郭愛華 汪永才

【摘要】做好對影響煤層氣解吸擴散運移地質因素的研究具有非常強的實踐指導意義，本文主要對煤層氣解吸、擴散、運移理論等進行了分析，以此為基礎，探討了影響煤層氣解吸擴散運移的地質因素，希望能夠對這方面研究起到一定指導及促進作用。

【關鍵詞】煤層氣解吸 擴散 運移 地質因素

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對于資源的重視越來越強，在這種背景下，關于煤層的研究越來越多，而影響煤層氣解吸擴散運移的地質因素的研究就是其中的一部分，本文將對影響煤層氣解析擴散運移的地質因素進行探討，不足之處，敬請指正。

2 煤層氣解吸、擴散、運移理論2.1 煤層氣解吸

我國具有豐富的煤炭資源，根據最新的調查數據顯示，我國煤層氣資源在埋深為2000m以內的總量大約為36000×1000m3，等同于常規(guī)的天然氣資源儲備，占世界第三位。然而，在我國煤層氣的開發(fā)還處于一個探索階段，雖然煤層氣的勘察和生產已經開始起步，但是還有許多關鍵性的技術尚未突破，還需要對有關煤層氣的理論方面多研究，以實現其商業(yè)開發(fā)價值。

煤層氣解吸是一種物理現象，其實際是氣體在基質中被吸附，其吸附能力與地質因素有關，比如溫度、壓力以及地應力等，吸附之后氣體又從基質中脫離出來，這種現象叫做解吸，煤層氣解吸理論即是在此基礎上，當煤層壓力下降，甲烷吸附氣從中脫離出來。煤層的解吸過程主要有四種：降壓解析、氣溫解析、擴散解析以及置換解析。其中，降壓解吸是最為常用的一種方法。

1960年以來，煤層氣數值模擬理論得到了快速發(fā)展，大部分模型都是按照煤層氣解吸、擴散以及運移的三個過程來進行模擬，主要有經驗模型、平衡吸附模型以及非平衡吸附模型等。

2.2 煤層氣擴散

煤層氣擴散即是煤層氣與另外一種物質相互接觸時，分子相互滲透的物理現象，其實質是質量的遷移，可以用菲克定律對其進行詳細描述。煤層氣擴散理論與菲克定律有一定的共性，都是從氣體的流動規(guī)律上著手，并對介質的非均質性和異性角度進行研究，氣體在煤層多孔介質中進行多維方向擴散，擴散的量與時間和壓力有關。

2.3 煤層氣運移

煤層中的氣體主要是吸附的狀態(tài)存在于煤基質和煤層空隙的表面，在地表壓力不發(fā)生變化的條件下，氣體、液體、固體處于吸附和解吸的平衡過程，結合氣體運動學理論，氣體分子擁有一定的動能，促使氣體分子作不規(guī)則運動，并且使得氣體分子介質內部得到平衡。煤層氣運移的主要有兩種形式的運動，一是擴散，二是滲流。煤層氣運移的過程主要有以下幾個方面：第一，煤層間存在壓力，壓力對裂隙系統(tǒng)之間的游離氣產生反應，當壓力降低，氣體流出；第二，氣體濃度變化，微孔的擴散流也會發(fā)生變化，氣體從高濃度向低濃度擴散；第三，煤層氣氣體解吸。

3 影響煤層氣解吸擴散運移的地質因素

對于煤層氣來說，其主要屬于多元混合氣體，其中最主要的是甲烷，其他組分在性質上存在著較大的差異，比如在有效分子直徑、臨界壓力、臨界溫度以及沸點尚存在較大的不同，因此在擴散運移的時候也會表現相對不同的形式（表1）。

整體來看，甲烷由于臨界壓力大、沸點及臨界溫度適中、有效分子直徑比較大、吸附密度低，因此在煤中容易富集。至于氮氣，其作為非極性分子，其沸點及臨界溫度比較低，而且有效分子直徑比較小，因此在單組分吸附的過程中吸附量最低。至于二氧化碳，作為強極性分子，因此有效分子的直徑小、沸點低、臨界溫度以及壓力最大，吸附相密度大，因此單組分吸附時量最大。

