第1章 煤层气赋存、产出机理-6学时
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。
煤层气储集层课件
(4) 煤体结构的影响
煤体结构的分类
糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异
在构造应力或其它力（如重力）的作用下煤体将发生变形，煤体原生结构将遭到破坏，同时也改变了煤的孔隙特征。总体上破坏程度越深，煤的孔隙度和比表面积增加越大。
2、Ro,max=1.3％∼2.5%，大孔的孔容和比表面积则呈现缓慢下降趋势，这可能是由于煤中植物组织残留孔仍然存在的结果。该阶段中孔、过渡孔和微孔的孔容与比表面积达到了极大值，说明该阶段大量的烃类生成，造成气孔的大量增加。 3、Ro,max>2.5%，各类孔隙的孔容和比表面积均呈现下降趋势。这是由于此阶段煤的生烃能力显著下降，新的气孔的生成微弱，而高温高压作用下进 一步的煤化作用引起的大规模缩聚作用导致各类孔隙的减少。
一、基质孔隙
基质孔隙为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间，由孔隙和通道组成。一般将较大空间称为孔隙，其间连通的狭窄部分称为通道。
1. 基质孔隙的分类
(1) 成因分类
气孔
残留植物组织孔
次生孔隙
晶间孔
原生粒间孔
（2）孔径分类
气孔
气孔是指煤化作用过程中气体的生成与逸出留下的痕迹，是煤体在较高的温度、压力条件下，处于近塑性状态，由其自身形成的气体作用的结果
割理被次生显微组分充填，因后期应力的作用沿一侧被裂开，焦作古汉山山西组二1煤
割理内充填的次生显微组分形成的次生裂隙，焦作古汉山山西组二1煤。
经有机溶剂刻蚀后显示出割理被次生显微组分充填的特征，充填的割理与现存的方向、大小基本一致，焦作古汉山山西组二1煤组3号煤，SEM
【精编】第一章-煤层气试井分析绪论..PPT课件
前言
一、几点要求 二、课程目的 三、课程的特点和内容 四、课程安排 五、主要参考书
一、几点要求
❖ 按时上课：不迟到，不早退 ❖ 认真听讲，做好笔记 ❖ 思维活跃，欢迎随时提问 ❖ 若有急事，报告后可以离开课堂 ❖ 通讯工具一律关闭 ❖ 经常查阅相关文献，巩固课堂效果 ❖ 不死记硬背，掌握测试方法原理 ❖ 提高学科兴趣，增强独立思考问题的能力 ❖ 考试要严格遵守考场纪律
在测试过程中，由于井筒中的流体的可压缩性，关井后地层流体继 续向井内聚集，开井后地层流体不能立刻流入井筒的现象 井筒储存系数： 描述井筒储存效应大小的物理量为井筒储存系数，定义为与地层相 通的井筒内流体体积的改变量与井底压力改变量的比值
四、试井的分类
依据不同标准，分类如下： 1、从流体类型分为：油井试井，气井试井，水井试井，
第一篇 试 井
第一章 试井的概念及分类 一、试井的概念 二、试井的理论依据 三、试井的目的和作用 四、试井的分类 五、试井解释
一、 试井的概念
1、煤层气井的设计、开发流程
1）地质设计 井位选择、钻井、固井、完井、试井、压裂、排采
2）钻井 井深质量、储层保护、井径统一、工程问题，包括采空区钻井、水
一、 试井的概念
2、何谓试井（well test） 为确定井的生产能力和研究储层参数及储层物性动态变化而对
井进行的专门测试工作。试井是对油、气、水井进行测试和分析的 总称
定义1：:试井是一种通过获得有代表性储层流体样品、测试同期产 量及相应的井底压力资料，来进行储层评价的技术
定义2：是为获取井或地层参数将压力计下入到井下，测量压力和/或 流量随时间的变化，并进行测试资料分析处理的过程的简称
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。
煤层气开发——第1章 煤层气地质
二、聚煤盆地的类型
聚煤盆地按成因可分为两大类：一类是由于侵蚀、岩溶等非 构造因素形成的，称非构造成因的聚煤盆地，也泛称侵蚀聚 煤盆地；另一类是地壳变形的产物，属构造成因，则称构造 聚煤盆，又称聚煤坳陷。
1.非构造成因聚煤盆地
非构造成因聚煤盆地主要是外动力地质作用所形成，基本 与构造运动无关。非构造成因的聚煤盆地由于缺乏持续沉 降的古构造背景，沉积作用的进行只是到洼地被填平为止， 因此所形成的含煤岩系一般厚度有限，且变化大、分布零 星，不具工业价值。
2.吸附与解吸的影响因素
（1）压力 当温度与其他因素相同时，煤层气吸附量随压力增加而 增大 ，但不同的压力区间其增加的幅度是不同的。
（2）温度
煤的吸附量总体上是随温度增加而减少，煤的解吸量总体上随温度的增 加而增加。 （3）煤层埋深 一般而言，煤层气吸附量随埋深的增加而增大，解吸量则随埋深的增加 而减小。 （4）含水量 一般情况下，煤中含水量增大，吸附能力将降低，但当煤层含水量达到 某一极值时，含水量的增大将不再对吸附能力产生影响，该极值称为临 界含水量。 （5）煤阶 煤阶越高，碳含量越大，在同等温度、压力等条件下，吸附能力越强。 （6）吸附质 煤的物质组成包括有机显微组分和矿物质，对煤的吸附能力起主控作用。 煤中矿物质含量越高，其吸附能力越低。所有显微组分中，镜质组的吸 附能力最强，稳定组分和惰性组分较低 （7）气体成分 煤对不同气体的吸附量是不同的，煤层气体主要组分的吸附能力由大到 小依次为CO2、CH4、N2。
