《有关煤层气开采机理的讨论》
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简述煤层气的赋存及开采机理
简述煤层气的赋存及开采机理煤层气是一种以煤层作为富集和储存层的天然气资源。
它与石油和天然气一样，属于化石燃料的一种，具有高热值、清洁环保等特点，被广泛应用于工业、民用和交通等领域。
煤层气的赋存和开采机理涉及到地质学、煤学、岩石力学等多个学科，下面将从煤层气的赋存状态和开采过程两个方面进行简述。
一、煤层气的赋存状态煤层气主要以吸附气和游离气的形式存在于煤层中。
吸附气是指煤层中气体分子与煤质表面发生物理吸附作用形成的气体，它主要存在于孔隙中和煤质表面的微孔中。
游离气是指煤层中气体分子不与煤质发生吸附作用，直接存在于煤体的裂隙中。
煤层中的孔隙主要包括微孔、裂隙和堆积孔隙等，其中微孔是煤层气主要的储存空间。
煤层气的赋存状态与煤质、煤层厚度、地下温度和地下压力等因素密切相关。
二、煤层气的开采过程煤层气的开采过程主要包括勘探、开发、生产和利用四个阶段。
1. 勘探阶段勘探是确定煤层气资源储量和分布的阶段。
通过地质勘探、地球物理勘探和钻探等手段，获取煤层气地质储层参数和地下地质构造信息，以确定适宜的开采地点和开采方式。
2. 开发阶段开发是指利用各种开采技术将地下的煤层气资源转化为可利用的气体。
常见的开发技术包括水平井钻探、压裂和抽采等。
水平井钻探是将钻井技术与井筒完井技术相结合，钻设水平井以提高开采效率。
压裂是指通过注入高压液体将煤层裂缝扩展，以增大气体流动通道。
抽采是通过抽取地下水和降低地下压力，从而促使煤层气向井筒中流动。
3. 生产阶段生产是指煤层气从地下储层中抽采到地面，并进行处理、净化和输送的过程。
煤层气经过地面的分离、除水、脱硫和除尘等工艺处理后，可以供应给工业、民用和交通等领域使用。
4. 利用阶段利用是指将生产的煤层气应用于各个领域。
煤层气可以作为燃料供应给发电厂、工业企业和居民用户使用，也可以作为替代燃料用于交通运输。
煤层气的赋存及开采机理是一个复杂而系统的过程，涉及到多个学科的知识。
通过深入研究煤层气的赋存规律和开采技术，可以有效开发和利用煤层气资源，实现能源的可持续利用。
浅谈煤层气开采原理及开发意义
１ 前
言
晚， 于 上 个 世 纪 末 期 通 过 引 进 外 国 的 经 验 加 上 自身
煤层 气 又称 煤 矿 瓦斯 或煤 田沼 气 ， 是 煤 系地 层 中 以 腐 植 质 为 主 的有 机 质 在 成 煤 过 程 中形 成 ． 并 以
吸 附 和游 离状 态 赋存 于 生气 源 岩 （ 煤层 、 炭质 页 岩 、 泥 岩等 ） 中的 自储 式天 然可燃 气 体 。在采 煤工 业 中 ， 煤 层 气 是 矿井 致 爆 的 主要 因素 ， 被称为煤矿“ 第 一 杀手” 。同时 ， 由 于煤层 气 是一 种 有 害 的危 险气 体 ， 排 放 到 大 气 中 具 有 很 强 的 温 室 效 应 ， 既 破 坏 大 气 层 、 污 染 环境 ， 又 因其 易 燃 易 爆 而 严 重 危 及 着 广 大 煤 矿 职工 的生命 财 产安 全 。 因此 ． 研 究 煤层 气 的开 发利 用 ， 既 可 以有 效 解 决 煤 矿 瓦斯 治 理 问题 ， 保 障 采煤 安 全 ， 又 可提 供 新 的 洁净 能 源 资 源 ， 有 利 于 环 境 保 护 ，并 能 够 为 下 游 产 品 提 供 丰 富 的 基 础 原 料 ， 具 有 十分重 要 的意义 。 煤 层 气 的 开 发 是 在 美 国兴 起 的 ，受 制 于 世 界 能 源价 格 的持续 上 涨 ， 美 国于 ２ ０世 纪 ７ ０年 代 ， 开 始 了 煤层 气 的开 发探 索 阶段 ， 经 过 数 十年 的 努力 现 已进 入 到 商 业 开 发 阶 段 。现 在 美 国每 年 的 煤 层 气 产 量 已 经 超 过 中 国 天 然 气 产 量 。对 于 缓 解 美 国 能 源 的 紧 缺 起 了 相 当大 的 作 用 。中 国 的 煤 层 气 发 展 起 步 较 美 国
简述煤层气的赋存及开采机理。
简述煤层气的赋存及开采机理。
煤层气是一种以天然气为主要组成成分的有机矿物质，位于煤层中，具有重要的经济价值。
煤层气的形成是由煤级经历了自然热熔、长期压实形成的，其中以煤炭质部分发生的化学转化形成的烃类物质为主。
煤层气的赋存机理主要有渗漏、储存和驻留三种。
渗漏机制是指地质构造形成的胸部面上出现的渗漏洞口，天然气可以从地底深处穿过凝聚层形成流体，也可以从悬崖壁、地层剪切面等再渗漏到胸部，从而被抽出煤层，形成较高的渗漏通道，以及不同煤层产气更多的原因。
储存机制是指瓦斯以气体相存在油层中，被油层作为贮容空间，保持油层的结构特征和气体的流动状态。
驻留机制是指瓦斯驻留在煤级的微孔内，在煤层中构成“贯通型”的天然气储量，并受变形、裂隙和煤层特征的影响而分布均匀。
煤层气的开采机理是指为了开发煤层气而采取的一系列石油勘
探开采、处理和利用技术手段。
开发煤层气的目的，是为了实现其规模经济价值，采取合理的勘探开发策略和技术，开拓煤层气藏的量、质和利用率，为石油燃料供应和国家经济发展作出重要贡献。
煤层气的开采机理主要有顶板封堵开采、高抽进封堵体系开采、抽洞堵塞开采和水果眼体系开采4种。
- 1 -。
