小。

表2.10 华北地区煤储层吸附和煤质分析实验数据表

华北地区42件平衡水煤样的等温吸附分析测试结果表明（表2.10），煤储层对甲烷的吸附能力存在以下特点：①吸附能力普遍较高。华北地区原煤的兰氏体积在6.22～43.57m3/t，均值为19.01m3/t。其中测试值小于10m3/t的占31％，在10～20m3/t之间的占21.4％，在20～30m3/t之间的占33.4％，而兰氏体积大于30m3/t的约占7.1％。②各煤田（盆地）吸附能力有一定的差异，且与研究区聚煤规律的分布有一定的关系。在华北地区北、中、南三带中，兰氏体积以中带的沁水盆地最高，平均为31m3/t，其次是焦作、安鹤、永夏和荥巩煤田，其值在21～24m3/t之间，而北带和南带相对较差，其中平顶山煤田兰氏体积平均为11.9m3/t，大同和两淮地区都在10m3/t以下，各地区的代表性样品曲线特征见图2.27。③兰氏压力相对较低。全区兰氏压力在0.2～3.83MPa，均值为0.58MPa。与我国西北地区相比（杨起等，2005），华北地区的兰氏压力普遍要低，说明该区煤储层在低压区吸附较容易，而在高压区随着压力增大煤的吸附量的增加速率减少。这样的煤层气储层如果投入开发，则在前期单位压降下的产气量会较小，而只有当压力降到一定程度后，产气量和产气速率才会迅速提高。④兰氏压力的分布规律不明显，以大同煤田和沁水盆地最高，平均约2.5MPa，平顶山煤田约1.8MPa，其他区较低都在1MPa以下。

图2.27 华北地区煤储层甲烷等温吸附曲线特征

煤的孔隙非均质性对煤吸附甲烷的影响主要体现在孔径小于100nm的吸附孔上。虽然以往的研究已经认识到煤的微孔和小孔具有异乎寻常的内表面积，是决定煤吸附甲烷巨大潜力的主要因素。然而很少有关于煤的微小孔结构和孔表面对煤的吸附能力和吸附特征影响的深入报道。笔者将借助于分形数学手段来探索煤的吸附孔的孔表面和孔结构的非均质性特征，并进一步探测煤对甲烷的吸附行为，研究其吸附机理。

研究煤的吸附孔的分形特征时，采用传统的液氮比表面和孔径测试法进行（详细方法参见前节内容）。研究样品选自华北地区9个典型矿区，样品具有很强的代表性。所选样品的镜质组反射率为0.79％～4.24％，碳含量为51.96％～82.30％，灰分产率为4.96％～37.16％，水分含量除两个样品较高（4.04％和6.58％）外，其余均为0.62％～1.68％。煤岩显微组分中镜质组为7％～84％，惰质组为12％～73％（表2.11）。

表2.11 研究煤样的煤岩和煤化学特征

根据液氮测试结果，所有样品的BET比表面积为0.3～4.7m2/g，平均孔径为1.9～11.4nm，BJH总孔容为（1.3～14.39）×10-3mL/g，孔隙结构中以微孔和小孔对总孔容和总比表面积的贡献最大（表2.11）。据甲烷等温吸附结果，样品收到基的兰氏吸附体积在4.11～20.83m3/t，兰氏压力为0.16～3.4MPa（表2.12）。

表2.12 研究煤样的液氮吸附分析实验结果

①孔径范围为1.7nm到300nm；②通过BJH法计算获得；③通过BET法计算获得；④孔径范围为小于10nm；⑤孔径范围为10～100nm；⑥孔径范围为大于100nm。

2.6.1.1 煤的吸附孔分形维数计算

采用煤的液氮吸附实验中相对压力和吸附量的数据可计算煤的吸附孔的分形维数，计算方法主要有分形BET模型（Brunauer-Emmett-TellerModel）、分形FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型和热力学模型等方法（Xuet al.，1997；Garbacz，1998；Nakagawaet al.，2000；Gaudenet al.，2001；Huet al.，2004a，2004b）。在这些方法中分形FHH模型方法是应用较多的一种计算模型（Qiet al.，2002；Pyunet al.，2004；Shafeiet al.，2004；Rigby，2005；Leeet al.，2005；2006；Wee，2006）。分形FHH方法的来源和计算原理已在国内外众多文献中进行过报道，如Pfeifer等（1983，1989），Avnir等（1989），Yin（1991），Drake等（1994），Ismail等（1994）和Wu（1996）。因此，这里仅对这种方法作简要综述。