中国根据镜质体最大反射率，将煤划分为 9个煤级 ， 如下表所示：
煤级 褐煤 烟 煤 0 阶段 I 阶段 II 阶段 III 阶段 IV 阶 段 煤的工业 牌号 褐 煤 长焰煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 镜质体最大反射率 Romax（%） ≦0.49 0.5～0.64 0.65～0.79 0.8的聚煤盆地
煤层气开发与利用
第一节
煤层气储层的特征
煤储层空隙结构特征与常规油气储层空隙结构特征对比示意图
第一节
煤层气储层的特征
煤的孔隙相差很大，大到数微米基的裂缝，小到 连氮分子（直径为0.178nm）都无法通过。
煤层气藏储层孔隙大小分类
第一节
二
煤层气储层的特征
煤层气储层裂隙特征
裂隙是煤中自然形成的，在总结前人对裂隙分类 的基础上，苏现波按照裂隙的形态和成因将煤裂隙分 面割理（主内生裂隙） 为三类：
第二节
2、吸附状态
煤层气的特征
在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内 部，已达到饱和，而另一部分指向空间，没有饱和， 于是就在煤的表面产生吸附场，吸附周围的气体分子。 这种吸附属于物理现象，是100%的可逆过程。在一定 条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，叫做 解吸，并进入游离相。呈吸附状态的天然气可占70%95%。由此可见，天然气在煤层中的储集主要依赖于 吸附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存 在，因而与常规砂岩中天然气的储集有本质上的区别。
第三节
煤层气的生成机理
高挥发分烟煤—中挥发分烟煤—低挥发分烟煤（ 相当于我国的长焰煤—瘦煤（0.5 %＜ Rmax＜1.9%）） 为成熟阶段，在热解作用下有机质开始大量生烃。在 中挥发分烟煤阶段，热成因甲烷增量达到最大值，重 烃产率也出现高峰时期。这一阶段是热成因甲烷生成 的主要阶段。半无烟煤、无烟煤和超无烟煤（相当于 我国的贫煤和无烟煤（Rmax<1.9%））为过成熟阶段， 由于有机质芳构化程度和苯环缩聚大大加强，大部分 富氮侧链脱落，加之前期生成的大分子烃类在高温下 裂解，都形成甲烷。因此，甲烷是此阶段的主要产物。
第一节
一
煤层气储层的特征
煤层气基础知识
1、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烃类气体；煤层气爆炸范围为5—15%2、煤层气的主要成分甲烷、二氧化碳、氮气3、煤层气储层是（基质）孔隙、裂隙双重介质结构4、煤层气的赋存状态吸附态（80-90%），游离态（20%-10%）、水溶态（5%以下）。
游离态煤层气以自由气体状态储积在煤的割理和其他裂缝空隙中，在压力的作用下自由运动5、煤层气的产出机理：通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，使吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。
即排水－降压－解析－扩散－渗流煤层气的运移方式：微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝6、在煤体的大孔和裂隙中，煤层气流动是以压力梯度为动力，其运移遵循达西定律；而在微孔结构中，煤层气流动是以浓度梯度为动力，运移遵循菲克定律。
7、井底压力：是指煤层气井储层流体流动压力8、压降漏斗：由于排水降压，供水边界到井底洞穴形成压差,其压差形状为漏斗状曲面,该曲面被称为压降漏斗，由于洞穴压力最低，煤层气定向解析，扩散，渗流和运移至洞穴。
排采时间越长，压降漏斗有效半径越大，其影响范围逐渐增加。
9、吸附：煤层气分子由气相赋存到煤体表面的过程。
10、煤中自然形成的裂缝称为割理；割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理；另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理11、达西定律：Q=KA△h/L式中Q为单位时间渗流量，A为过水断面面积，△h为总水头损失（高度差），L 为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗流系数。
关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。
