煤层气开发地质学理论与方法.docx

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煤层气开发地质学理论与方法

第一章绪论

主要内容：

本章主要论述了煤层气开发地质学研究的目的与意义，以及煤层气勘探的开发的现状。

从多个方面分析了我国煤层气的储量、勘探、开发等情况，深入细致的描述了目前我国使用煤层气、利用煤层气的状况，同时也对未来我国煤层气开采的发展和利用做了一定的分析和研究。

第二章煤的物质组成及其基本物理化学性质

主要内容：

一、煤的物质组成

1、煤储层固态物质组成

（1）宏观煤岩组成

煤是一种有机岩类，包括三种成因类型：

①主要来源于高等植物的腐殖煤；②主要由低等生物形成的腐泥煤；③介于前两者之间的腐殖腐泥煤。

宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成的单位，宏观煤岩组成是根据肉眼所观察到的煤的光泽、颜色、硬度、脆度、断口、形态等特征区分的煤岩成分及其组合类型。

（2）显微煤岩组成

显微煤岩组成包括有机显微组分和无机显微组分—矿物质。

在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，称为有机显微组分，是由植物残体转变而来的显微组分。

无机显微组分指显微镜下观察到的煤中矿物质。

2、煤中的水和气

（1）煤中的水

煤中的液相是指存在的水。

煤中水存在于煤孔隙—裂隙中，其形态分为液态水、固态水

（2）煤中的气

煤层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气等。

二、煤化作用及煤层气的形成

1、煤化作用

成煤作用是原始煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成两个相继的阶段：

从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程，称为煤化作用阶段，包括成岩作用阶段和变质作用阶段。

2、煤化作用特点及煤化程度指标

（1）煤化作用特点

①增碳化趋势

②结构单一化趋势

③结构致密化和定向排列趋势（反光性增强）

④煤显微组分性质的均一性趋势

⑤煤化作用的不可逆性

⑥煤化作用发展的阶段性和非线性

（2）煤化程度指标

煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同。

随着煤化程度的增加，煤级指标有规律的变化。

3、煤层气的形成

（3）生物成因气（包括原生生物成因气和此生生物成因气）

生物成因气是有机质在微生物降解作用下的产物。

指在相对低的温度（一般小于50℃）条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其他成分的气体。

按照生气时间、母质及地质条件的不同，生物成因气有原生生物气和次生生物成因气两种类型。

（4）热成因气

热成因气是在温度（>50℃）和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化学变化，煤中大量富含氢和氧的挥发分物质主要以CH4、CO2和H2O的形式释放出来。

根据煤层气生气、储气和运移特征，热成因气可分为原生热成因气和次生热成因气。

4、煤的基本物理化学性质

（1）煤的基本物理性质

与煤层气开发相关的基本物理性质主要有煤的密度、容重和比重、煤的孔隙度、煤的含水率和煤的软化性等，煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外部表现，由煤化程度和煤岩组成所决定的。

①煤的容重（天然容重）是指单位体积煤所受的重力，或称干容重。

煤的容重按照煤岩含水状况不同分为干容重、饱和容重和有效容重。

②煤的比重是指20℃时煤的重量与同温度、同体积水的重量之比。

煤的密度、容重和比重与煤岩成分、煤化程度及煤中矿物质的性质和含量有关。

③煤的软化性：

煤侵水后强度降低的性质称为软化性，煤的软化性取决于煤岩煤质、煤化程度及孔隙—裂隙特征，当煤中含有较多亲水性和可溶性矿物。

煤化程度低及裂隙发育时，软化性较强。

（2）煤的基本化学性质

煤的化学组成大致可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。

煤中的有机质主要有碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，是复杂的高分子化合物，是煤的主要组成部分，不同的煤，各种元素的含量和化学结构是不同的，造成了煤在物理性质和化学性质上的差异，并使煤在加工利用和煤层气储层改造过程中表现出不同的工艺性质和工程力学特性等。