3.1.3 儲層介質屬性

一般來說，低煤級煤中具有的孔隙比較大，而且主要是大中孔；中煤級具有的孔隙度最小，而高煤級孔的孔隙則又會增大。這種孔隙的大小會對氣體的擴散進程造成影響，針對不連通孔隙，氣體的運移呈現出間斷性，而裂隙網絡系統(tǒng)中，氣體的流動則呈現出連續(xù)性。整體來看，當煤層中裂隙間距比較小的時候，整體氣體擴散的路徑則會比較小，其擴散的速度就會比較慢。

3.1.4 煤層厚度及圍巖

相關資料顯示，煤層的厚度會影響擴散速度，因此伴隨著煤層中間距厚度的增加以及煤層間距的增加，擴散速度將會降低。

3.2 外界條件影響

3.2.1 溫度

分子質量的遷移形成了分子運移，而對質量遷移又是由分子動能來推動的。理論上說，氣體分子動能和溫度的關系是可以用相應函數來表示的，當溫度比較高的時候，氣體分子運動速度則會比較快，整體的動能比較大。對于甲烷來說，其擴散作為活性運動，當其溫度不斷變高的時候，其氣體的擴散速度以及擴散幾率也會升高。

3.2.2 壓力

對于氣體來說，其有壓縮性，在儲層的壓力變大的時候，煤層吸附量也會相應增大，這個時候煤儲集能力也會變大，使氣體的擴散速度降低。當吸附量變大的時候，氣體的壓力也會變大，這時氣體的濃度則升高，使得氣體擴散能力被增強。

具體來看，在壓力以及溫度的作用下，煤層氣將出現擴散及滲流，而這一反應有時需要以動力源作為外在條件的。對于運移來說，其力源主要包括構造應力、儲層壓力、溫度、擴散作用力以及滲透作用力。至于氣體的解吸，主要是指媳婦態(tài)氣體在壓力降的作用下變?yōu)橛坞x態(tài)。

從煤層氣成藏機制來看，起實際的氣含量將處在非飽和的狀態(tài)下，只有比儲層壓力（臨界解吸壓力）小的氣體才可能夠出現解吸。一般來說，臨界解吸壓力和儲層壓力越接近，其解吸也會越容易。而儲層壓力降的幅度比較大的時候，解析量也會比較大，也就是說儲層壓力下降到大氣壓的水平時，氣體才會被全部的解吸。3.3.3 地應力

這主要包括熱應力、構造應力以及靜巖力等，在這些應力場的綜合作用下，孔隙內部應力作用則受到影響。具體來看，在自然應力對煤層孔隙進行作用的時候，將會產生煤層孔隙圍壓，進而對孔隙中流體造成影響。

構適應力以及儲層壓力對煤層氣含量以及滲透率起到了決定的作用，并對煤層氣體的滲透作用以及擴散作用起到影響，針對有效應力集中地區(qū)來說，裂隙閉合的時候，儲層壓力則會比較高，滲透性則比較低，，導致氣體遷移過程及質量交換比較復雜、緩慢；而對于有效應力輕微地區(qū)來說，當裂隙開啟的時候，儲層壓力則會比較低，整體的滲透性則比較好，使得氣體質量交換及遷移會更加流暢一些。

4 結語

本文主要從煤層氣解吸、擴散、運移理論等幾個角度探討了影響煤層氣解吸擴散運移的地質因素，整體來看，關于影響煤層氣解吸擴散運移地質因素的研究具有非常強的實踐指導作用，但是受制于篇幅的限制，本文難以對其進行深入的探討，因此還希望各位同行能夠對本文進行補充和指正，這樣才能夠使這方面的研究更為系統(tǒng)，進而共同促進其研究水平的提升。

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