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
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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。
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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。
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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：
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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。
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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 。
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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。
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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
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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
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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
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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。