根据FHH模型原理，利用吸附压力和吸附量的数据，可根据如下方程计算煤的吸附孔分形维数：

煤储层精细定量表征与综合评价模型

式中：V为平衡压力P下吸附的气体分子体积；V0为单分子层吸附气体的体积；P0为气体吸附的饱和蒸汽压；A为取决于煤的微小孔分形维数D及煤的吸附机制的一个幂指数常数；a为常数。其中，A值可通过吸附体积和相对压力倒数的对数线性关系（lnV和ln（ln（P0/P）））的斜率求得。获得A值后，可进一步计算煤的吸附孔分形维数。值得指出的是，在通过A计算D时，不同的学者基于不同的吸附理论提出了两种不同的计算方法，且至今未达成共识（Qiet al.，2002；Pyunet al.，2004；Rigby，2005）。

一种观点认为煤对氮气的吸附是一种单分子层吸附行为，受吸附质和吸附剂（气—固）界面之间的范德华力所控制，此时分形维数的计算表达式为：

煤储层精细定量表征与综合评价模型

另一种观点认为气—固界面间的范德华力相对于气液界面之间的表面张力可以忽略不计，煤对氮气的吸附行为主要受毛管凝聚效应所控制，因此分形维数的计算表达式为：

煤储层精细定量表征与综合评价模型

为了确定比较科学的分形维数计算方法，下面对采自我国北方的13块煤岩样品的吸附和脱附曲线进行分析。

对实测的煤的吸/脱附曲线（图2.33）分析发现，煤的液氮吸、脱附曲线主要有类型A和类型B两种（表2.13）。其中类型A（图2.33a-g）的主要特点是，吸、脱附曲线分支在相对较低的压力时是可逆的，而在相对较高压力（P/P0>0.5）时，吸、脱附分支存在明显的滞后环，各个样品的滞后环均出现在相对压力约为0.5。类型B（图2.33h-m）的主要特点是，在整个相对压力段，吸、脱附分支始终平行而不存在明显的滞后环。如前文所述，煤的吸、脱附曲线间存在滞后环的主要原因是由于煤在吸、脱附气体过程中，微、小孔间存在明显的孔径或孔喉差异而引起的（Khaliliet al.，2000；Qiet al.，2002；Sing，2004），滞后环尤其在以“细颈瓶”型孔发育的煤中较常见。

根据Kelvin方程，计算相对压力为0.11时所对应的产生毛细凝聚的最大孔半径为0.43nm。在如此小的毛细孔隙里，氮气分子（分子直径约为0.3nm）只能以单个排列的方式充填在里边，而不可能再进行多分子层吸附，所以当相对压力小于0.11时，发生的只是在超微孔中的毛细充填以及在较大孔壁上的单分子层吸附，此时分形维数应该按照方程（2.4）进行计算。当相对压力大于0.11时，半径小于0.43nm的超微孔都已被填满，随着相对压力增大，单分子层吸附便开始向多层吸附过渡。此时，当相对压力和某种孔的孔半径符合Kelvin方程时，便会在这种孔半径的孔里发生毛细凝聚，因此当相对压力大于0.11时毛细凝聚便开始起作用。这时，选择方程（2.4）还是方程（2.5）进行分形维数的计算取决于两种吸附机制中哪种起主导作用。

表2.13 基于分形FHH模型的微小孔分形维数的计算结果

①类型A为存在滞后环；类型B为不存在滞后环。

由于所有实验样品的A类吸/脱附曲线均在相对压力0.5左右产生滞后环，这也反映了在这个压力前后所测试的孔隙在大小和形态上存在较大差异，同时造成了在此压力前后存在不同的吸附行为（图2.33）。为此，这里以相对压力0.5为分界点，分别应用方程（2.4）和方程（2.5）两种方法来计算P/P0<0.5和P/P0>0.5两段的分形维数值（表2.13）。从计算的结果看，不论是A类还是B类吸/脱附曲线，在两个相对压力段（P/P0<0.5和P/P0>0.5），双对数曲线呈现不同的斜率，且两者均拟合较好（图2.34），这说明在这两个相对压力段确实存在两个不同的孔隙分形维数（D1和D2）。

对比表2.13中采用两种方法计算的分形维数值，发现无论是对于D1还是D2，通过方程式“A＝（D-3）”计算的分形维数值均在2和3之间，而通过表达式“A＝（D-3）/3”计算的结果偏小，大部分均小于2。由于孔表面或孔结构的分形维数一般都在2～3之间（Pfeiferet al.，1983；谢和平，1996），显然“A＝（D-3）/3”计算的结果已经脱离分形的意义。因此，采用“A＝（D-3）”的计算结果进行下一步分析。

