试论影响煤层气解吸扩散运移的地质因素

郭爱华 汪永才

【摘要】做好对影响煤层气解吸扩散运移地质因素的研究具有非常强的实践指导意义，本文主要对煤层气解吸、扩散、运移理论等进行了分析，以此为基础，探讨了影响煤层气解吸扩散运移的地质因素，希望能够对这方面研究起到一定指导及促进作用。

【关键词】煤层气解吸 扩散 运移 地质因素

1 引言

随着社会的发展，人们对于资源的重视越来越强，在这种背景下，关于煤层的研究越来越多，而影响煤层气解吸扩散运移的地质因素的研究就是其中的一部分，本文将对影响煤层气解析扩散运移的地质因素进行探讨，不足之处，敬请指正。

2 煤层气解吸、扩散、运移理论2.1 煤层气解吸

我国具有丰富的煤炭资源，根据最新的调查数据显示，我国煤层气资源在埋深为2000m以内的总量大约为36000×1000m3，等同于常规的天然气资源储备，占世界第三位。然而，在我国煤层气的开发还处于一个探索阶段，虽然煤层气的勘察和生产已经开始起步，但是还有许多关键性的技术尚未突破，还需要对有关煤层气的理论方面多研究，以实现其商业开发价值。

煤层气解吸是一种物理现象，其实际是气体在基质中被吸附，其吸附能力与地质因素有关，比如温度、压力以及地应力等，吸附之后气体又从基质中脱离出来，这种现象叫做解吸，煤层气解吸理论即是在此基础上，当煤层压力下降，甲烷吸附气从中脱离出来。煤层的解吸过程主要有四种：降压解析、气温解析、扩散解析以及置换解析。其中，降压解吸是最为常用的一种方法。

1960年以来，煤层气数值模拟理论得到了快速发展，大部分模型都是按照煤层气解吸、扩散以及运移的三个过程来进行模拟，主要有经验模型、平衡吸附模型以及非平衡吸附模型等。

2.2 煤层气扩散

煤层气扩散即是煤层气与另外一种物质相互接触时，分子相互渗透的物理现象，其实质是质量的迁移，可以用菲克定律对其进行详细描述。煤层气扩散理论与菲克定律有一定的共性，都是从气体的流动规律上着手，并对介质的非均质性和异性角度进行研究，气体在煤层多孔介质中进行多维方向扩散，扩散的量与时间和压力有关。

2.3 煤层气运移

煤层中的气体主要是吸附的状态存在于煤基质和煤层空隙的表面，在地表压力不发生变化的条件下，气体、液体、固体处于吸附和解吸的平衡过程，结合气体运动学理论，气体分子拥有一定的动能，促使气体分子作不规则运动，并且使得气体分子介质内部得到平衡。煤层气运移的主要有两种形式的运动，一是扩散，二是渗流。煤层气运移的过程主要有以下几个方面：第一，煤层间存在压力，压力对裂隙系统之间的游离气产生反应，当压力降低，气体流出；第二，气体浓度变化，微孔的扩散流也会发生变化，气体从高浓度向低浓度扩散；第三，煤层气气体解吸。

3 影响煤层气解吸扩散运移的地质因素

对于煤层气来说，其主要属于多元混合气体，其中最主要的是甲烷，其他组分在性质上存在着较大的差异，比如在有效分子直径、临界压力、临界温度以及沸点尚存在较大的不同，因此在扩散运移的时候也会表现相对不同的形式（表1）。

整体来看，甲烷由于临界压力大、沸点及临界温度适中、有效分子直径比较大、吸附密度低，因此在煤中容易富集。至于氮气，其作为非极性分子，其沸点及临界温度比较低，而且有效分子直径比较小，因此在单组分吸附的过程中吸附量最低。至于二氧化碳，作为强极性分子，因此有效分子的直径小、沸点低、临界温度以及压力最大，吸附相密度大，因此单组分吸附时量最大。

3.1.3 储层介质属性

一般来说，低煤级煤中具有的孔隙比较大，而且主要是大中孔；中煤级具有的孔隙度最小，而高煤级孔的孔隙则又会增大。这种孔隙的大小会对气体的扩散进程造成影响，针对不连通孔隙，气体的运移呈现出间断性，而裂隙网络系统中，气体的流动则呈现出连续性。整体来看，当煤层中裂隙间距比较小的时候，整体气体扩散的路径则会比较小，其扩散的速度就会比较慢。

3.1.4 煤层厚度及围岩

相关资料显示，煤层的厚度会影响扩散速度，因此伴随着煤层中间距厚度的增加以及煤层间距的增加，扩散速度将会降低。

3.2 外界条件影响

3.2.1 温度

分子质量的迁移形成了分子运移，而对质量迁移又是由分子动能来推动的。理论上说，气体分子动能和温度的关系是可以用相应函数来表示的，当温度比较高的时候，气体分子运动速度则会比较快，整体的动能比较大。对于甲烷来说，其扩散作为活性运动，当其温度不断变高的时候，其气体的扩散速度以及扩散几率也会升高。

3.2.2 压力

对于气体来说，其有压缩性，在储层的压力变大的时候，煤层吸附量也会相应增大，这个时候煤储集能力也会变大，使气体的扩散速度降低。当吸附量变大的时候，气体的压力也会变大，这时气体的浓度则升高，使得气体扩散能力被增强。

具体来看，在压力以及温度的作用下，煤层气将出现扩散及渗流，而这一反应有时需要以动力源作为外在条件的。对于运移来说，其力源主要包括构造应力、储层压力、温度、扩散作用力以及渗透作用力。至于气体的解吸，主要是指媳妇态气体在压力降的作用下变为游离态。

从煤层气成藏机制来看，起实际的气含量将处在非饱和的状态下，只有比储层压力（临界解吸压力）小的气体才可能够出现解吸。一般来说，临界解吸压力和储层压力越接近，其解吸也会越容易。而储层压力降的幅度比较大的时候，解析量也会比较大，也就是说储层压力下降到大气压的水平时，气体才会被全部的解吸。3.3.3 地应力

这主要包括热应力、构造应力以及静岩力等，在这些应力场的综合作用下，孔隙内部应力作用则受到影响。具体来看，在自然应力对煤层孔隙进行作用的时候，将会产生煤层孔隙围压，进而对孔隙中流体造成影响。

构适应力以及储层压力对煤层气含量以及渗透率起到了决定的作用，并对煤层气体的渗透作用以及扩散作用起到影响，针对有效应力集中地区来说，裂隙闭合的时候，储层压力则会比较高，渗透性则比较低，，导致气体迁移过程及质量交换比较复杂、缓慢；而对于有效应力轻微地区来说，当裂隙开启的时候，储层压力则会比较低，整体的渗透性则比较好，使得气体质量交换及迁移会更加流畅一些。

4 结语

本文主要从煤层气解吸、扩散、运移理论等几个角度探讨了影响煤层气解吸扩散运移的地质因素，整体来看，关于影响煤层气解吸扩散运移地质因素的研究具有非常强的实践指导作用，但是受制于篇幅的限制，本文难以对其进行深入的探讨，因此还希望各位同行能够对本文进行补充和指正，这样才能够使这方面的研究更为系统，进而共同促进其研究水平的提升。

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