从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面A的乘积，即Q＝Av。
菲克定律：菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大12、临界解吸压力：对于未饱和煤层气藏，只有压力下降到含气量吸附等温线上，气体才开始解吸，该压力称为临界解吸压力。
煤层气开采对地下水的影响分析及防治措施——以山西晋城为例
煤层气开采对地下水的影响分析及防治措施——以山西晋城为例刘爱萍【摘要】煤层气作为一种新兴能源产业,在带动晋城地区经济发展方面作出了重要贡献.晋城地区煤层气资源丰富,集中在沁水县潘庄、樊庄、郑庄、柿庄一带,具有资源埋藏浅、可采性好、甲烷纯度高等特点,开采价值极高.然而煤层气的开采存在着很多与区域社会不和谐的因素,对地下水环境的影响方面尤为突出.通过对晋城地区煤层气分布特点,煤层气赋存、产出机理以及煤层气开发工程研究,结合当地煤层气勘探开发现状,对水环境可能或已经造成的影响进行了分析,并提出了防治措施.【期刊名称】《中国水利》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】4页(P31-34)【关键词】煤层气;地下水;影响;防治措施;晋城【作者】刘爱萍【作者单位】山西省晋城市水利局,048000,晋城【正文语种】中文【中图分类】P618.11;P641.8一、研究区地质构造、含煤地层及水文地质条件1.构造特征山西省晋城地区煤层气开采区位于沁水盆地南部，盆地周缘地壳抬升，煤层出露，构造明显比盆地内复杂，其主体构造为一轴向NNE的沁水复式向斜，南北翘起端呈箕状斜坡，东西两翼基本对称。
研究区地处沁水复式向斜的翘起端，东部和西部边缘构造复杂，晋获断裂等边界断裂规模较大，对沁水盆地的演化具有控制作用（见图1）。
其地层总趋势是由东南向西北倾斜，地层倾角一般在10°以内，局部地区受构造影响可达到20°以上。
2.含煤地层及煤层晋城地区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。
共含煤21层，厚度6.75～16.50 m，平均12.21 m，含煤系数9.53%。
其中，3号和15号煤层为全区稳定可采煤层，也是煤层气勘探开发的主要目标煤层。
（1）太原组太原组厚度64～133 m，平均厚度在90 m左右。
由深灰色-灰色灰岩、泥岩、粉砂岩、砂岩和煤层组成，以K2、K3、K5及K6四层灰岩较稳定。
含煤7～16层，含煤系数7.52%，其中15号煤层为全区可采煤层，9号煤层为大部可采煤层。
煤层气
煤层气煤层气（Coalbed Methane）储层参数，主要包括煤的等温吸附特性参数、煤层气含量、渗透率、储层压力、原地应力，以及有关煤岩煤质特征的镜质组反射率、显微组分、水分、灰分和挥发分等，相应的测试分析技术有：煤的高压等温吸附试验（容量法）、煤层气含量测定、煤层气试井和煤岩煤质分析等。
煤的高压容量法等温吸附实验，是煤层气资源可采性评价和指导煤层气井排采生产的关键技术参数，等温吸附数据测定准确性，直接关系到煤层气开发项目的成败和煤层气产业的发展。
许多研究表明，煤是具有巨大内表面积的多孔介质，象其它吸附剂如硅胶、活性碳一样，具有吸附气体的能力。
煤层气以物理吸附方式储存在煤中，主要证据有：甲烷的吸附热比气化热低2—3倍（Moffat ＆Weale，1955；Y ang ＆Saunders，1985），氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；大量试验也证明，煤对气体吸附是可逆的（Daines，1968；Maver 等，1990）。
结合国内外资料，推荐吸附样粒度为60—80目。
煤的平衡水分—当煤样在温度30℃、相对湿度96%条件下，煤中孔隙达到水分平衡时的含水量。
测试平衡水平的主要目的是：恢复储层条件下煤的含水情况，为煤的吸附实验做准备。
煤层气含量—指单位重量煤中所含的标准状态下（温度20℃、压力101.33kpa）气体的体积，单位是cm3/g或m3/t。
它是煤层气资源评价和开发过程中计算煤层气资源量和储量、预测煤层气井产量的重要煤储层参数之一。
煤层气含量的测定方法大体上可分为两类：直接法（解吸法）和间接法（包括等温吸附曲线法和单位体积密度测井法）。
在直接法中，保压取心解吸法是精确获得原地煤层气含量最好的方法。
直接法的基本原理煤心煤样的煤层气总量由三部分气体量构成：一是损失气（lost gas）,二是实测气（measured gas），三是残余气（residual gas）。
第一章 煤层气的形成
沼泽及其形成条件 沼泽是指有植物生长的常年积水的洼地。沼泽中植物死亡 后其遗体能够被沼泽水所覆盖，使其与空气隔绝而不被完全氧 化分解，并在逐渐堆积过程后经以生物化学作用为主的变化后 可转变成泥炭的，称为泥炭沼泽。 沼泽的形成和发育是地质、地貌、气候、水文、土壤、植 被等多种自然因素综合作用的产物。 1）低洼的能够积水的地形和能够给植物提供养分的土壤； 2）年降水量大于蒸发量的气候条件； 3）入水量（流入的地表水、地下水与大气降水）>出水量 （流出的地表水、地下水与蒸发量）。