图2.33 研究煤样的液氮吸、脱附曲线

图2.34 研究煤样的液氮吸附体积和相对压力的双对数曲线

从两种分形计算方法的对比看，方程（2.5）的计算结果相对可靠，也进一步说明无论在相对低压阶段还是在相对高压阶段，煤的氮气吸附机制中，均以气—液界面之间的表面张力（或毛管凝聚力）起主导作用。根据方程（2.5）分别计算了P/P0<0.5和P/P0>0.5两段的分形维数D1和D2（表2.13）。从计算结果看，D1值相对较低，为2.346～2.73，而分形维数D2值相对较高，为2.436～2.852，D1和D2没有明显的相关关系。对比两种类型的样品发现，存在滞后环的类型A的分形维数D2均较不存在滞后环的类型B的D2要高，而两种类型煤的D1的规律不明显。这说明两种类型吸/脱附曲线所代表的样品的较小吸附孔（<1.38nm）的微孔结构差异不大，存在滞后回线的样品的较大吸附孔（>1.38nm）的孔隙结构明显要比不存在滞后环的样品复杂。

2.6.1.2 分形维数与吸附能力的关系

如前所述，煤的甲烷的吸附能力主要受煤的物理、化学特征（如煤级、煤岩组分、灰分、水分等）和温度、压力、原地应力等外界条件所控制，这种认识已经被大量的研究所证实。然而，关于煤的微小孔分形特征对煤的吸附甲烷能力的研究还未见报道。因此，笔者通过对两个分形维数与煤的最大甲烷吸附容量（兰氏体积，VL）的关系研究，来进一步探讨煤的吸附孔的孔径结构对煤的吸附能力的影响。

分形维数D1与煤的吸附能力（收到基和干燥无灰基的兰氏体积）的关系如图2.35所示。分形维数D1与煤的甲烷吸附的兰氏体积呈现显著的二项式的相关关系。在分形维数D1<2.5时，分形维数较高的煤并不具有明显较强的甲烷吸附能力；而当D1>2.5时，甲烷吸附能力随煤的分形维数增高而增强。相比较而言，分形维数D2与煤的甲烷吸附能力呈弱的线性负相关关系，如图2.36所示。说明分形维数D2越高的煤的甲烷吸附能力越低。同时，分形维数D1对煤的吸附能力的影响较大，而D2影响较小。主要原因是，煤对甲烷的吸附大部分为孔隙表面的吸附，仅有少部分为孔隙填充吸附，而分形维数D1恰恰反映了煤的微孔表面的分形维数，而分形维数D2恰恰反映了煤的微小孔的孔结构的分形维数。关于分形维数D1和D2的区别以及两者所代表的不同的分形维数，将在下文详细探讨。

图2.35 分形维数D1和兰氏体积VL的关系

图2.36

2.6.1.3 分形维数与煤的物质组成的关系

如前所述，分形维数D1和D2对煤的甲烷吸附能力具有完全不同的影响，为了进一步研究两者的差别，这里主要调查了两个分形维数与煤的物质特征参数，如煤级、组成等的关系，以及煤的孔隙特征参数，如微小孔比表面、平均孔径、微孔体积等的关系。

两个分形维数与煤的物质特征参数的关系如图2.37～图2.40所示。分形维数D2与煤的水分含量呈“倒U”型的相关关系，即在水分含量小于2％时，随着煤中水分含量的增高，煤的吸附能力越强；而当水分含量大于2％时，两者关系恰好相反。相比较，分形维数D1与煤的水分含量没有显著的相关关系。这说明，煤中的水分含量对煤的分形维数D2具有显著影响，而对D1没有显著影响。比较两个分形维数与煤的吸附能力的关系发现，D2可能反映了煤的孔结构的分形维数。当煤吸附甲烷时，气/液相的水分子可能引起吸附分子在吸附表面的振动，形成气液表面张力而影响吸附。在煤的水分含量少于2％时，由于气液表面张力的存在煤表面并未完全被吸附质所覆盖，因此水分含量越高则分形维数越高；当煤的水分含量大于2％时，随着水分含量的增加，气液表面张力消失，孔隙结构因被水分子充填而变得均一，因此水分含量越高，其表面的分形维数越低。D1则反映了煤的表面分形维数，对煤中的水分含量变化的关系不明显（图2.35）。

图2.37 分形维数（D1和D2）与煤的内在水分含量的关系

两个分形维数与煤的灰分产率的关系如图2.38所示。由图中可知，分形维数D2与煤的灰分产率呈弱—中等的线性正相关关系，这是因为D2代表了煤的孔结构的分形维数，因此对煤中的灰分变化规律较明显。煤中的灰分会充填煤的微孔，造成孔隙结构的非均质性增强，因此分形维数增高。相比较，D1则代表了煤的孔表面分形维数，因此分形维数D1与煤的灰分产率的关系并不明显。