煤层气井采气机理及压降漏斗
煤层气井采气机理及压降漏斗1. 煤层气井采气机理煤层气（Coalbed Methane，简称CBM）是一种天然气，主要存在于煤层中。
煤层气的产生是由于煤层中的有机质在地质历史过程中经过压力和温度的作用，将有机质分解成甲烷等气体。
煤层气的开采是将这些天然气从煤层中采集出来供应给市场。
煤层气井的采气机理主要涉及以下几个方面：1.1 煤层气的吸附和解吸过程煤层气是以吸附形式存在于煤层中的，即气体分子通过静电力和万有引力相互作用，附着在煤表面。
随着压力的增加，煤层气开始解吸，即气体分子从煤表面脱附出来。
1.2 渗流过程煤层气在煤层中的渗流过程主要是通过煤层中的孔隙和裂缝进行的。
煤层中的孔隙主要是由于煤中的胶结物质、粒间隙和微孔隙所形成。
当煤层气压力高于地层压力时，气体就会顺着渗透率较高的通道进行流动。
1.3 煤层气的产量衰减机理在采出一定量的煤层气后，煤层气井的产气速度会逐渐减小，甚至停产。
这是由于煤层中的渗透度减小，孔隙和裂缝被压实等因素造成的。
产气速度衰减的快慢与煤层的物性、渗流路径的连通性以及采气方式等因素有关。
2. 压降漏斗在煤层气井中的应用压降漏斗是一种常用于煤层气井的流体传输设备。
煤层气井中的压降漏斗主要用于以下几个方面：2.1 调节产气速度压降漏斗可以通过调节产气速度，控制煤层气从井中产出的速度。
产气速度过快可能导致煤层中的渗透率不足以支撑气体的流动，造成井壁的塌陷和井内压力的下降。
而产气速度过慢则会降低煤层气的采集效率。
压降漏斗可以通过调节流量来平衡产气速度和煤层渗透率之间的关系，有效地控制产气速度。
2.2 分离沉积物煤层气井中存在着一定量的沉积物，如煤粉和水分。
这些沉积物会对煤层气的采集造成一定的影响。
压降漏斗可以通过设计合理的结构，将沉积物从气流中分离出来，确保采集到的煤层气的纯度。
2.3 减小压力损失在煤层气井中，气体需要克服一定的阻力才能从地层中流出。
压降漏斗可以通过设计合理的结构和优化流体动力学，减小气体在流动过程中的压力损失。
煤层气的开采与利用技术研究
煤层气的开采与利用技术研究煤层气开采与利用技术研究煤层气是一种矿山瓦斯，同时也是一种可再生能源。
近年来，随着人们对环保意识的不断增强，煤层气的开采与利用成为了煤炭行业的重要发展方向。
本文将探讨煤层气的开采与利用技术研究。
一、煤层气开采技术煤层气开采技术主要有钻井开采法、煤矿采空区煤层气抽采法和地面最终采气法三种。
钻井开采法是指在矿区内钻井后，通过注水压力将煤层气推入钻眼并且再通过钻孔泵将煤层气推送至地面，进行收集。
该方法能够充分利用煤层气资源，对于钻井技术要求高，投资成本也较高。
煤矿采空区煤层气抽采法是指在煤层气开采后，对于采空区的煤层气进行回采，通过通风系统将煤层气抽送至地面。
该方法能够实现煤炭资源的最大化利用，投资成本较低，对于采空区的环境保护也能够有效实现。
地面最终采气法是指在矿区中放置地面采气井，通过直接地面开采的方式将煤层气送入地面，进行后续处理和利用。
该方法投资成本较低，具有规模化的开发优势，对于企业的经济效益也十分显著。
二、煤层气利用技术煤层气的利用技术主要有燃烧利用、发电利用、化学利用和农业利用四种。
燃烧利用是指将煤层气直接燃烧，产生热能。
然后将热能利用于工业生产和家庭生活用途。
燃烧利用具有安全性高、技术难度低、无污染排放等优点，是煤层气利用的常见方式。
发电利用是指将煤层气发电引用于电力行业中。
通过煤层气发电，节能环保效果十分显著，对于节能减排和阳光能源的充分利用也起到了积极的推动作用。
化学利用是指将煤层气通过化学反应得到有用的化学产物。
近年来，利用煤层气制造高附加值化学产品已成为煤层气利用的新方向。
农业利用是指利用煤层气提高农业生产效率和农作物的品质，例如利用煤层气加热温室，进行智能温室农业，利用煤层气发电，满足农村居民的生活用电需求等等。
三、煤层气开采与利用技术的发展现状煤层气开采与利用技术的研究和开发，已经变得越来越成熟。
中国煤炭领域在这方面的投入和积极性非常高，煤层气开采与利用技术也得到了高度的重视。
煤层气开发地质学理论与方法
煤层气开发地质学理论与方法首先，煤层气的分布与形成机理是煤层气开发地质学的重要研究内容。
煤层气是在煤层埋藏过程中由有机质在高压高温条件下转化而成的天然气。
煤层气的分布受到煤层的厚度、埋深、含气量等因素的影响。
在煤层埋藏过程中，有机质在压力和温度作用下经历干酪根、初级、中级和成熟等不同阶段，形成煤层气。
煤层气的形成机理研究可以为煤层气的勘探和开发提供科学依据。
其次，煤层气的储集是煤层气开发地质学的核心问题之一、煤层气的储集形式主要有吸附储集和自由气储集两种。
吸附储集是指煤层气分子在煤矸石孔隙、裂隙和微孔等微观空间中吸附，形成紧密结合的状态；自由气储集是指煤层气分子在煤体孔隙中以自由状态存在。
煤层气的储集特征受到煤层的孔隙结构、孔隙度、构造变形等因素的影响。
通过对储集特征的研究可以确定煤层气的开发方式和有效开采方法。
此外，煤层气的运移规律也是煤层气开发地质学研究的重要方向之一、煤层气的运移受到多种因素的控制，包括煤层压力、渗透性、孔隙度、温度等。
煤层气的运移机理主要有扩散、脱附和解吸等过程。
研究煤层气的运移规律可以为煤层气开发提供指导，如确定煤层气开发的合理排采策略，优化井网布置等。