主讲人：林晓英 单位：河南理工大学能源科学与工程学院
联系方式： 18039127753 lxy2002199@
内容提纲
绪论 煤层气的生成 煤层气的储集 煤层气的赋存与产出 煤层气勘探开发选区与评价 煤层气勘探开发钻完井技术 煤层气勘探开发地球物理勘探技术 煤层气勘探开发基本参数测试技术 煤层气勘探开发增产技术 煤层气地面排采与集输工艺
第四节 煤成烃机理
一、煤成烃的物质基础
2.0 H2 O I 1.5 II CO2 1.0 III
H/C（原子比）
CH 4 0.5 IV
0
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
O/C （原子比）
23
图 1.1 干酪根类型及演化路径 Van Krevelen 图解[2]
第四节 煤成烃机理
从化学分类上讲，镜质组主要由III型干酪根组成，是生 气的主要物质，而壳质组主要由I型干酪根组成，是生油的主 要物质。
25
第四节 煤成烃机理
二、煤的化学结构与双组分模式
1. 煤的大分子结构 macromolecular structure 煤的大分子是由多个结构相似的 “基本结构单元” (elementary structural unit或basic structural unit) 通过桥键(bridge bond)连接而成。 这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体 (monomer) ，它可分为: 规则部分和不规则部分。
煤层气产出机理与控制分析PPT课件
一、煤层气排采的内涵—排采方式
Xi’an University of Science & Technology
一、煤层气排采的内涵—过程原理
Xi’an University of Science & Technology
一、煤层气排采的内涵—增产技术
煤层气勘探技术的发展
3、定向水平井、羽状水平井 2、洞穴完井（空气钻井） 1、常规钻井、套管射孔（井组井群）
一、煤层气排采的内涵—现有实例
6、沁南地区水平井
山西某定向羽状水平井井生产曲线
井号
DNP02
埋深，m
180
煤层厚度，m 5.2
渗透率，mD
1
含气量，m3/t
14
分支数量，个 12
煤层段进尺，m 7600
单分支井控制面 积，km2
0.5
Xi’an University of Science & Technology
2001.3.1
2001.3.31 2001.4.30 2001.5.30
2001.6.29 2001.7.29 2001.8.28 2001.9.27 2001.10.27 2001.11.28 2001.12.28 2002.1.25
2002.2.24 2002.3.28
0
2002.4.25
Gas
二、煤层气排采的规律
潘庄地区10口井平均产量的分析
Xi’an University of Science & Technology
二、煤层气排采的规律
关井停排对煤层气产量影响很大。每关井、停排一段时间后 煤层气产量会大幅降低，恢复排采一个月之内的平均产量统计 表明，关井停排几乎无一例外会降低煤层气单井日产。
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
煤层气是一种天然气，主要存在于煤层中，是煤炭资源的一种重要组
成部分。
煤层气的赋存形式主要有两种，即吸附态和游离态。
吸附态
煤层气是指天然气分子与煤层中的孔隙壁面发生物理吸附，形成的气体。
游离态煤层气是指天然气分子在煤层中自由运动，形成的气体。
煤层气的开采机理主要包括三个方面，即煤层气的释放、运移和采集。
煤层气的释放是指将煤层中的煤层气释放出来，使其进入采气井。
煤
层气的释放主要有两种方式，即自然释放和人工释放。
自然释放是指
煤层气在煤层中自然运移，进入采气井。
人工释放是指通过钻井、压
裂等工艺手段，将煤层气释放出来，进入采气井。
煤层气的运移是指煤层气从煤层中运移至采气井。
煤层气的运移主要
受到煤层孔隙度、渗透率、压力等因素的影响。
煤层气在运移过程中，会受到地层水的影响，因此需要进行水气分离处理，以保证采气效果。
煤层气的采集是指将煤层气从采气井中采集出来，进行处理和利用。
煤层气的采集主要有两种方式，即常压采气和增压采气。
常压采气是
指将煤层气从采气井中直接采集出来，进行处理和利用。
增压采气是
指通过注水、注气等工艺手段，增加煤层气的压力，使其进入采气井，提高采气效率。
总之，煤层气的赋存及开采机理是一个复杂的过程，需要综合考虑地质、物理、化学等多种因素。
随着科技的不断进步，煤层气的开采技术也在不断提高，为我国能源的发展做出了重要贡献。
煤层气产出机理及控制
游离气
水溶气
吸附气
气体组分：CH4、CO2、N2