煤中的无机质包括水分和矿物质，它降低了煤的质量和利用价值并影响煤储层的含气性，在煤的加工利用和煤层气开发过程中产生一定的影响。

第三章煤储层厚度及其预测技术

主要内容：

1、煤层的形成

煤是一种固态的可燃有机岩，凡是由动植物残骸等有机质形成的岩石都称为有机岩。

煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学等一系列作用转变而成的。

煤层是由泥炭层转化而来的，泥炭层的堆积主要取决于泥炭沼泽的水面和植物遗体堆积的沉积面（即泥炭层的上表面）两者之间的关系。

泥炭沼泽水面和植物遗体堆积面保持均衡，即泥炭层堆积面不断增长和沼泽水面不断上升保持均衡，是泥炭层不断增厚的必要条件。

根据煤层中有无其他岩石夹层的存在，煤层可分为两类结构：

不含夹层者称简单结构；反之称为复杂结构。

煤层中的夹层亦称夹矸。

常见的是黏土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾石。

2、煤厚变化的控制因素

煤储层厚度是指煤层顶板岩石之间的垂直距离。

根据煤层结构，煤储层厚度可分为总厚度、有益厚度和可采厚度。

煤层总厚度是顶底板之间各煤分层和夹层厚度的总和；有益厚度是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和；可采厚度是指在现代经济技术条件下适于开采的煤储层厚度。

煤储层厚度的变化是多种多样的，但就其成因来说，可以分为原生变化和后生变化两大类。

原生变化是指泥炭层堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖以前，由于各种地质作用的影响而引起的煤层形态和厚度的变化；后生变化。

是指泥炭层被新的沉积物覆盖以后或煤系形成之后，由于构造变动、岩浆侵入、河流剥蚀等地质作用引起的煤层形态和厚度的变化。

3、煤储层厚度稳定性评价步骤和方法

根据一些矿井对地壳不均衡沉降、古河流冲蚀和地质构造变动等原因引起的煤厚变化预测的方法，大致分为四个步骤：

①全面了解本井田所属煤田的成煤古地理环境、地质构造分布特征、煤系组成和含煤性变化的情况。

②深入调查包括勘探钻孔和采掘工程揭露的所有煤层出现厚度变化的地质特征，仔细判别变化原因。

③分析研究区内煤、岩层产状，构造形迹展布，煤层结构与夹矸层变化，顶底板岩性岩石相组合与分布，以及它们与煤储层厚度变化之间的关系。

④在系统整理资料的基础上编制预测图件。

煤储层厚度稳定性是煤层气开发的最基本地质条件。

煤储层厚度稳定性，通常认为是三方面因素所决定：

①煤储层厚度值偏离平均值的大小

②煤储层厚度值是否有变薄到低于所规定的平衡表内储量的最低厚度

③煤储层厚度变化是否具有规律性

4、基于地震属性的煤储层厚度预测技术

地震属性反应了地震波形的几何学、运动学、动力学和统计学特征，地震属性技术是通过应用研究、算法开发和综合软件系统来提取、储存、可视化、分析、验证及评价地震属性的技术。