在煤层气开发地质学中，还需要开展煤层气资源量评价和勘探技术研究。
通过对煤层气资源量的评价，可以为资源开发提供基础数据。
勘探技术的研究则是为了提高煤层气的勘探效率和开发成功率。
目前，常用的勘探技术包括地球物理勘探、地质钻探和测井技术等。
总之，煤层气开发地质学是研究煤层气在地质中的分布、形成、储集、运移等规律的学科，其理论与方法的研究对于煤层气的勘探和开发具有重要意义。
通过对煤层气开发地质学的深入研究，可以为煤层气资源的高效开发和利用提供科学依据。
煤层气开采意义及原理分析
①民用，经过处理的煤层甲烷完全可 以替代常规液化石油气作为生成生活中的 能源供应品。
②化工原料：甲醇、炭黑，经过一系列 的化学物理反应，煤层气中的烃类成分可 以参与合成大量的工业原料或作为能源供 应，缓解油类的需求，降低成本。
③发电：ＣＨ４＞１５％ 的甲烷作为原料进 行发电即节约成本有产生更高的热量，且 供应量充足
减少开采成本： 当进行煤层气工业的 开发时，必须进行煤储层区的诸多构造地 质、水文地质等的分析，等于进行了以后 开采工作前的地质普查；瓦斯的大量抽放， 为以后的安全开采提供便利，减少矿井安 全防治工程中投入、降低矿井生产成本。
（３）减少温室气体的排放，保护大气环 境
甲烷是大气中主要的温室气体之一，
１Hale Waihona Puke 煤层气介绍１．１ 煤层气的定义 煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主
要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并 部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的 气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为 煤层甲烷。［１］ １．２ 煤层气生烃类型
煤层气有两种基本成因类型：生物成 因和热成因。生物成因气是由各类微生物 经过一系列复杂作用过程导致有机质发生 降解而形成的。可形成于煤化作用早期阶 段（泥炭 － 褐煤）以及煤层形成以后的构造 抬升阶段，因此可分为早期（原生）生物成因 气与晚期（次生）生物成因气；热成因气是指 随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤 分子结构与成分的变化而形成的烃类气 体。而此外，也有专家认为有些天然气（包 括煤层气）具备无机成因的可能性。而我 们现在主要研究的是这些有机成因气体。 １ ． ３ 在地下的储集位置以及赋存状态
３ 结语
煤层气的开采受到地质演化以及现阶 段地质构造状况影响巨大。而中国在地质 史上，受到多期运动的影响，各区构造发展 程度不同。区域内瓦斯分布状况不明。因 此在很多方面一味的借鉴美国经验，最后 的结果反而适得其反。所以地质工作也要 在吸收、融合国外先进经验的同时，结合 中国特殊的地质史，摸索提出一套适合于 中国的煤层气开发理论，为中国的煤层气 产业、能源产业、以至于整个社会做出自 己应该的贡献。
②化工原料：甲醇、炭黑，经过一系列 的化学物理反应，煤层气中的烃类成分可 以参与合成大量的工业原料或作为能源供 应，缓解油类的需求，降低成本。
③发电：ＣＨ４＞１５％ 的甲烷作为原料进 行发电即节约成本有产生更高的热量，且 供应量充足
减少开采成本： 当进行煤层气工业的 开发时，必须进行煤储层区的诸多构造地 质、水文地质等的分析，等于进行了以后 开采工作前的地质普查；瓦斯的大量抽放， 为以后的安全开采提供便利，减少矿井安 全防治工程中投入、降低矿井生产成本。
（３）减少温室气体的排放，保护大气环 境
甲烷是大气中主要的温室气体之一，
１Hale Waihona Puke 煤层气介绍１．１ 煤层气的定义 煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主
要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并 部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的 气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为 煤层甲烷。［１］ １．２ 煤层气生烃类型
煤层气有两种基本成因类型：生物成 因和热成因。生物成因气是由各类微生物 经过一系列复杂作用过程导致有机质发生 降解而形成的。可形成于煤化作用早期阶 段（泥炭 － 褐煤）以及煤层形成以后的构造 抬升阶段，因此可分为早期（原生）生物成因 气与晚期（次生）生物成因气；热成因气是指 随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤 分子结构与成分的变化而形成的烃类气 体。而此外，也有专家认为有些天然气（包 括煤层气）具备无机成因的可能性。而我 们现在主要研究的是这些有机成因气体。 １ ． ３ 在地下的储集位置以及赋存状态
３ 结语
煤层气的开采受到地质演化以及现阶 段地质构造状况影响巨大。而中国在地质 史上，受到多期运动的影响，各区构造发展 程度不同。区域内瓦斯分布状况不明。因 此在很多方面一味的借鉴美国经验，最后 的结果反而适得其反。所以地质工作也要 在吸收、融合国外先进经验的同时，结合 中国特殊的地质史，摸索提出一套适合于 中国的煤层气开发理论，为中国的煤层气 产业、能源产业、以至于整个社会做出自 己应该的贡献。