煤层气排采方式：排水→降压→采气 煤层气排采过程：解吸→扩散→渗流
一、煤层气排采的内涵—排采方式
一、煤层气排采的内涵—过程原理
一、煤层气排采的内涵—增产技术
煤层气勘探技术的发展
3、定向水平井、羽状水平井 2、洞穴完井（空气钻井） 1、常规钻井、套管射孔（井组井群）
五、储层参数与产能的敏感参数分析
20
井间距 18
16 14 12 10
8 6 4 2 0
0
日产气量（104m3/d）
250×200m 350×300m 500×400m
1000
2000
3000 时间（d）
4000
5000
6000
不同井间距日气产量预测对比曲线
六、排采分析目标——产能预测
日产气量（m3/d） 累计产气量（104m3）
2005-11-7 2005-11-17 2005-11-27
2005-12-7 2005-12-17 2005-12-27
2006-1-6 2006-1-16 2006-1-26
2006-2-5 2006-2-15 2006-2-25
2006-3-7
产水量m 3 / 日
35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00
800
1000 1200 1400
时间 /d
PZ-4井累计气产量历史拟合曲线图
五、储层参数与产能的敏感参数分析
日气产量（m3/d）
厚度
30000 25000 20000
煤厚=5.5m 煤厚=6.5m 煤厚=4.5m
浅谈煤层气赋存运移产出机理
浅谈煤层气赋存运移产出机理发布时间：2022-05-10T02:05:17.547Z 来源：《科学与技术》2022年1月第2期作者：李华山[导读] 煤层气是一种新型洁净能源?其开发利用可在一定程度上弥补常规油气资源的不足。
李华山新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所新疆乌鲁木齐 830000 摘要：煤层气是一种新型洁净能源?其开发利用可在一定程度上弥补常规油气资源的不足。
煤层气是储集在煤层中的非常规天然气煤层中发育有微孔隙系统和裂隙系统，煤层气主要以物理吸附的形式赋存于煤的内表面上，当压力降低时，煤层气发生解吸、扩散和渗流，最后由井筒中产出，了解煤层气的赋存、运移机理及产出特征，对进行煤层气的可采性评价十分重要。
对煤层气的赋存方式及机理进行系统地归纳性总结不仅可以为今后全国各大煤层气藏的开采提供理论依据，还可以为与之相似的各种非常规油气藏的开发提供实际经验。
关键词：煤层气赋存运移产出煤层气作为一种非常规天然气资源，其赋存、运移规律有别于常规的石油天然气，只有在充分研究煤层气吸附性能、赋存方式、运移机理、产出机理的基础上，只有对煤的储层特征有全面地了解，才能更深一步研究煤层气以及相应开采措施，进而对煤层气的可采性能进行评价、预测。
1、煤层气吸附性能煤层气吸附在煤层颗粒表面，煤层既是其生气岩，又是其储集和流动的场所。
煤层中的基质微孔隙是煤层气的主要赋存空间，基质孔隙、裂缝系统是其运移通道。
煤层的特殊性使得煤层气的储集和开采机理不同于常规储集层。
2、煤层气赋存方式一般情况下，煤层的裂缝孔隙中完全饱和地层水，基质孔隙中并不完全被水饱和，基质微孔中一般不考虑自由水的存在，煤层气以溶解、游离和吸附三种状态储存于煤层中。
1）溶解气。
煤储层存在丰富的裂缝，但裂缝及基质孔隙多是饱和水的，水会溶解一定量的煤层气，称为溶解气。
甲烷在水中的溶解度较小，其与储层温度、压力等因素相关。
2）游离气。
游离态的甲烷气主要存在煤的基质孔隙中，可以自由运移。
煤层气赋存产出机理6学时
面脱逸出来。
成藏 游离型
自生自储吸温附型度总是对脱附起活化
图 水分对瓦斯吸附量的影响曲线
成藏 游离型
自生自作储吸用附型，温度越高，游离气
+游离气
图 瓦斯压力吸附瓦斯量关系越曲线多，吸附气越少。
开采 注水保压 排水降压
基于煤层气运移特征的煤孔隙分类 单位：nm
吸附平衡是动态平衡。
固体表面的吸附能力是因为其表面上的原子力场的
方程：
V
VL
P PL
P
上式可用朗格缪尔等温吸附曲线表示。兰氏体积(VL)和兰氏压力(PL)被称为等 温吸附参数，是决定朗格缪尔等温吸附曲线特征的关键。兰氏体积代表煤层的吸 附能力。兰氏压力决定了等温吸附曲线低压段的斜率，代表煤层吸附气体的难易 程度。兰氏压力越小吸附越容易，进入低压阶段的解吸效率也就越高。
煤层气流动特征 表面扩散 混合扩散
Kundsen扩散 稳定层流 剧烈层流 紊流
认为：<65nm为吸附和扩散场所，>65nm为渗流通道。
二、煤层气的储集机理
1.溶解态:
甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但溶解度很小。 而煤层气储层多是饱含水的，因此在一定的地层条件下，必定有一 部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：
根据临界解吸压力和储层压力可以了解煤层气的早期排采动态.