图2.38 分形维数（D1和D2）与煤的灰分产率的关系

两个分形维数与煤的碳含量关系如图2.39所示。分形维数D2与煤中碳含量呈“U型”关系，在碳含量为70％～80％时取得极小值，这个研究结果与徐龙君等（1996）研究中指出的煤的分形维数和H/C原子比的关系的研究可相互印证。当煤中碳含量少于75％时，随着碳含量增高，分形维数D2迅速减少，这是由于煤热演化中的脱挥发分作用和去氢化作用使得煤的碳含量逐渐增高，灰分和水分等含量逐渐减低。因此高碳含量的煤一般具有较低的灰分和水分含量，同时也一般具有较低的分形维数。而当碳含量大于75％时，碳含量越高，分形维数D2越高，主要是因为此时脱挥发分作用已不再起主导作用，而起主导作用定的是随着碳含量增高煤的微孔含量和微孔体积逐渐增高这个因素。较高的微孔含量导致了高碳含量的煤具有较高的分形维数。分形维数D1与煤的碳含量的关系呈现微弱的负相关关系，这可能是由于碳含量较高的煤的基本结构单元中微晶结构排列越均一化，其孔表面的分形维数D1也相应越小。

图2.39 分形维数（D1和D2）与煤的碳含量的关系

图2.40 分形维数（D1和D2）与煤的镜质组反射率的关系

分形维数D1和D2与煤的煤级、显微组成均没有显著的相关关系，是因为煤级和煤的显微组成与煤的灰分和水分等其他关系密切相关，而这些因素又与煤的分形维数（D1和D2）呈现不同的相关关系，所以导致分形维数和这些因素间的规律并不明显。

2.6.1.4 分形维数与煤的孔隙结构的关系

如前所述，分形维数D1可能代表了煤的孔表面的分形维数，而分形维数D2可能代表了煤的孔结构分形维数。进一步研究这两个分形维数与煤的孔隙结构的关系可以更好的证明两者各自所代表的物理意义。因此，这里研究了两个分形维数与煤的微小孔比表面积、平均孔直径及微孔能力的关系。

两个分形维数与煤的微小孔比表面积的关系如图2.41所示。由图中可知，分形维数D1与煤的比表面积呈线性正相关的关系。煤的比表面积越高，其分形维数D1越高。相比较，D2与煤的比表面积呈典型的“倒U型”的关系，当煤的比表面积约为3m2/g时，煤的分形维数D2取得极大值。

两个分形维数与煤的平均孔径的关系如图2.42所示。D2与煤的平均孔径呈显著的线性负相关关系，其相关关系的拟合优度高达0.85，说明D2主要与煤的孔径结构有关。分形维数D2较高的煤一般具有复杂的孔隙结构（或者说孔喉发育异常复杂），这也证明了D2主要表征了煤的孔结构的分形维数。因为分形维数D1仅表征煤的孔表面的分形维数，因此与煤的平均孔径并没有显著的相关关系。

图2.41 分形维数（D1和D2）与煤微小孔比表面积的关系

图2.42 分形维数（D1和D2）与煤平均孔直径的关系

图2.43为两个分形维数与煤的微孔比例的关系。由图中可知，D2与煤的微孔能力（包括微孔含量和比例）具有显著的正相关关系，而D1与煤的微孔能力的关系并不明显。原因同样是因为D1代表了煤的孔表面的分形维数，而D2则代表了煤的孔结构分形维数。

图2.43 分形维数（D1和D2）与煤的微孔百分比的关系

2.6.1.5 孔隙非均质性对煤的吸附能力的影响

一般来说，描述多孔物质的分形特征主要有孔表面积分形维数和孔结构分形维数两种（Pyunet al.，2004）。孔表面积分形维数代表了煤表面的非均一性程度，分形维数越大，表面越不光滑。孔表面积分形维数等于2代表了非常平滑的孔隙表面，而分形维数等于3则代表了非常粗糙的孔隙表面。孔结构分形维数代表了煤的孔结构的非均一性，分形维数越大，孔径的孔喉越小，连通性越差。孔结构分形维数等于2时代表了非常均一的孔隙结构，而分形维数等于3时则代表了异常复杂的孔隙结构。因此，为了研究煤的吸附孔的分形特征，这两个分形维数都必须考虑。如前所述（图2.35～图2.43），分形维数D1主要与煤的比表面积的相关性较大，因此分形维数D1代表了孔表面积的分形维数；而D2则主要与煤的微孔含量、平均孔径、灰分和水分含量等关系密切，它代表了煤的微小孔的孔结构的分形维数（Yaoet al.，2008b）。

在煤吸附甲烷的初始阶段，孔表面积分形维数起主导作用。随着相对压力的增高，单分子层吸附饱和后，进入多分子的微孔充填过程，这时孔结构的分形维数开始发挥作用（图2.44）。吸附的早期阶段以单分子层微孔表面吸附为主，分形维数D1起主导作用；而随着吸附压力增高，吸附表面覆盖较高时，煤的微小孔填充开始发挥作用，即分形维数D2开始发挥作用。总之，两者对煤的吸附能力均具有重要作用，然而由于煤的吸附以表面吸附为主，因此分形维数D1对煤的吸附能力的影响较大，而分形维数D2对煤的吸附能力的影响相对较小。