关于煤层气开采相关问题的对策探析
关于煤层气开采相关问题的对策探析摘要：煤层气的矿权是一级管理，是通过国土资源部进行统一化登记以及审批的，在对煤层气的开采过程中，受到多方面因素影响，就存在着一些开采问题，对实际开采问题的综合性解决就显得比较关键。
在理论上加强煤层气开采的研究分析，对实际的开采就能提供理论支持依据。
在对煤层气的开采过程中就要注重开采的效率以及质量。
本文主要就煤层气开采的问题以及优化策略详细研究，希望能通过此次研究对煤层气的开采质量提高起到保障作用。
关键词：煤层气；开采；相关问题；对策1 煤层气开采的问题分析煤层气的开采过程中，由于在政策的扶持方面没有得到有效落实和全面化体现，就使得煤层气的开采效率比较低。
在一些相关的政策执行度上相对比较低，因为不同的地区以及企业的差异性，使得政策的适应性不是很强，在有的煤层气开采的难度比较大的，企业在开采的投入上就不是很充足，加上政策上的补贴相对比较少等，这就造成了煤层气的开采量不能满足实际的应用需求。
煤层气的开采过程中，没有注重开采制度的完善化建立，这就使得煤层气的开采规范性程度还不够，在煤层气的开采过程中，由于在矿业权的管理部门层面没有统一化，这就使得煤炭的开采以及煤层气开采权设置出现了重叠的问题，在监管层面没有得到有效加强，从而就会在煤层气的开采中出现诸多的矛盾。
对煤层气的开采利用方面有着很大程度的限制，在煤层气的产业链后期的利用上没有顺畅化，如在管道的建设方面没有跟上，在相应的煤层气利用的配套系统没有完善化，在煤层气的利用效率相对比较低等。
煤层气在实际的开采过程中有着很大的难度，由于煤层赋存的条件相对比较差，在低饱和度以及低储层压力和低渗透等现状下，加上煤层气的开采地质条件相对比较复杂化，在开采的环境稳定上不强，从而造成了煤层开采的效率比较低，在开采的难度上比较大。
煤矿的瓦斯量相对比较高，在透气性上相对比较差等，这就对煤层气的开采带来了很大的危险性。
2 煤层气开采的优化策略实施2.1 注重对采煤和采气关系的良好处理，注重两者的协调发展在国家颁布了煤炭以及煤层气的资源综合勘察开采管理通知的情况下，对煤层气的开采就要严格遵照通知要求进行实施。
煤层气开采模式探讨
煤层气开采模式探讨2002年国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽采在治理瓦斯灾害中的地位。
但目前的井下瓦斯抽采远远不能满足瓦斯治理的要求，“地面钻采”煤层瓦斯日益提上日程。
如何将“地面钻采+井下抽采”有机结合，则是摆在我们面前的难题。
本文在分析了两种开采模式差异基础上，利用“系统工程事故树分析法+多层模糊数学综合评价法”，最后提出了不同类型矿井的煤层气开采模式。
1 两种开采模式的异同1.1 开采机理的差异(1)井下煤层气抽采机理。
所谓井下煤层气抽采就是借助煤炭开采工作面和巷道，通过煤矿井下抽采、采动区抽采、废弃矿井抽采等方法来开采煤层气资源。
井下煤层气抽采机理是：当煤层采动以后，破坏了原岩石力学平衡，造成了煤层的卸压，由于瓦斯气体90%以上以物理吸附状态存在于煤层中，为了继续保持平衡，煤层中的瓦斯涌出，通过人工改造使其成为密闭系统，从而持续维持卸压区域．这样，煤层瓦斯将源源不断被抽出。
由此可见：使井下煤层气得以抽采的2个基本条件是：在小范围内有足够的煤层气资源及使煤层瓦斯得以释放的煤层透气性大小。
(2)地面钻采煤层气机理。
地面钻采煤层气就是利用垂直井或定向井技术来开采原始储层中的煤层气资源。
地面钻采煤层气的机理是：当储层压力降低到临界解吸压力以下时，甲烷气体从煤基质微孔隙内表面解吸出来；由于瓦斯浓度差异而发生扩散到煤的裂隙系统，最后以达西流形式流到井筒。
解吸是煤层气进行地面钻采的前提，降压是解吸的前提。
由此可见：地面钻采煤层气能否发生的根本在于煤层气是否能降压解吸。
1.2 实施方法的不同井下煤层气抽采主要是通过钻孔方式钻进几百米到上千米，利用抽放泵对井下煤层气进行采收，资源量和透气性是其发生基础。
地面钻采煤层气是通过排水降压使煤层气解吸并采出，其实施方式主要是打垂直井或定向井。
并在井下煤储层下制造口袋，利用抽水泵抽取煤储层中的水使煤储层压力降低到临界解吸压力以下产出1.3 两种开采模式的相同点不管井下煤层气抽采还是地面煤层气钻采，其投入资金量大、投资风险高、技术要求高、效益回报周期长，这是其共性。
煤层气开采原理与方法
煤层气开采原理与方法煤层气开采是指将煤层中积聚的天然气开采出来，并利用它作为能源。
该过程需要采用特殊的技术来确保提取的天然气质量好、产量高且环境友好。
本文将介绍煤层气开采的原理与方法，包括采气方式、采气工艺和采气设备等。
一、煤层气采气方式煤层气采气方式通常可以分为以下几种：1. 抽采法：也叫常规法采气，通过在煤层上钻井并深入到煤层中，然后利用钻井杆将煤层中的天然气吸到地面。
2. 瓦斯抽采法：采用煤层的瓦斯后期回收的方式，通常在开采期结束时才开始运用。
3. 瓦斯抽放法：也称瓦斯抽采前点火排放法，主要用于瓦斯爆炸危险的采矿地点。
采用钻孔上深入开采工作面，从而将瓦斯提取到地面进行处理。