厚度预测方法：

（1）单参数与多参数法：

①振幅图版法；②时差法；③反射波特征点法；④频率法；⑤主振幅、主频率法；⑥有限带宽反射波波形分析法

（2）反演方法：

①振幅、频率综合反演法；②约束反演法

（3）神经网络函数逼近法

5、煤储层厚度对煤层气井产能的影响

（1）煤层分布特征对于煤层气井产能的影响

①目标煤层的层数：

目标煤层的层数和煤层的有益厚度对煤层气井的产能和长期产量影响较大。

目前煤层气开采分单层开采和合层开采两种方式。

单层开采是指仅开采某一深度的一层煤或垂向距离相近的一个煤层组，主要是针对单一的厚煤层开采。

合层开采是对开发区域内不同深度的煤层同时联合开采。

目前合层开采仅适用于以垂直开发的方式，主要针对大规模的区域商业性开发。

②煤储层厚度及其稳定性

煤储层厚度决定了煤的生气及储气强度，其生气及储气能力与煤的物质组成及煤变质特征关系密切。

煤储层厚度越大，储层向井筒的补给能力越强，煤层气通过井筒向外运移的面积越大，气井产气潜力越大。

③煤层结构

煤层结构是指煤层中包含煤分层和岩石夹层的层数及厚度的特征，不含夹矸层者称为简单煤层结构；含有夹矸层者称为复杂煤层结构。

煤层中的岩石夹层俗称夹矸。

夹矸一般为黏土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾石。

第四章煤储层孔隙—裂隙特征及其孔渗性

煤作为储层，具有两方面的特性：

一方面在压力作用下，煤层具有容纳气体的能力；另一方面煤具有允许气体流动的能力。

煤储层孔渗性反映了煤储层的这些特性，直接影响煤层气的开采效果。

1、煤的孔隙特征

3、煤孔隙结构

煤孔隙结构是指煤中孔隙和喉道的几何形状、大小分布及其相互连通关系。

煤的细微孔隙结构随着煤化作用而变化，是煤储层的重要特征。

根据十进制分类系统将孔隙分为四种：

即孔径＞1000nm的孔隙为大孔；孔径在100-1000nm的孔隙为中孔；孔径在10-100nm的孔隙为小孔（或过渡孔）；孔径＜10nm的孔隙为微孔。

4、煤的孔隙成因

根据成因煤孔隙可分为原生孔和次生孔，原生孔是指煤沉积过程中形成的结构孔隙，次生孔是煤化作用过程中煤结构去挥发分作用而形成的。

5、煤的孔隙表征参数

①煤的孔容：

孔容即孔隙的体积，常用比孔容表示，即每克煤所具有的孔隙体积。

②煤的孔比表面积：

煤的孔比表面积包括外表面积和内表面积，外表面积所占比例极小，贡献几乎全来自内表面积。

③煤的孔隙度（率）：

煤的煤的孔隙度（率）是煤中孔隙—裂隙体积与煤总体积之比（用百分数表示）。

它是衡量煤储层储集性的一个重要参数。

煤的孔隙度与煤变质程度相关，煤储层孔隙度为1.5%—12.2%，一般在5%以下，不同煤化阶段煤样孔隙度存在差异性。

6、煤的孔隙结构测定方法

①压汞法：

主要利用汞柱注入孔隙的方法测量孔径分布曲线及孔容、孔比表面积和排驱压力，其测定范围为几纳米至几千纳米，对于小孔以上孔的测量还是比较准确可靠的。

②低温氮吸收法：

依据煤对气体的物理吸附原理，测量煤的微孔孔隙的分布规律、比表面积和孔容等参数，测量范围为1—200nm。

③扫描电镜法：

扫描电镜法是将煤样放大几十倍至几千倍后观察全貌和裂缝，并能计算出0.1μm以上的孔隙或裂隙。

2.煤储层裂隙系统

（1）煤中节理（裂隙）类型

煤储层中节理按成因的不同将其分为原生节理、风化节理和构造节理三类，前者为内生节理；后两者为外生节理。

①原生节理：

通常是煤化作用过程中煤中凝胶化组分体积收缩变形作用的结果，相当于内生节理，主要为小裂隙和微裂隙。

②风化节理：

是煤层受风化作用而产生的裂隙。

其特点是裂隙排列不规则，往往地表发育，随深度的增加裂隙密度很快降低，到一定深度后，风化节理不复存在。

③构造节理：

是受构造变动作用力形成的节理。

构造节理按其力学成因，分为张节理和剪节理两类。

张节理：

是由于张应力引起的节理；剪节理：

是由剪应力引起的节理。

（2）煤中节理（裂隙）的分级及特征

①宏观裂隙：

根据裂隙的规模和形态特征，煤储层中宏观裂隙系统指不包括断层在内，自然条件下肉眼可以识别的裂隙系统，大小通常为几毫米到几米，可将煤储层中宏观裂隙按规模大小划分为四级:

大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙。

一般来说，大-中裂隙与外生节理（裂隙）相当，是构造应力场下煤层构造变形的产物，常以各种角度与煤层层理面斜交，高度可达数米，可以出现在煤层的任何部位，不受煤岩分层或条带的限制。