图2.44 煤吸附甲烷的过程和阶段示意

进一步比较两个分形维数发现，D1和D2与煤对甲烷的吸附过程密切相关。煤对甲烷的吸附过程可以总结为单分子层的吸附过程和多分子层的吸附过程（Khaliliet al.，2000）。在单分子层吸附阶段，微孔吸附起主导作用，吸附的能力主要来自于气—固界面间分子的范德华力，分形维数D1也反映了煤分子和气体分子间的范德华力作用。在多层吸附充填阶段，微孔表面已经大部分覆盖饱和，此时微孔和小孔的充填作用开始发挥作用，吸附能力受气—液间的表面张力或分子凝聚现象所影响（Qiet al.，2002；Sing，2004），分形维数D2表征了这种力学行为。

综上可知，在研究煤对甲烷的吸附特征时，分形维数D1和D2都必须考虑。这两个分形维数对煤的吸附甲烷能力产生了不同的影响。一方面，分形维数D1越高，煤的微孔表面越粗糙，其提供的吸附位越多，煤的甲烷吸附能力越强。另一方面，分形维数D2越高，煤的孔结构越复杂，毛管浓缩效应越强，煤的甲烷吸附能力降低。孔表面分形维数越高而孔结构分形维数越低的煤的甲烷吸附能力越强。

准噶尔盆地侏罗系煤储层甲烷等温吸附实验（如表4-35所示）具有以下特征：

1）原煤的饱和吸附量（VL）变化于4.96～16.29 m3/t之间，平均10.64 m3/t，可燃质饱和吸附量为5.65～18.06 m3/t，平均11.69 m3/t，这说明侏罗系煤具有较强的储气能力，在其他条件配置合适的情况下，煤层中的气体富集程度可能比较高，这对煤层气开

表4-35 准噶尔盆地侏罗系煤储层甲烷等温吸附实验综合成果表

发是非常有利的。

2）Langmuir压力中等，其变化范围为1.74～5.02 MPa，平均3.407 MPa。兰氏压力（pL）是吸附量（VL）值为50%时的对应压力值，其大小反映了煤层气解吸的难易程度。准噶尔盆地以准南阜康一带兰氏体积最大，其煤层气在开采中随压力降低最易解吸出来；在三塘湖盆地，虽巴里坤矿VL值较高，但pL最低，说明煤层气最难解吸出来，对煤层气开采不利。

3）等温条件下，吸附量与储层压力呈正相关。随着压力的增高，吸附量变大，在0～1 MPa区间段，吸附量随压力增加而以较高的斜率近似呈线性增长，此后增长率逐渐变小，直至吸附增量为零，煤的吸附达到饱和状态。

从甲烷等温吸附实验综合成果（表4-36、图4-27）中分析，在准噶尔盆地，以准南阜康一带煤层的吸附能力较高，平衡水原煤样的理论最大吸附量可达14.14 m3/t，达到＞8 m3/t的含甲烷煤层级别。如果换算成无水基煤层气（甲烷+重烃）含量，其吸附能力会更高，预计准南阜康—乌鲁木齐—昌吉地区均可达到富甲烷煤层级别，反映出较高的开发潜力。在三塘湖盆地，以巴里坤煤矿区煤层的吸附能力较高，煤层有较强的储气能力。从平面上看，八道湾组兰氏体积在准南、准东较高（图4-28），西山窑组也具有类似变化趋势（图4-29），但西山窑组总体上好于八道湾组。

图4-27 准噶尔盆地煤储层等温吸附曲线

煤层气的赋存状态有三种:吸附状态、游离状态和溶解状态，其中约占煤层气总量90%的属于吸附状态。吸附是指煤层气吸附在煤孔隙的内表面上，这是煤层气的主要赋存形式。

在吸附状态下，煤的内表面上分子的吸引力，一部分指向煤的内部，已达到饱和另一部分指向空间，没有饱和，从而在煤的表面产生吸附场，吸附周围的气体分子。这种吸附是一种物理现象，是100%的可逆过程。在一定条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，进入游离相。

在游离状态下，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，可以自由运移，其运移的动力是压力。游离状态的煤层气数量较少。

煤中的甲烷还可以溶解于煤层中的地下水中，成为溶解气，但其数量较少。

在煤化作用过程中生成的气体，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，这三种状态的气体处于同一的动态平衡体系中［29］。

总之，煤层气的赋存主要有以下特点:煤层中甲烷处于被吸附状态，在孔隙中呈溶解状态煤层中被吸附的甲烷和被溶解的甲烷处于动态平衡状态，故被煤吸附的甲烷数量与溶液的甲烷浓度成正比:因为能渗透的孔隙容积内充满了地下水，所以在潜水面以下的煤层中没有游离气态甲烷存在［26］。

瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处。瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。

瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。

游离状态也称为自由状态，这种瓦斯以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、孔隙之中，其量的大小主要决定于贮存空间的体积、压力和温度。

吸着状态又称结合状态，其特点是瓦斯与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又可分为吸附及吸收两种。吸附状态是由于固体粒子与气体分子之间分子吸引力的作用，使气体分子在固体粒子表面上紧密附着一个薄层；吸收状态是气体分子已进入煤分子团的内部。

几种状态的瓦斯处于不断变化的动平衡之中，在一定条件下会互相转化。当压力、温度变化时，游离瓦斯转化为吸着瓦斯称为吸附，吸附瓦斯转化为游离瓦斯称解吸

1.侏罗系储层等温吸附特征

鄂尔多斯盆地侏罗系煤储层原煤的饱和吸附量（VL）（表4-38）变化于4.26～26.209 m3/t之间，平均12.54 m3/t，其中东胜煤田兰氏体积在12.75 m3/t左右；神木至榆林一带煤储层兰氏体积均小于8 m3/t；甘肃华亭至宁夏灵武矿区一般在4.26～9.9 m3/t之间；盆地范围内以宁夏汝箕沟矿区原煤的兰氏体积最高，其值达26.2 m3/t（图4-37）。总体上鄂尔多斯盆地煤储层兰氏体积南部矿区明显高于北部，西部高于东部（图4-38）。Langmuir压力相对较低，其变化范围为0.47～2.0 MPa，平均1.08 MPa。

2.石炭-二叠系储层等温吸附特征

鄂尔多斯盆地上古生界石炭—二叠系原煤兰氏体积普遍较高，一般变化在9.66～36.66 m3/t，平均在15.82 m3/t（表4-39），陕西北部府谷矿区为9.66 m3/t；南部铜川矿区在19.9 m3/t左右，韩城矿区煤储层兰氏体积较高，可达36.66 m3/t（表4-36）；山西河东煤田煤储层兰氏体积为9.9～22 m3/t，由北向南兰氏体积不断增加；宁夏中部的横城及韦洲等矿区煤储层兰氏体积相对较小，多小于16 m3/t，内蒙古桌子山至宁夏石炭井一带在16～20 m3/t。总体上石炭-二叠系煤储层兰氏体积以东南和西北相对较高，而东北及西南相对较低（图4-39）。盆地内储层兰氏压力相对较小，一般在0.31～2.89 MPa之间，平均在0.96 MPa（图4-40）。

鄂尔多斯盆地煤储层的等温吸附兰氏体积随煤化作用的增加而增大（图4-41），鄂尔多斯盆地除汝箕沟矿区煤的变质程度较高，其兰氏体积在26 m3/t外，其他地段因煤化程度较低，其兰氏体积基本小于12 m3/t；石炭—二叠系煤储层因煤化程度普遍较高，其兰氏体积也相对较侏罗系煤储层兰氏体积要高。兰氏压力表现为随煤化程度的增加而减小（图4-42）。

图4-30 塔里木盆地侏罗系煤储层最大含气量分布图

图4-31 新疆侏罗系煤储层Langmuir体积与镜质组反射率关系

图4-32 艾维尔沟煤的等温吸附曲线

图4-33 三道岭4煤等温吸附曲线

图4-34 七泉湖煤储层等温吸附曲线

图4-35 吐哈盆地侏罗系煤层最大含气量分布图

图4-36 柴达木盆地侏罗系煤层最大含气量分布图

图4-37 鄂尔多斯盆地侏罗系煤储层主要样品兰氏体积、兰氏压力直方图

图4-38 鄂尔多斯盆地侏罗系煤储层最大含气量等值线图

表4-38 柴达木盆地及祁连地区侏罗纪煤层等温吸附成果表

图4-39 鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤储层最大含气量等值线图

表4-39 鄂尔多斯盆地侏罗系煤储层等温吸附实验成果表

图4-40 鄂尔多斯盆地石炭—二叠系主要样品兰氏体积、兰氏压力直方图

图4-41 石炭—二叠系煤储层兰氏体积与镜质组反射率关系

图4-42 兰氏压力与镜质组反射率的关系

水分对煤储层的兰氏体积也有较明显的影响，随水分的增加，煤储层的等温吸附兰氏体积明显减小（图4-44）。水分对兰氏体积的影响，一方面是随着煤化程度的增加，水分不断减少（图4-43），另一方面，水分占据煤的内表面，水分越高，占据的内比表面越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量降低。

图4-43 水分与镜质组反射率关系

图4-44 石炭—二叠系煤储层兰氏体积与水分关系

煤储层等温吸附实验样品均采自吐哈盆地各煤矿井下工作面的新鲜面。采用石油研究院廊坊分院美国进口高压吸附试验设备进行测试。气源为高压CH4气体，其纯度为0.999，初始压力值达14 MPa。实验温度控制在吐哈盆地1000 m深度的大致平均温度35℃（根据吐哈盆地各点地温梯度推算），并采用平衡水方法进行测试。