4. 水力压裂法：采用高压水把煤层内部压裂，从而提高煤层透气性，增加天然气产出。
二、煤层气采气工艺煤层气采气的工艺过程通常包括以下步骤：1. 钻井：使用特殊的钻机和杆道在地面上钻出井眼，然后逐步加深到煤层所在的位置，直到可采气位置。
2. 钻孔装置：将钻机转移到所选定的位置上并安装好各种包括管柱、液体输送装置在内的设备。
3. 注水：通过钻井机将水注入钻孔中，将煤层内部的天然气推出，然后将天然气运输到处理设备。
4. 煤层气净化：使用煤层气净化设备去除其中的杂质和水份。
5. 煤层气输送和储存：利用管道将净化后的天然气运输到目的地，并储存备用。
三、煤层气采气设备1. 钻头：钻头通常用于钻井和采气的过程中，通过钻孔有针对性地深入到煤层中，以便对煤层进行采气和控制。
2. 采气管道：将从煤层中采集出来的天然气输送到采气站或输送管道上进行处理和存储。
一般采气管道使用高强度合金钢制造。
3. 采气压缩机：将天然气向输送管线输送时，必须将其进行压缩。
采气压缩机可以将天然气压缩到高压。
4. 膨胀机：将高压气缸中的天然气膨胀到低压下。
5. 处理设备：将采集的天然气进行净化、脱水和除尘等工序以确保天然气的质量。
煤层气开采是通过特殊的技术将煤层中蕴藏的天然气采集出来，使其成为可再生的能源资源。
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致密盖层 气水界面
自由气 煤基质 裂缝系统
图 6 微小背斜构造聚集成藏 Fig. 6 small anticline reservoirs
若仅靠开采煤基质孔隙吸附的甲烷， 煤层气的储量就会很小， 煤岩的吸附气估计还没有水中的溶解 气多。 甲烷在水中的溶解很低， 大约为1~3m3/m3[7]。 在常规天然气藏开发中这部分溶解气是忽略不计的， 基本上不具备商业开采价值， 世界上仅在日本有投入商业开发的水溶性气藏。 但水中还富含工业元素碘， 综合开发才有经济效益[8]。因此，煤层气开采不会是以吸附气或溶解气为主。 对于煤基质微孔表面上吸附的少量气体， 排水降压并不能把它们从煤基质上剥离下来， 排水降压的 目的是让地层水脱气[9]。因为地层水是饱和甲烷的，只要地层水压力稍有降低，就会有气体脱出。根据 液相吸附的理论，地层水脱气后，地层水中甲烷的浓度降低，吸附气就会在浓度差的作用下，以液相 Langmuir方程描述的行为加入到地层水中。 一旦地层中出现了自由气相， 吸附气便会加入进去形成更大 的自由气相，只有这样才能把这部分吸附的煤层气开采出来。
3
与煤层中饱含水的实际状况完全不同。经典理论认为，煤层中不存在自由气或者自由气极少。如果该理 论成立的话，那么用研究“气-固”体系中吸附行为的气相吸附Langmuir方程来描述煤层气的吸附就没 有理论基础。并且，用液相（地层水）的压力来替换掉原方程的气体压力p也缺乏理论依据的支持。 事实上，用来描述“液-固”体系中固体表面（煤岩）对溶液中溶质（甲烷）吸附行为的理论模型 应用最为广泛的是液相吸附Langmuir方程[2]，描述固体表面吸附量与溶质溶解浓度之间的关系。在煤岩 被水膜覆盖的条件下， 若在地层水中溶解一定浓度的甲烷分子， 将会有少量的甲烷分子吸附到煤基质表 面上去（图3），吸附浓度满足下面的液相Langmuir方程。此时的吸附量与液相（水）的压力没有关系， 而与地层水中的甲烷浓度（溶解气水比）有关。
（1）
式中，cad为甲烷的吸附量，cm3/g；cadm为甲烷的饱和吸附量，cm3/g； a为煤层气的气相吸附系数， 无因次。
2 赋存机理
这个被普遍接受的煤层气开采机理存在一些理论上的缺陷。煤岩层都是由煤基质岩块和裂缝组成 的，而煤在饱和水和不饱和水的情况下吸附和扩散行为是完全不同的。事实上，煤岩都是在水环境中沉 积形成的，所以原始状态下基质和裂缝中都充满了地层水（图2）。
自由气
溶解甲烷
图 4 堆积甲烷形成自由气
4 Fig. 4 accumulated methane produce free gas
煤岩中的裂缝类型很多，如果没有遇到良好的盖层，裂缝就成为散失气体的通道。而顶天的小裂缝 中的气体无法逃逸，就地聚集成了无数个微型气藏（图5）。由于煤的裂缝中充满了地层水，煤基质生 成的甲烷气都堆积在裂缝的上部，靠致密的煤基质遮挡成藏。开采煤层气必须先排水降压后，才能采出 裂缝中膨胀的那部分气体。
A Discussion on Exploitation Mechanism of Coalbed Methane
Peng Chaoyang1 Li Chuanliang2 Li Xingtao1
（1.PetroChina CBM Co., Ltd., Beijing 100028, China ;
1 引言
我国煤层气产业不断发展，随着煤层气勘探开发的日益深入，对煤层气的认识逐渐成熟。在煤层气 开发生产中出现了一些异常的现象， 例如一些煤层气井钻完井过程中出现了气侵现象； 鄂尔多斯东缘煤 层气田某水平井实施大液量分段压裂后，在压裂液返排阶段，获得日产几百方的稳定产气量；整个鄂东 气田的开发显示出煤岩吸附含气量与气井产气量明显的负相关关系； 构造高位的煤层气井见气更早， 产 气量更大， 表现出类似常规气藏受盖层封隔成藏的特征。 这些现象明显相悖于经典的煤层气吸附赋存理 论和排水降压解吸开采理论。 煤层气开发经典理论提出煤层气主要吸附在煤层的微孔隙表面上。 煤层气产出过程为： “排水→储 层降压→基质解吸→表面扩散→裂缝渗流”[1]。煤层气开采的第一步是排水降压，储层压力下降到临界 解吸压力之后，吸附在微孔表面上的吸附气解吸（图1），解吸出来的气在浓度差的作用下从微孔隙扩 散到割理（裂缝）中，逐渐形成孤立的、不连续的气泡，当裂缝中的含气饱和度达到最小临界流动饱和
