煤层气吸附解吸机理研究

【摘要】随着社会的发展，开拓新能源已是各国政府努力发展的方向，煤层气因为具有新能源效应、环保效应、煤炭生产安全效应及领域广阔的商业效应，而成为各国的主要发展对象，煤层气的勘探、开发受到了世界各国能源部门以及研究人员的高度重视。本文试图对当前制约煤层气开发的因素和能源需求的分析，指出了研究煤层气的解吸吸附机理的意义。通过分析国内外解吸吸附机理的研究历史和现状，例如煤层中的水分含量以及地层压力条件和温度条件等作了大量研究，希望为我国的煤层气实际开采提供可靠的理论依据。

【关键词】煤层气 解吸 吸附 影响因素

非常规天然气中煤层气（CBM）的储量占世界天然气总储量的30%以上。煤层气（CBM）是成煤过程中生成，并以吸附和游离状态赋存于地下煤层及围岩的自储式天然气体。由于我国的特殊国情，在不同学术时期或者因为外文资料的翻译原因等，造成CBM有不同的名字或者定义，比如煤层甲烷、瓦斯、煤层气等。为方便表述，统一命名为煤层气，即CBM。

1 中国煤层气勘探开发问题分析

众所周知，目前我国的沁水盆地中南部地区的煤层气的勘探开发利用发展较为快速，但其他地区的开发利用还停留在比较基础的阶段， 因为：

（1）由于起步较晚，我国的CBM基础理论一般是从美国的技术学习而来，虽然美国的技术相对成熟，但是中国的地质结构特殊，结合中国煤层自身特点的赋存条件的指导理论研究尚且不足；

（2）石油天然气开发技术一直影响我国CBM的开发，我国的CBM开发工艺没有考虑到CBM独特的生储特性，没有做到具体问题具体分析。

资料显示，地质的演化或者现阶段地质的构造状况对CBM的开采影响十分巨大。由于我国的含煤岩系是经历了多期构造作用的影响而保存，与其他国家大为不同。煤体结构较为特殊，降低了煤层气的渗透性能且影响产能输出；同时，由于煤是自生自储，它与石油天然气的储层截然不同，多种因素制约着它的产能，例如CBM的勘探理论或者开采工艺技术，以及国家能源政策制约了对外合作，科技人才的短缺等。CBM产业属于新型能源行业，其国内的总体趋势是大步向前发展的。

2 CBM 理论的国内外研究现状

经历数十年的发展，目前世界各国对C BM解吸吸附机理的研究突飞猛进。但是，我国对煤储层的渗透性无法做到准确评价，且其形成机理研究也相对落后，尤其是具有极低渗、高应力等地质条件的研究还处于起步阶段。开采理论无法适应实际生产的应用，这也成为制约我国煤层气利用的一大障碍。

3 煤层气的解吸吸附理论

在CBM研究初期，一直认为CBM是以游离态和溶解态赋存于煤层中，但是后来研究发现煤层的自身孔隙的总容积要远远小于CBM总含量，所以可以明确的指出CBM肯定还有另外一种存在状态，即吸附态，也就是说在某种多孔介质中容纳了以累液态或凝聚态存在的气体，其存在方式分为化学吸附和物理吸附。通过各种理论和大量的实验证明，煤岩中的煤层气主要是以物理吸附的方式存在；此外，解吸是指CBM分子在其被煤岩等介质吸附后，受到了在热运动或者是某种振动的影响下，使CBM分子重新活跃，且足以摆脱吸附介质的吸附力，这样CBM分子又能以游离状态返回到CBM分子群中。研究发现，CBM的解吸/吸附在一定条件下可以相互转换。

3.1 CBM的解吸过程

（1）压力对CBM的赋存状况影响极大，煤岩裂隙中会产生气或者水，这些都能改变煤岩的压力状况，使煤基质块中的CBM分子因为压力变化而从新回到分子群中，使得其煤层气含量（煤层气浓度）大大降低。在条件合适的情况下，解吸与吸附可以说是互为逆过程，能相互转换。