实验结果表明，吐哈盆地煤储层的甲烷极限吸附量总体偏低，原煤Langmuir吸附量在5.97～24.23 m3/t，Langmuir压力在1.75～3.39 MPa（表4-37，图4-31）。其中东部野马泉及西部的艾维尔沟至托克逊一带煤储层的甲烷极限吸附量较大，原煤最大甲烷极限吸附量达24.23 m3/t（图4-32），三道岭矿区原煤兰氏体积为6.33 m3/t（图4-33），七泉湖矿区兰氏吸附量仅5.97 m3/t（图4-34）。结合相邻盆地侏罗系煤储层吸附参数编制的甲烷最大吸附量与煤的镜质组反射率散点图反映，煤储层最大甲烷吸附量在本区明显随变质程度的增高而增加（图4-35）。由此可推测南部大南湖矿区及沙尔湖矿区等低煤级区域煤储层的甲烷吸附能力相对较差。

表4-37 吐哈盆地煤的甲烷等温吸附实验结果

在煤的形成过程中伴随着3种副产品生成——甲烷、二氧化碳和水。由于甲烷是可燃性气体，又深藏在煤层之中，所以人们称它为“煤层气”。

甲烷一旦产生，便吸附在煤的表面上。甲烷的产生量与煤层深浅有关。一般来讲，煤层越深，煤层气越多。

理想的煤层气条件是：煤层深度300米~900米，覆盖层厚度超过300米，煤层厚度大于1.5米，吨煤含气量大于8.51立方米，裂缝密度大于1.5米／条为好。

开采甲烷的关键问题有2个：一是使甲烷从煤的表面解吸下来，一般是靠降低煤层压力来解决，主要办法是通过深水移走来降低压力；二是让从煤层表面解吸下来的甲烷顺利穿过裂缝进入井孔。

煤层气如果得不到充分利用，会带来2大害处：一是在煤层开采过程中以瓦斯爆炸的形式威胁矿工的生命安全；二是每年全球有上千亿立方米的瓦斯进入大气中，对环境造成巨大污染。所以，在很早以前人们就想把煤层气作为资源加以利用，让它化害为利，这便是人们开发利用煤层气的最初动因。

进入20世纪70年代后，受能源危机的影响，人们在寻找新能源方面的积极性空前高涨。在有天然气资源的地方，天然气备受青睐；在没有天然气的地区，煤层气便成为人们寻找中的理想新能源。此外，随着开采和应用技术的进步以及显著的经济效益，又给煤层气的开发利用注入了新的动力。

开发煤层气在经济上的优越性表现在几个方面：勘探费用低、利润高、风险小、生产期长。其勘探费用低于石油的勘探费用，生产气井的成本也较低。一般来讲，煤层气的钻井成功率可达到90％以上，打一口井只需要2~10天。浅层井的生产寿命为16~25年，4米井的生产寿命为23~25年。

现有资料表明：全世界煤层气资源为113.2×1012~198.1×1012立方米。国外对煤层气的小规模开发利用始于上个世纪50年代，大规模开发利用则是从80年代开始的。

目前，美国煤层气的开采在世界上居领先地位，每天煤层气产量已超过2800万立方米。中国煤炭储量为1×1012吨，产量居世界首位，煤层气资源为35×1012立方米，相当于450亿吨标准煤，与中国常规天然气资源相当，已成为世界上最具煤层气开发潜力的国家之一。

与常规天然气储层相比，煤层气储层具自身的特殊性，煤层气的赋存与常规天然气也明显不同。表5.4列出了煤储层与常规砂岩储层的异同点。

表5.4 常规砂岩储层和煤储层的比较表

续表

(1)煤的孔隙结构特征

煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙—孔隙型储层。割理将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透性很低；割理是煤中的次要孔隙系统，但却是煤层中流体(气体和水)渗流的主要通道。孔隙和割理都是煤储层研究的重要内容。

割理是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙，其成因有内生和外生(构造成因)之分，规模有大有小，与煤田地质学上的“裂隙”为同义词。在煤层气地质领域，一般将“割理”和“裂隙”通用。

根据孔隙—割理的物理测试结果，通常将煤中孔隙(包含割理)的空间尺度划分为：＜0.01μm为微孔，0.01～0.1μm为小孔，0.1～1μm中孔，＞1μm为大孔。

(2)煤的割理系统

割理的规模类型：割理的规模存在很大差异，小者数微米长，大者数米长。不同规模的割理在煤层中的发育程度相差较大。不同规模的割理，对气体的渗流起着不同的作用。张新民(2002)等按照割理的规模以及割理与煤层、煤岩类型及煤岩成分的关系对其进行了分类(表5.5)。