顶天裂缝
裂缝系统 煤基质
图 5 顶天裂缝储气 Fig. 5 upward fractures store gas
煤基质中生成的甲烷气体运移到裂缝中以后， 在浮力的作用下会继续往上运移。 当遇到良好的盖层， 就和常规裂缝性气藏一样，在裂缝系统中储集成藏（图6）。在煤层气井的排采初期，有一部分井开井 即见气，产出的就是这部分受良好盖层条件封隔的储存在裂缝系统中的气体。由于煤层埋深较浅，构造 简单，倾角相对平缓，盖层岩石压实程度较低，封隔条件较差，所以依靠盖层圈闭起来的这部分气体相 对较少。 并且煤岩裂缝系统密集发育， 因此储存在顶天裂缝中的自由气体才是煤层气开采的主力气体。
割理
煤基质
地层水
图 2 煤岩在水环境中形成 Fig. 2 coal seams formed in water-saturated circumstance
煤层中大部分微孔隙的直径小于2nm，一般为1.2nm，占69%—80%[3]。经典理论认为微孔隙吸附的 甲烷是煤层气开采的主力。甲烷分子的大小为0.4nm，水分子为0.3nm。甲烷分子能进入的孔隙，水分 子也能进入。因此甲烷只能在煤岩微孔隙中有水的情况下吸附在微孔隙表面。 地层中的沉积有机质都是大分子量的生物尸体碎片，有机质表面有一定的极性（活性），它们对极 性分子（如CO2，H2O）具有较强的亲和力，而对非极性分子（如N2，CH4）的亲和力较弱。由于CO2 的分子极性更强，所以在煤岩吸附实验中，CO2的吸附量大于CH4，所以国外也广泛应用CO2驱来作为 煤层气生产后期提高采收率的主要方法[4]。水是极性最强的分子，因此，水分子是被煤岩优先吸附的， 甲烷的吸附处于弱势地位。 大量的等温吸附实验表明， 随着煤岩中含水量的增加， 甲烷吸附量明显减小。 同一煤岩的干燥煤样的甲烷吸附量要远远大于水润湿煤样的吸附量[5]。由于煤岩亲水，因此在微孔表面 覆盖了一层水膜，甲烷如果要吸附到微孔上，必须通过溶解到水中以后才有可能被煤岩吸附。 但是，作为描述煤层气吸附行为的使用最广泛的Langmuir方程（1）式其实是Langmuir在1915年提 出的用于描述固体金属表面吸附自由态气体的气相吸附方程，该方程与气体的压力p有关。其实验条件
2.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China） Abstract: The CBM development has become industrialized nowadays, while its exploitation mechanism has not been clearly understood, which restricts the industry development. In this paper, through analyzing the storage status and the micro-seepage principle of the CBM and the evidence in the drilling, fracturing and production, the incorrectness of the old mode of desorption-diffusion-seepage is proved and a new mode of the CBM storage and seepage is proposed: the CBM is mainly stored in the cleats(fractures) of the coal seam as free gas, through dewatering, the formation pressure drops and gas expands, then flow to well as result of the pressure gradient. The recovery of the CBM depends on the formation pressure drop extent. So desorption and diffusion are not the exploitation mechanism of CBM. Under the new mode, some suggestions and treatment are given on high-efficiently development of CBM. Keyword: Coalbed Methane; Seepage; Free Gas; Absorption; Desorption; Diffusion1来自有关煤层气开采机理的讨论
彭朝阳1 李传亮 2 李星涛 1
（1.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028； 2.西南石油大学国家重点实验室 四川成都 610500）