小裂隙和微裂隙除构造应力作用形成外，通常是煤化作用过程中所形成的内生节理。

②煤储层显微裂隙

显微裂隙是肉眼难以辨认的、必须借助显微镜或扫描电镜才能观察的裂隙。

显微构造表现为：

雁行状裂隙、追踪性裂隙、共轭剪切裂隙和菱形网状裂隙等类型，显微裂隙密度及其展布异性也就决定了煤层储气性和渗透性分布的差异。

3、煤中节理（裂隙）的表征参数

（1）裂隙面组数和产状

裂隙面产状要素有走向、倾角和斜角，应分别进行统计，求出走向、倾向和倾角的概率密度分布函数形式及相应的均值与方差。

裂隙的走向、倾向和倾角控制着煤储层的渗透性和煤层气开发工程的力学特性。

沿裂隙走向方向煤储层渗透性最好，垂直裂隙走向方向渗透性最差，由于裂隙的存在煤储层渗透性表现为各向异性。

（2）裂隙密度和间距

裂隙的密度反映煤层中裂隙面发育的密集程度。

它可用裂隙的线密度、面密度、体密度和裂隙面的间距来表示。

线密度是指裂隙面法线方向单位侧线长度上交切裂隙面的条数。

间距是指同一组裂隙面法线方向上两相邻裂隙面的平均距离。

裂隙的间距不是一个确定值，而是按某种统计分布形式在一定范围内变化的值。

裂隙的密度决定了煤层的完整性和煤基质的块度。

一般来说，裂隙面发育越密集，煤层的完整性越差，基质块度越小，进而导致煤储层力学性质变差，渗透性增强。

（3）裂隙的连续性

裂隙的连续性反映裂隙的贯通程度，可用线连续性系数和面连续性系数来表征。

线连续性系数：

指沿裂隙延伸方向，裂隙各段长度之和与测线长度的比值；面连续性系数：

指沿裂隙面延伸方向，裂隙面面积之和与总面积的比值。

（4）裂隙的形态

裂隙面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙程度来反映。

裂隙面侧壁的起伏形态分为平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。

（5）裂隙的开张度

裂隙的张开度是指裂隙面两壁面间的垂直距离，常用毫米为单位。

裂隙面两壁一般不是紧密接触，否则会使裂隙面实际接触面积减少，导致裂隙面黏聚力降低和渗透性增大。

煤中裂隙形态一般垂直，垂直层里面，少数斜交层里面，穿过不同煤岩成分时稍有变化，裂隙开度较小，一般小于1～2mm。

（6）裂隙充填胶结情况

①薄膜充填是裂隙面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，会明显降低裂隙面的强度，渗透性较好。

②断续充填裂隙面的力学性质和渗透性与充填物性质、壁岩性质及裂隙面的形态相关。

③断续充填裂隙面的力学性质和渗透性主要取决于充填物性质

④断续充填裂隙面的力学性质和渗透性很差，主要取决于充填物的性质，煤体往往易于沿这种裂隙面滑移

（7）裂隙的组合关系

裂隙的组合关系控制着煤储层的渗透性分布及其各向异性，对煤层气开发井的井壁稳定，形成可能滑移煤体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型起控制作用，它是煤层气开发工程地质条件预测与评价的基础。

煤层裂隙组合关系可分为：

平行裂隙组合、共轭网状裂隙组合、入字形裂隙组合、羽状裂隙组合和不规则裂隙组合等。

三、煤储层渗透性及其评价

（1）煤储层渗透性

①基本概念

煤储层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的性质。

绝对渗透率：

单相流体充满整个孔隙-裂隙系统，流体与介质不发生任何物理化学作用时，测出的渗透率称为绝对渗透。

有效（相）渗透率：

若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力称为每相流体的相渗透率，也称为有效渗透率。

相对渗透率：

有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。

②煤储层渗透性测试方法简介

1>测试方法：

瞬态法、稳态法

2>注入压降试井：

注入压降试井是一种压力不稳定试井，向测试煤储层段以恒定排量注入一段时间水后关井，分别记录注入期和关井期的井底压力数据，据此表明出储层参数计算。

（2）煤储层渗透性评价分类

国外根据煤储层原位试井渗透率大小，将煤储层渗透率划分为：

高渗透率煤储层，渗透率大于10×10-3μm2；中渗透率煤储层，渗透率在（1～10）×10-3μm2；低渗透率煤储层，渗透率小于1×10-3μm2。

（3）渗透性对煤层气井产能的影响分析

渗透性是影响煤层气井产能最主要的控制因素之一。

在同等开发条件下，渗透率越高气井产能越大，不仅高峰产量高，而且后期产气能力强；反之，气井产能差，不仅高峰产量低，而且后期产气能力也弱。

5、煤储层渗透性影响因素

（1）地质构造

地质构造除控制着煤层的生烃演化历程外，还表现为一方面地壳的升降与剥蚀会改变地层的压条件，打破原有的动态平衡，特别是成煤后主要构造运动对煤层气的保存产生影响；另一方面断裂活动可使煤储层产生裂隙或使其断开形成气体运移通道，对煤储层渗透性产生影响。