表5.5 割理的规模类型及特征简述表

续表

割理的三维几何形态：割理系统有互相大致垂直的两组，其中延伸长度大，且发育的一组叫面割理；被面割理横切的另一组叫端割理。端割理一般与面割理是互相连通的。端割理的长度受面割理间距的控制，面割理间距越宽，端割理越长。端割理与面割理的高度受控因素相同，主要与煤岩类型和煤岩组分有关。割理的宽度与其规模有关。割理规模越大，宽度亦越大，变化范围一般为1μm至几厘米。

割理的长度在层面上可测量到，发育的面割理呈等间距分布，其长度变化范围很大。总体上，煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，面割理越发育、割理高度越大。面割理高度小到几微米，大到几十厘米。

割理形态也是多姿多态的，在层面上主要有：①网状，这种割理连通性好，属极发育；②一组大致平行排列的面割理极发育，而端割理极少，这种割理属于发育，连通性属较好；③面割理呈短裂纹状或断续状，端割理少见，这种割理连通性差，属于较发育。剖面上，割理主要呈垂直于层理或微斜交层理平行排列。

(3)煤层渗透率

宏观孔隙网络组成了连通性好的面割理和连通性稍差的端割理。面割理与端割理正交并垂直于煤层层面。割理是水和气流动的主要通道。被割理网络所包围的完整煤基质块体中的大部分孔隙为微孔隙，在这些煤中，流体主要通过扩散方式运移。故煤层的渗透性主要取决于煤层中割理的渗透性。根据火柴模型(the matchstick model)(Sawyer.1990；Harpalani和Chen，1997)，割理的孔隙度(φc)和渗透率(k)可近似为：

中国非常规油气地质学

式中：a和b分别为割理的间距和一个割理孔径的宽度。

割理渗透性由割理密度(间距)、裂缝宽度和开启性、范围和连通性控制。这些因素又取决于煤级、煤质(灰分含量)、煤岩组分、煤层厚度、构造变形、煤化作用和原地压力(Ammosov和Eremin，1963；Close，1993；Laubach et al.，1998)。由于煤层具极强的可压缩性，原地压力可以影响储层渗透性和产量特征。通常，由于超压作用，煤层渗透性随着埋深的加大而减小。因此，美国大多数煤层气产自埋深小于1200m的煤层。煤阶对煤层的渗透性也有显著影响，由表5.6可看出，低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。

表5.6 世界部分中、低煤阶煤层气藏试井渗透率参数表

(4)煤储层的吸附特征

煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，这是煤层气与常规储层储气机理不同的物质基础。煤吸附甲烷属物理吸附，理由主要是甲烷的吸附热比气化热低2～3倍，氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速的、可逆的。因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。

(5)煤吸附能力的影响因素

煤的吸附能力受煤本身的物理、化学性质及煤体所处的温度、压力等条件的控制。实验结果表明，煤的吸附能力受煤变质程度、温度、水分含量影响较为显著。

煤变质程度对吸附能力的影响。煤对甲烷的吸附是一种发生在煤孔隙内表面上的物理过程，吸附能力受孔隙特征的影响。在煤变质过程中，孔隙在发生着变化，从而影响着煤的吸附能力。张新民等(2002)认为从褐煤至无烟煤2号煤的吸附能力是随着煤化作用的增加而增大(表5.7)。成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其他各变质阶段的煤，长焰煤至肥煤3个煤阶吸附量增加缓慢，焦煤之后，煤的吸附量开始快速增加，于无烟煤2号煤的吸附能力最强。

表5.7 不同煤阶煤的吸附常数平均值(30℃，含平衡水分)

温度对煤吸附性能的影响。等温吸附实验一般采用的温度是30℃或煤储层温度。在压力不变的情况下，随着温度的升高，煤的吸附能力降低。在其他条件不变时，随着压力的升高煤对甲烷的吸附能力增大。

水分对煤吸附性能的影响。张新民等(2002)试验表明，随着煤中水分的增加，Langmuri体积呈减小趋势，这主要是煤的内表面上可供甲烷气体分子“滞留”的有效吸附点位是一定的，煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。

(6)煤储层压力特征

煤储层压力是指煤层孔隙中的流体(包括气体和水)压力。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤的裂隙中流向井筒的能量。当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙中扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而采气的。

实际上，原始煤储层压力差别较大。这是由于它受多种因素的影响，如区域水文地质条件、埋深、含气量、地应力等都可对煤储层压力造成影响。一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，将储层压力划分为三种类型(表5.8)。正常储层压力应等于9.5～10.0kPa/m，即基本上等于静水压力梯度；大于10.0kPa/m为高压储层，小于9.5kPa/m为低压储层。

表5.8 储层压力类型划分方案表