摘要：煤层气的开发已进入工业化时代，但煤层气的开采机理依然不是十分清楚，其研究明显滞后于生产实践。本文通 过对煤层气的赋存状态和微观渗流机理的研究，再结合钻井、压裂、排采过程中发生的现象，分析了经典的“解吸-扩散 -渗流”流动模式的不合理性，提出了新的赋存和渗流模式：煤层气主要以自由气的形式储存于煤储层的割理（裂缝）中， 通过排水降压，气体发生膨胀，然后在压差的作用下以渗流的方式开采出来，煤层气的采收率取决于储层压力降低程度 的大小。因此，解吸、扩散不是煤层气主要的开采机理。在有关认识的基础上，提出了高效开发煤层气的一些建议和具 体措施。 关键词：煤层气；渗流；自由气；吸附；解吸；扩散
自由气 煤基质 裂缝系统
图 6 微小背斜构造聚集成藏 Fig. 6 small anticline reservoirs
若仅靠开采煤基质孔隙吸附的甲烷， 煤层气的储量就会很小， 煤岩的吸附气估计还没有水中的溶解 气多。 甲烷在水中的溶解很低， 大约为1~3m3/m3[7]。 在常规天然气藏开发中这部分溶解气是忽略不计的， 基本上不具备商业开采价值， 世界上仅在日本有投入商业开发的水溶性气藏。 但水中还富含工业元素碘， 综合开发才有经济效益[8]。因此，煤层气开采不会是以吸附气或溶解气为主。 对于煤基质微孔表面上吸附的少量气体， 排水降压并不能把它们从煤基质上剥离下来， 排水降压的 目的是让地层水脱气[9]。因为地层水是饱和甲烷的，只要地层水压力稍有降低，就会有气体脱出。根据 液相吸附的理论，地层水脱气后，地层水中甲烷的浓度降低，吸附气就会在浓度差的作用下，以液相 Langmuir方程描述的行为加入到地层水中。 一旦地层中出现了自由气相， 吸附气便会加入进去形成更大 的自由气相，只有这样才能把这部分吸附的煤层气开采出来。
3
与煤层中饱含水的实际状况完全不同。经典理论认为，煤层中不存在自由气或者自由气极少。如果该理 论成立的话，那么用研究“气-固”体系中吸附行为的气相吸附Langmuir方程来描述煤层气的吸附就没 有理论基础。并且，用液相（地层水）的压力来替换掉原方程的气体压力p也缺乏理论依据的支持。 事实上，用来描述“液-固”体系中固体表面（煤岩）对溶液中溶质（甲烷）吸附行为的理论模型 应用最为广泛的是液相吸附Langmuir方程[2]，描述固体表面吸附量与溶质溶解浓度之间的关系。在煤岩 被水膜覆盖的条件下， 若在地层水中溶解一定浓度的甲烷分子， 将会有少量的甲烷分子吸附到煤基质表 面上去（图3），吸附浓度满足下面的液相Langmuir方程。此时的吸附量与液相（水）的压力没有关系， 而与地层水中的甲烷浓度（溶解气水比）有关。
（1）
式中，cad为甲烷的吸附量，cm3/g；cadm为甲烷的饱和吸附量，cm3/g； a为煤层气的气相吸附系数， 无因次。
2 赋存机理
这个被普遍接受的煤层气开采机理存在一些理论上的缺陷。煤岩层都是由煤基质岩块和裂缝组成 的，而煤在饱和水和不饱和水的情况下吸附和扩散行为是完全不同的。事实上，煤岩都是在水环境中沉 积形成的，所以原始状态下基质和裂缝中都充满了地层水（图2）。
自由气
溶解甲烷
图 4 堆积甲烷形成自由气
4 Fig. 4 accumulated methane produce free gas
煤岩中的裂缝类型很多，如果没有遇到良好的盖层，裂缝就成为散失气体的通道。而顶天的小裂缝 中的气体无法逃逸，就地聚集成了无数个微型气藏（图5）。由于煤的裂缝中充满了地层水，煤基质生 成的甲烷气都堆积在裂缝的上部，靠致密的煤基质遮挡成藏。开采煤层气必须先排水降压后，才能采出 裂缝中膨胀的那部分气体。
A Discussion on Exploitation Mechanism of Coalbed Methane
Peng Chaoyang1 Li Chuanliang2 Li Xingtao1
（1.PetroChina CBM Co., Ltd., Beijing 100028, China ;
1 引言
我国煤层气产业不断发展，随着煤层气勘探开发的日益深入，对煤层气的认识逐渐成熟。在煤层气 开发生产中出现了一些异常的现象， 例如一些煤层气井钻完井过程中出现了气侵现象； 鄂尔多斯东缘煤 层气田某水平井实施大液量分段压裂后，在压裂液返排阶段，获得日产几百方的稳定产气量；整个鄂东 气田的开发显示出煤岩吸附含气量与气井产气量明显的负相关关系； 构造高位的煤层气井见气更早， 产 气量更大， 表现出类似常规气藏受盖层封隔成藏的特征。 这些现象明显相悖于经典的煤层气吸附赋存理 论和排水降压解吸开采理论。 煤层气开发经典理论提出煤层气主要吸附在煤层的微孔隙表面上。 煤层气产出过程为： “排水→储 层降压→基质解吸→表面扩散→裂缝渗流”[1]。煤层气开采的第一步是排水降压，储层压力下降到临界 解吸压力之后，吸附在微孔表面上的吸附气解吸（图1），解吸出来的气在浓度差的作用下从微孔隙扩 散到割理（裂缝）中，逐渐形成孤立的、不连续的气泡，当裂缝中的含气饱和度达到最小临界流动饱和
顶天裂缝
裂缝系统 煤基质
图 5 顶天裂缝储气 Fig. 5 upward fractures store gas