是温度升高时，瓦斯活性增 按孔径大小可分为微孔、小孔、中孔和大孔。
吸附是气体与固体表面之间未达热力学平衡时发生的，达到平衡是“吸附质”的气体分子在“吸附剂”的固体表面上的积累实现的。
+根游据离双气直径孔隙结构模型煤中大孔隙，分类难及成于因 被煤体吸附，同时
第一章 煤层气赋存、产出机理
煤层气产出过程
煤层气产出过程第五章煤层气产出过程煤层气井的排采过程与常规天然气井显然不同，通常具有一个产气高峰期。
这种差异，起源于煤层气主要以吸附状态赋存。
第一节主要内容：在煤层气开采初期一般要进行“脱水”处理，即所谓的“排水降压”过程，目的是诱导煤层气的解吸、扩散、渗流作用由高势能方向往低势能方向连续进行。
一、煤层气流动机理煤层气产出包括三个相互联系的过程，即解吸、扩散与渗流。
地下水的采出使煤层气压力降低。
当煤层压力降低到一定程度时，煤中被吸附的气体开始从微孔隙表面分离，即解吸。
解析气浓度在解吸面附近较高，在裂隙空间中较低。
因此，煤层气会在浓度梯度的驱动下，通过孔隙—微裂隙系统向裂隙空间扩散。
在煤层中，可能有三种扩散机理：以分子之间相互作用为主的体积扩散，以分子—表面相互作用为主的Knudsen扩散，基质表面的吸附气层表面扩散。
按照煤层中发生的物理过程，煤层气产出相继经历了三个阶段：第一阶段，水的单相流。
在此阶段，煤层裂隙空间被水所充满，为地下水单相流动阶段。
第二阶段，非饱和单相流。
这一阶段，裂隙中为地下水的非饱和单相流阶段，虽然出现气—水两项阶段，单只有水相才能够连续流动。
第三阶段，气—水两相流。
随着储层压力下降和水饱和度降低，水的相对渗透率不断下降，气的相对渗透率逐渐升高。
最终，在煤层裂隙系统中形成了气—水两相达西流，煤层气连续产出。
上述三个阶段在时间和空间上都是一个连续的过程。
随着排采时间的延长，第三阶段从井筒沿径向逐渐向周围的煤层中推进，形成一个足以使煤层气连续产出的降压漏斗。
二、煤层气开采过程原始地层条件下，煤层及其围岩中地下水一般较多，储层压力大致等同于水头压力，气体在压力作用下吸附于煤层中。
当排水使储层压力降至临界解吸压力之后，煤层气开始解吸，并通过扩散进入裂隙系统产生流动。
1、煤层气井排水阶段煤层气井的排水阶段主要取决于临解比（临界解吸压力与储层压力之比）和煤层渗透率。
临解比大，所需的压降幅度就大，排水量多，排水时间相对较长。
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直线型延伸的一组割理
面割理和限于面割理之间的端割理
采气工程
一、煤储层的几何模型
双直径球形几何模型
Ra
ra
ra
ri
Ri
由该模型可知煤储层渗透性的主要贡献者为外生裂 隙，在无烟煤中更是如此，割理的主要贡献是沟通 了基质块与外生裂隙的联系。
采气工程
一、煤储层的几何模型
碎粒煤，焦作朱村煤矿山西组 糜棱煤，巩义大峪沟煤矿山西组 糜棱煤，湖南红卫煤矿下石炭统
图 瓦斯压力吸附瓦斯量关系曲线
采气工程
三、煤层气吸附性能的主要影响因素
2.温度 温度总是对脱附起活 化作用，温度越高，游离 气越多，吸附气越少。 实验研究结果表明，温 度每升高1℃，煤吸附瓦斯 的能力降低约为8%，其原因 是温度升高时，瓦斯活性增 大，难于被煤体吸附，同时 己被吸附的瓦斯分子易于获 得动能，从煤体表面脱逸出 来。
图 水分对瓦斯吸附量的影响曲线
采气工程
三、煤层气吸附性能的主要影响因素
4.煤阶 气体吸附能力随煤阶的变化有两种趋势:
一种趋势是甲烷的吸附量呈“U”字型发展，在高
挥发分烟煤或含碳量85%附近〔气煤)出现最低值;
另一种趋势是甲烷的吸附量随煤阶的升高而增加。
采气工程
三、煤层气吸附性能的主要影响因素
5.煤的显微组分
第一章 煤层气赋存、产出机理
采气工程
煤层气赋存、产出机理 内容提要
煤储层的几何模型
煤层气储集机理
煤层气吸附性能的主要影响因素
煤层气产出的先决条件
煤层气产出机理
小 结
采气工程
一、煤储层的几何模型
