試論影響煤層氣解吸擴散運移的地質(zhì)因素

郭愛華 汪永才

【摘要】做好對影響煤層氣解吸擴散運移地質(zhì)因素的研究具有非常強的實踐指導(dǎo)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(chǔ)，探討了影響煤層氣解吸擴散運移的地質(zhì)因素，希望能夠?qū)@方面研究起到一定指導(dǎo)及促進作用。

【關(guān)鍵詞】煤層氣解吸 擴散 運移 地質(zhì)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(guān)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(zhì)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(zhì)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(jù)最新的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國煤層氣資源在埋深為2000m以內(nèi)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(chǎn)已經(jīng)開始起步，但是還有許多關(guān)鍵性的技術(shù)尚未突破，還需要對有關(guān)煤層氣的理論方面多研究，以實現(xiàn)其商業(yè)開發(fā)價值。

煤層氣解吸是一種物理現(xiàn)象，其實際是氣體在基質(zhì)中被吸附，其吸附能力與地質(zhì)因素有關(guān)，比如溫度、壓力以及地應(yīng)力等，吸附之后氣體又從基質(zhì)中脫離出來，這種現(xiàn)象叫做解吸，煤層氣解吸理論即是在此基礎(chǔ)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(shù)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(jīng)驗?zāi)Ｐ?、平衡吸附模型以及非平衡吸附模型等?/p>

2.2 煤層氣擴散

煤層氣擴散即是煤層氣與另外一種物質(zhì)相互接觸時，分子相互滲透的物理現(xiàn)象，其實質(zhì)是質(zhì)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(zhì)的非均質(zhì)性和異性角度進行研究，氣體在煤層多孔介質(zhì)中進行多維方向擴散，擴散的量與時間和壓力有關(guān)。

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(zhì)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(jié)合氣體運動學(xué)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(zhì)內(nèi)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(chǎn)生反應(yīng)，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(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)出間斷性，而裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，氣體的流動則呈現(xiàn)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(guān)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(zhì)量的遷移形成了分子運移，而對質(zhì)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(guān)系是可以用相應(yīng)函數(shù)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(yīng)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(xiàn)擴散及滲流，而這一反應(yīng)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(gòu)造應(yīng)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(xiàn)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(yīng)力

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

構(gòu)適應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致氣體遷移過程及質(zhì)量交換比較復(fù)雜、緩慢；而對于有效應(yīng)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(zhì)量交換及遷移會更加流暢一些。

4 結(jié)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(zhì)因素，整體來看，關(guān)于影響煤層氣解吸擴散運移地質(zhì)因素的研究具有非常強的實踐指導(dǎo)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?qū)Ρ疚倪M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。

參考文獻

[1] 曹成潤，牛偉，張遂安，霍永忠，陳秀艷，孫英男.煤層氣在煤儲層中的擴散及其影響因素[J].世界地質(zhì)，2009，（03）

[2] 聶百勝，何學(xué)秋，王恩元，張力，馮志華，薛二龍.功率聲波影響煤層甲烷儲運的初步探討[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009，（06）

[3] 楊建業(yè)，杜美利，蘇小鵬，李慧利.煤層氣藏的儲集特征及儲層評價[J]. 西安工程學(xué)院學(xué)報，2010（03）

[4] 馬漢鵬，陸偉，王德明，戴廣龍，仲曉星.煤自燃過程物理吸附氧的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，（07）

[5] 李前貴，康毅力，羅平亞.煤層甲烷解吸—擴散—滲流過程的影響因素分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009，（04）

[6] 李五忠，王一兵，崔思華，鮮保安，陳彩紅，王憲花.沁水盆地南部煤層氣田煤層氣成藏條件分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003，（02）

[7] 唐書恒，楊起，湯達禎，邵先杰，王江.注氣提高煤層甲烷采收率機理及實驗研究[J].石油實驗地質(zhì)，2002，（06）