煤基质中生成的甲烷气体运移到裂缝中以后， 在浮力的作用下会继续往上运移。 当遇到良好的盖层， 就和常规裂缝性气藏一样，在裂缝系统中储集成藏（图6）。在煤层气井的排采初期，有一部分井开井 即见气，产出的就是这部分受良好盖层条件封隔的储存在裂缝系统中的气体。由于煤层埋深较浅，构造 简单，倾角相对平缓，盖层岩石压实程度较低，封隔条件较差，所以依靠盖层圈闭起来的这部分气体相 对较少。 并且煤岩裂缝系统密集发育， 因此储存在顶天裂缝中的自由气体才是煤层气开采的主力气体。
割理
煤基质
地层水
图 2 煤岩在水环境中形成 Fig. 2 coal seams formed in water-saturated circumstance
煤层中大部分微孔隙的直径小于2nm，一般为1.2nm，占69%—80%[3]。经典理论认为微孔隙吸附的 甲烷是煤层气开采的主力。甲烷分子的大小为0.4nm，水分子为0.3nm。甲烷分子能进入的孔隙，水分 子也能进入。因此甲烷只能在煤岩微孔隙中有水的情况下吸附在微孔隙表面。 地层中的沉积有机质都是大分子量的生物尸体碎片，有机质表面有一定的极性（活性），它们对极 性分子（如CO2，H2O）具有较强的亲和力，而对非极性分子（如N2，CH4）的亲和力较弱。由于CO2 的分子极性更强，所以在煤岩吸附实验中，CO2的吸附量大于CH4，所以国外也广泛应用CO2驱来作为 煤层气生产后期提高采收率的主要方法[4]。水是极性最强的分子，因此，水分子是被煤岩优先吸附的， 甲烷的吸附处于弱势地位。 大量的等温吸附实验表明， 随着煤岩中含水量的增加， 甲烷吸附量明显减小。 同一煤岩的干燥煤样的甲烷吸附量要远远大于水润湿煤样的吸附量[5]。由于煤岩亲水，因此在微孔表面 覆盖了一层水膜，甲烷如果要吸附到微孔上，必须通过溶解到水中以后才有可能被煤岩吸附。 但是，作为描述煤层气吸附行为的使用最广泛的Langmuir方程（1）式其实是Langmuir在1915年提 出的用于描述固体金属表面吸附自由态气体的气相吸附方程，该方程与气体的压力p有关。其实验条件
2.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China） Abstract: The CBM development has become industrialized nowadays, while its exploitation mechanism has not been clearly understood, which restricts the industry development. In this paper, through analyzing the storage status and the micro-seepage principle of the CBM and the evidence in the drilling, fracturing and production, the incorrectness of the old mode of desorption-diffusion-seepage is proved and a new mode of the CBM storage and seepage is proposed: the CBM is mainly stored in the cleats(fractures) of the coal seam as free gas, through dewatering, the formation pressure drops and gas expands, then flow to well as result of the pressure gradient. The recovery of the CBM depends on the formation pressure drop extent. So desorption and diffusion are not the exploitation mechanism of CBM. Under the new mode, some suggestions and treatment are given on high-efficiently development of CBM. Keyword: Coalbed Methane; Seepage; Free Gas; Absorption; Desorption; Diffusion1来自有关煤层气开采机理的讨论
彭朝阳1 李传亮 2 李星涛 1
（1.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028； 2.西南石油大学国家重点实验室 四川成都 610500）
摘要：煤层气的开发已进入工业化时代，但煤层气的开采机理依然不是十分清楚，其研究明显滞后于生产实践。本文通 过对煤层气的赋存状态和微观渗流机理的研究，再结合钻井、压裂、排采过程中发生的现象，分析了经典的“解吸-扩散 -渗流”流动模式的不合理性，提出了新的赋存和渗流模式：煤层气主要以自由气的形式储存于煤储层的割理（裂缝）中， 通过排水降压，气体发生膨胀，然后在压差的作用下以渗流的方式开采出来，煤层气的采收率取决于储层压力降低程度 的大小。因此，解吸、扩散不是煤层气主要的开采机理。在有关认识的基础上，提出了高效开发煤层气的一些建议和具 体措施。 关键词：煤层气；渗流；自由气；吸附；解吸；扩散