煤储层的非均质性，很难用统一的模型来表述。
基质孔隙 双重孔隙结构模型 裂隙孔隙 煤层气 几何 模型 两级扩散 宏观裂隙 三元结构模型 显微裂隙 孔隙
Gan等（1972) 国际理论与应用化 学联合会（1972)
XoЛoT依据工业吸附剂提出：微孔构成煤的吸附容积，小
孔构成煤层气的毛细凝结和扩散区域，中孔构成煤层气缓 慢层流紊流区域，大孔则构成剧烈层流渗透区域。
采气工程
一、煤储层的几何模型
根据Root模型煤中孔隙分类
煤中基质孔隙的类型及特征
类型 孔径 孔隙结构特征 多以管状、板状孔 隙为主 以板状、管状孔隙 为主，间有不平行 板状 以不平行板状孔隙 为主，有一部分墨 水瓶状孔隙 具有较多的墨水瓶 孔隙和不平行板状 毛细管孔隙 油气运移和储集 易于液态烃、气 态烃储集和运 移，排驱效果好 易于液态烃、气 态烃储集和运 移 易于气体储集，但 不利于重烃气体的 运移 气体能储集，但 不利于运移 气体扩散孔隙类型
赋存状态的转化
条 件 原始赋存 状态
温度不变情况下转化关系
甲烷气体浓度≤溶 解度
吸附气+溶解气
压 力 升 高
游离气
压力 降低
压 力 升 高
甲烷气体浓度﹥溶 解度
吸附气+溶解气 +游离气
吸附气
溶解气
图 煤层气在煤储层中赋存状态及转化关系
采气工程
三、煤层气吸附性能的主要影响因素
温 度 外部环境 压 力
中孔
渗透
65-325 325-1000
>1000
稳定层流 剧烈层流
紊和扩散场所，>65nm为渗流通道。
采气工程
二、煤层气的储集机理
1.溶解态:
甲烷在常温常压的纯净水中有一定的溶解度，但溶解度很小。 而煤层气储层多是饱含水的，因此在一定的地层条件下，必定有一 部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：
1 ' pb K cCb 或 Cb pb K c pb Kc
甲烷在水中的溶解度主要取决于水的温度、矿化度、环境压力和 气体成分。
采气工程
二、煤层气的储集机理
2.游离态:
游离气指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由移动的天然气，这部 分气体服从一般气体方程，对于象煤层气这样的真实气体，可用范 德华方程描述：
采气工程
适用中煤阶
双直径球型模型
分I、Ⅱ类和 Ⅲ、Ⅳ类
一、煤储层的几何模型
Root双重孔隙几何模型
由该模型可知煤层气由基质孔隙解吸扩散到割理系 统，然后沿割理以达西流运移到井筒。
采气工程
一、煤储层的几何模型
根据Root模型煤中孔隙分类
煤孔隙分类一览表
研究者
XoЛoT（1961）
单位：nm
级 别 微孔 <10 <1.2 <0.8 0.8-2 小孔 10-100 中孔 100-1000 1.2-30 2-50 大孔 >1000 >30 >50
煤具有非常大的内表面积，当气体分子运动碰 到煤体表面时，由于气体分子受到煤体表面不饱和 力场的作用，会停留在表面上，使其表面上气体分 子的浓度提高，这就是煤对气体的吸附。而解吸是 指煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成游离 气体，其结果是造成吸附量减少。气体在煤中的吸 附量随着压力和温度的变化而变化 。
采气工程
二、煤层气的储集机理
煤层气与常规油
气开发方法差异
煤层气：
项目 储层 成藏 勘探 试气 产出 开采 常规油气 孔隙裂隙 游离型 圈闭、岩性 单井 短期 初期产量高 注水保压 煤层气 基质表面及割理 自生自储吸附型 承压水、高饱和 大井组长期 中期产量高 排水降压
吸附气
游离气
水溶气
采气工程
二、煤层气的储集机理
气孔是指煤化作用过程中气体逸出留下的痕迹。 残留植物组织孔是植物本身组织结构的继承。 次生孔隙是煤中矿物质，如黄铁矿、碳酸盐等在地下 水循环过程中被溶蚀形成的。 晶间孔是原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。 原生粒间孔是各种成煤物质颗粒间的孔隙，是成岩作用过 程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。