（2）煤体结构

煤体结构是指煤层经过地质构造变动所形成的结构特征。

由于煤层在构造应力作用下发生破裂所具有的形态特征是不同的，根据煤体破裂的程度，一般可划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构。

前两者为原生结构，后三者为构造煤。

（3）煤层埋藏深度

煤储层渗透性与其埋藏深度之间呈指数函数关系。

在浅部煤储层渗透率相对较大，且变化范围也大；随着煤层埋藏深度的增大，煤储层渗透率减小，且变化范围也减小。

（4）现今地应力

岩体中的天然应力为三向不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向随空间和时间变化。

根据三个主应力的大小和空间关系，可以确定出岩体天然应力状态类型。

不同深度条件下煤储层现今地应力不同，地应力随深度的增加而明显增大，这反映出煤储层渗透性与其埋藏深度之间的关系，其实质是地应力对渗透率的控制。

第五章煤储层含气性及其控制理论

煤层含气性是决定煤层气的产能及其开发潜力的重要参数。

煤层含气性包括煤层气含气量、控制煤层含气量的煤储层压力和含气饱和度。

一、煤层气的赋存状态及气体组分特征

1、煤层气的赋存状态

①吸附状态：

吸附气是指以吸附状态保存在有机质颗粒表面的气体。

②游离态：

游离气是指储存在孔隙或裂隙中能自由移动的天然气。

③溶解气：

溶解气是指在地下地质条件下，溶解在地层水中的天然气。

2、煤层气的气体组分特征

煤层气化学组分主要包括甲烷、二氧化碳和氮气，含气量的重烃气（乙烷、丙烷、丁烷和戊烷）、氢气、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢及微量的稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气等）。

其中，甲烷和重烃气统称为烃气。

3、煤层含气量测试方法

1、煤层含气量的解吸法

①USBM直接法

②MT-77-84解吸法

2、逸散/损失气量的估算

从理论上来说，逸散气（损失气量）和解吸气是煤层气的可采部分。

因此，准确测定逸散/损失气量至关重要。

三、煤储层压力

1、煤储层压力基本概念

煤储层压力是指作用于煤孔隙-裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的地层压力。

煤储层有效压力系统决定了煤层气产出的能量大小及有效驱动能量的持续作用时间。

储层压力越高、临界解吸压力越大、有效地应力小，煤层气的“解吸-扩散-渗流”过程进行得就越彻底，表现为采收率增大，气井产能增大。

2、煤储层压力的影响因素

①煤层埋藏深度：

煤储层压力的变化与煤层埋藏深度密切相关。

随着煤层埋藏深度增加，煤储层压力随之增高。

②地应力：

增加地应力，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。

随着地应力的增加，煤储层孔隙-裂隙被压缩，体积变下，煤储层压力增大；反之，压力减小。

③水文地质条件：

水文地质条件不仅与煤层气的富集和保存相关，而且直接影响到煤储层压力的高低和分布。

四、煤储层含气饱和度

二、含气饱和度的基本概念

煤储层含气饱和度是实测含气量与原始储层压力对应的吸附气量的百分比，可由煤层气含气量、储层压力和等温吸附常数计算出来。

三、含气饱和度的影响因素

影响煤层气含气量分布的地质因素都将影响煤储层含气饱和度，如在煤系沉积后，构造运动使煤系抬升剥蚀，煤储层压力降低，煤层气解吸、逸散，含气量降低。

四、临界解吸压力

临界解吸压力是指煤层中的甲烷开始解吸的压力点。

根据临界解吸压力与储层压力可以了解煤层气早期的排采动态，为制定排采方案提供重要依据。

在排水降压作业时，压力只有降低到临界解吸压力，煤层气才可能产出。

煤层含气量中可采气量与总量的百分比，称为煤层气采收率。

（4）影响煤层气富集的地质因素及其控气理论

2、地质构造及其控气作用

地质构造是影响煤层气富集的主要因素之一。

煤层构造的基本类型包括褶皱构造和断裂构造两大类。

褶皱构造是指煤层及其岩层在应力作用下形成的波状弯曲，但仍然保持着它们的连续性和完整性，包括背斜和向斜两种构造形式。

断裂构造是在岩层受力后，作用力超过岩层的强度时所产生的破坏。

3、煤变质作用对煤层含气性的影响

煤变质程度关系到煤层的生气量及煤储层特性等问题。

煤层气主要以吸附状态赋存与煤储层之中，吸附量的大小取决于煤对甲烷的吸附能力，而吸附能力又与煤的孔隙率、变质程度、储层压力和温度等因素相关，其中变质程度对煤储层的吸附能力产生重要影响。