（2）由于被吸附的CBM分子浓度的降低，使得煤介质表面微孔隙中CBM浓度相对内部微孔隙系统浓度较低，这时有种CBM浓度梯度存在于煤基质块的内部和表面微孔隙系统间。存在于内部微孔隙中的CBM分子会穿过微孔隙系统，按照浓度梯度的变化，从比较低的方向发生运移现象，其方向大致是由内至外，学术上一般认为这种现象是Knudson型扩散等多种扩散现象共同作用的结果 。

（3）如果CBM排采井采用排水降压时，在压力梯度的作用下，储层的裂隙系统中的水和CBM分子会出现以遵守流动Darcy定律，即压力梯度与流体流速成正比，的流动的现象以层流方式向井筒方向涌动。

由于煤基质块的表面解吸能力比较强大，所以完全可以保持吸附气和自由气之间的均衡，而在其内部的自由气与吸附气则处于不均衡状态。

3.2 CBM吸附过程

（1）以往的研究表明CBM吸附先是渗流过程，即由于强大的外部压力使甲烷的气体分子渗流到大孔系统中流动，并且在煤基质外的表面产生一种煤层气气膜 。

（2）吸附的全过程第二步是扩散过程，它主要包括内扩散过程和外扩散过程 。其中前一个过程是指在图3中，甲烷气体分子通过2这个点，进入煤介质的微孔隙中然后慢慢渗透到介质的每一个部分的过程；而后一个过程是指图3中，处于煤介质的外部甲烷气体分子从1这个点横穿煤介质的气膜然后遍及其表面的全部过程。

（3）吸附的全过程第三步是吸附过程。Ruppel等研究发现当气体分子经过介质颗粒外时，有一部分气体分子会被介质外表面强力吸附，并且被吸附的气体分子会通过介质的微孔隙向煤介质内部扩散；同时另一部分会通过往介质颗粒内的孔道向内扩散。由此可知，吸附的完成过程包括了外扩散、内扩散以及表面扩散。而最慢阶段，一般是内扩散阶段的速率，决定了吸附过程的总速率。

4 煤层气解吸吸附的影响因素

4.1 CBM受压力的影响

由上述结论可知CBM的吸附/解吸理论大多和吸附/解吸压力密切相关，所以国内外对CBM的研究尤其重视对压力的研究。理论上来说煤的吸附能力与压力在一定值内呈正比。同理类推，压力的降低使煤的吸附性下降，解吸出CBM分子，实验表明，只要当压力降低到一定的数值时，煤体就会大量解吸甲烷。呈高度非线性的吸附等温线决定了甲烷的解吸量取，例如实验压力下降40%～50%，甲烷的解吸量通常不到三成，通常情况下，要想煤体中的吸附甲烷全部解吸和扩散出来，必须当档压力降到接近大气压时才能出现。

4.2 温度

大量实验研究表明，温度总是能增加气体分子的脱附作用，即温度的高低与游离气的多少呈正比，与吸附气的多少呈反比（图1）。例如，介质温度每提升1摄氏度，那么煤的吸附能力就会下降8%左右。其机理是因为温度的改变能为气体分子提供不同的能量，使其分子的活跃程度产生变化，从而影响甲烷的解吸。

4.3 水分

影响甲烷吸附/解吸能力的又一因素是煤中的水含量。研究表明水分含量对吸附性呈反比（图2所示），即水分的增加会使吸附能力下降，因为煤吸附了水分子后，必定有一部分表面积被占，使得甲烷的吸附面积减少。

图2？煤样不同水分含量的吸附等温线4.4 不同的气体成分

由于不同气体成分的不同，使得煤对不同的气体的吸附力也有很大差异，各种气体在煤表面的吸附热能力也各有不同，例如，煤对甲烷的吸附能力低于二氧化碳，但高于氮气。

5 结论

随着我国的经济发展，能源需求量的大幅度提升，煤层气的战略地位与日俱增。本文分析了国内外解吸吸附机理的研究现状，对影响CBM解吸吸附的因素，例如水分含量、组分、压力条件和温度条件等进行了大致研究，希望本文能为以后煤层气的实际开采提供可靠的理论依据，为我国的煤层气发展做出应有的贡献。

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