采气工程
四、煤层气产出的先决条件
产出的主控因素
资源量 人为难改变因素 原始含气量 煤层总厚度 资源丰度 物质基础
含气饱和度
煤 层 气 产 出 先 决 条 件 及 控 制 因素 人为较易改变因素 排采制度 储层本身条件 原始储层压力 临界解吸压力 解吸时间 裂隙间距 渗透率 连通程度 排采强度 运移产出 解吸
采气工程
二、煤层气的储集机理
吸附气吸附特征
不饱和力场 德拜诱导力和 伦敦色散力 吸附势阱 捕获分子
煤核心 煤表面 内生裂隙 外生裂隙 宏观裂隙 a 单个煤体“球形”吸附层结构示意图
CH4 稳定吸附层 平衡吸附层 自由气体层
孔隙
4
O 煤基质
面 裂 隙
H2O CH4
端裂隙
H2
显微裂隙
煤基质
b煤孔隙三元结构吸附煤层气示意图 图 煤孔隙系统吸附煤层气情况示意图
采气工程
四、煤层气产出的先决条件
产出的先决条件
运移通道
渗透能力
煤层气的产出条件可从 物质基础、流动通道及能 量系统等三个方面进行阐 述。 一定的资源量是进行煤 层气开采的基础
开采效果 经济效益
资源量
采收率
解吸能力
渗透能力的大小是连接气体赋存空间与外部环境 的重要纽带 解吸能力的强弱将直接影响煤层气的开采难易 程度及采收率
采气工程
二、煤层气的储集机理
Langmuir单分子层吸附理论的基本要点是： 固体表面的吸附能力是因为其表面上的原子力场的 不饱和性。当气体分子碰撞到固体表面时，其中 一部分就被吸附并放出热量，但是，对气体分子 的吸附只在固体表面空白位置上发生，当吸附的 气体分子在固体表面上覆盖满一层后力场即达饱 和，因此吸附为单分子层吸附。 固体的表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的 吸附热是个常数，不随覆盖度变化。 已被吸附的分子从固体表面返回气相的几率，不受 周围环境和位置的影响，这表明吸附质分子间无 作用力。 吸附平衡是动态平衡。即当吸附达到平衡时，吸附 仍在进行，相应的解吸也在进行，只是吸附速度等 于解吸速度
扩散渗流
排采时间
图 煤层气产出先决条件及控制因素框图
采气工程
五、煤层气产出机理
Langmuir吸附等温线
吸附体积/V
VL V1 V2 Vi
曲线方程：V=VL*P/(PL+P)
B C’ D C
A
Vn
E
V VL P PL P
上式可用朗格缪尔等温吸附曲线表示。 兰氏体积 (VL)和兰氏压力(PL)被称为等 温吸附参数，是决定朗格缪尔等温吸附曲线特征的关键。兰氏体积代表煤层的吸 附能力。兰氏压力决定了等温吸附曲线低压段的斜率，代表煤层吸附气体的难易 程度。兰氏压力越小吸附越容易，进入低压阶段的解吸效率也就越高。
Ⅰ Ⅱ
>1000
气体容积型扩散孔隙
1000-100
Ⅲ
Ⅳ
100-10
气体分子型扩散孔隙
<10
采气工程
一、煤储层的几何模型
面割理（主内生裂隙）
割理（内生裂隙）
端割理（次内生裂隙） 裂隙 外生裂隙 继承性裂隙 剪切外生裂隙 张性外生裂隙 劈理
采气工程
一、煤储层的几何模型
S型割理被方解石完全充填
主外生裂隙，次外生裂隙
采气工程
二、煤层气的储集机理
1916年，Langmuir 在研究低压下气体于金属表面 上的吸附时，将所得数据处理后发现一些规律性的东西， 并从动力学的观点出发，提出了固体对气体的吸附理论， 这个理论常称为单分子层吸附理论。
煤层的脱吸附性能通过等温吸附规律来表征。一般认为，恒温条件下被吸附物 质数量与压力的变化规律符合朗格缪尔模型，吸附量和压力的关系称为朗格缪尔 方程：
图 温度对瓦斯吸附量的影响曲线
采气工程
三、煤层气吸附性能的主要影响因素
3.水分含量 水分和气体分子与煤 之间具有相似的特性，水 与煤之间都不存在共价键， 都是以较弱的范德华力吸 附在煤中。