4、有效埋藏深度及其控气作用

煤层埋藏是煤化作用进展的根本条件，对煤层气的生产和保存自始至终起着至关重要的影响作用。

随着有效埋藏深度的增大，煤层气的保存能力不断增强，含气量也随之增加。

5、上覆地层厚度及其控气作用

一般认为，煤层气以吸附态为主，按等温吸附规律，其含气量大小要与储层压力有关，上覆地层厚度（深度）对含气量的影响实质是煤储层压力的控制，上覆地层厚度增大，储层压力增高，含气量增大；同时，埋藏深度增大，上覆地层厚度加大，有利于煤层气保存。

6、埋藏顶底板岩性及其控气作用

煤层顶板封盖条件对于煤层气的保存与富集具有十分重要的作用。

良好的封盖层可以减少构造运动过程中煤层气的向外渗流运移和扩散散失，保持较高地层压力，维持最大的吸附量，减弱地层水对煤层气造成的散失。

7、煤岩、煤质特征的影响

煤岩、煤质差异主要是通过其生气条件和吸附性能的不同影响煤层含气量，同样关系到煤层的生气量及煤储层特性等问题，不同成因类型的煤中灰分产率及有机质含量存在差异。

8、水文地质条件的控气作用

水文地质条件控制着煤层气的保存和运移，是影响煤层气富集和后期生产的重要地质因素。

不同的水文地质条件下，煤层气的赋存规律有很大差异。

水文地质条件对煤层气富集规律的控制，可概括为两种作用：

①煤层气随地下水运移逸散作用，致煤层气散失；②水力封闭控气作用，有利于煤层气保存。

第六章煤的吸附与解吸特征

一、吸附与解吸理论

1、气固吸附及吸附热力学

①气体在固体表面的吸附

固体的表面能是固体比表面吉布斯函数的简称，又称固体表面自由能。

固体吸附气体时的作用力有两种，一种是范德瓦耳斯力，另一种是剩余化学键力。

由范德瓦耳斯力所引起的吸附称为物理吸附，而由剩余化学键力所引起的吸附称为化学吸附。

②吸附热力学

吸附热数据是了解固体表面和吸附质分子之间结合力强弱的重要参数，吸附热分为以下几类：

积分吸附热、微分吸附热、等量吸附热。

③吸附势理论

吸附势理论认为吸附是由势能引起的。

固体表面附近存在的势能场，称为吸附势。

距固体表面越近，吸附势能越高，吸附质浓度也越高，反之则越低。

2、吸附滞后现象

①毛细凝结现象

对正常平液面未达饱和的蒸汽压，可以在毛细孔的弯月面上凝结，随着气体压力的增加，能发生气体凝结的毛细孔也越大，这种现象称为毛细凝结现象，是多孔性固体所具有的特殊吸附现象。

②吸附滞后现象

以多孔固体作吸附剂时，吸附质的吸附曲线与脱附曲线往往有一段不重合，而且脱附线总在吸附线的左边，这种现象称为吸附滞后现象。

二、煤的吸附与解吸特征

1、煤的吸附特征

煤岩吸附能力与储层压力密切相关，在等温条件下，吸附量与储层压力呈正相关。

随着压力的增高，吸附量增大，但不同压力区间吸附量的增长率不等。

由于煤孔隙率、孔隙结构、变质程度、储层压力和温度在平面上的变化，导致同一煤层在平面上煤吸附能力存在一定的差异。

煤的吸附性能还受赋存环境的影响。

在其他因素相同的前提下，煤储层压力增大，煤对甲烷的吸附量随之增高，但不同压力区间的增加幅度有所不同。

煤中水分含量会对煤中甲烷的吸附能力产生重要影响，这是由于煤中水分和气体分子与煤结构之间具有相似的特性，水分子与煤之间不存在共价键，都是以较弱的范德瓦耳斯力吸附在煤中，即煤对水分子产生物理吸附所致。

4、煤的解吸特征

解吸是吸附的逆过程，处于运动状态的气体分子因温度、压力等条件的变化，导致热运动能增加而克服气体分子和煤基质之间的引力场，从煤的内表面脱离