构造煤中煤层气扩散_渗流特征及其机理
煤层气渗流规律与压力特征分析
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《有关煤层气开采机理的讨论》
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。
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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。
煤层气
一、名词解释1煤层气：是指煤层生成的气体经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气，割理、裂隙游离气。
2煤型气：是相对于油型气的概念，是煤成气和煤层气的总和。
3割理：是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙。
4构造煤：是指煤层中分布的软弱分层，是煤层在构造应力作用下发生破碎或强烈的韧、塑性变形及流变迁移的产物。
5煤层气吸附平衡：当吸附和解吸两种作用速度相等（单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的气体分子数目就维持在某一定量，称为吸附平衡。
6煤层气藏：是指在地层压力（水压和气压）作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，具有独立的构造形态；是在煤层演化作用过程中形成的，在后期构造运动中未被完全破坏，呈层状产出。
7煤层气地质储量：是指在原始状态下，赋存于已发现的具有明确计算边界的煤层气藏中的煤层气总量。
8煤成气：是煤层和煤系中分散有机质在热演化过程中生成的气态烃，经运移到煤系中或煤系以外的储层中聚集的煤型气。
9瓦斯突出煤体：构造严重破坏并具有发生瓦斯突出的瓦斯能（即含有大量瓦斯）介质条件的煤体称为瓦斯突出煤体。
10坚固性系数：用于表示岩石抗冲击能力的大小或破坏时破碎功的大小。
11瓦斯放散初速度△P：是指煤在0.1MPa压力吸附瓦斯的条件下，向一固定体积的真空空间放散时，某一时间段内所散放的瓦斯量。
12原生结构煤：指煤原生构造未受构造变动，保留原生沉积结构和构造特征，每层原生层理完整、清晰，仅有少量内、外生裂隙发育，煤体呈块状的煤；原生结构煤的煤岩成分、结构、构造与内生裂隙清晰可辨。
13煤与瓦斯突出：采煤生产过程中，在一瞬间（几秒钟）采煤工作面或巷道某处突然被破坏，迅速放出大量瓦斯，同时抛出大量的煤、岩碎块和煤粉，这种现象称为煤与瓦斯突出。
14吸附等温线：按照气体解吸特性描述的煤的响应性曲线称为吸附等温线二填空题1煤层气形成阶段：原生生物气生成阶段、热降解气生成阶段、热裂解气生成阶段和次生生物气生成阶段。
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。
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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。
煤层气达西、非达西渗流理论和扩散理论的研究进展综述
第51卷第6期
煤炭工程
煤层气又称煤层甲烷是成煤母质在煤化过程中 形成并储集在煤层中，以 CH4 为主的非常规天然气， 其中甲烷含量一般大于 80%，甚至可达到 98%［1］。 同时煤层气也是一种有害气体，不仅对煤矿生产安 全造成了威胁，还具备严重污染环境的能力。因此， 研究煤层气各个阶段的流态特征对减少瓦斯爆炸存 在的安全隐患、改变能源供给以及保护环境都有重 要意义。
Abstract： A large number of experiments and data indicate that there are three kinds of flow regimes of Darcy and non－Darcy seepage and diffusion in the exploitation of coalbed methane． Through the investigation of relevant domestic and foreign literatures，the research progresses on the theory of coalbed methane Darcy and non－Darcy and diffusion theory are reviewed， which include Darcy’s seepage theory，non－Darcy’s seepage theory，linear diffusion theory，infiltration and diffusion theory， nonlinear diffusion theory considering various factors，and analysis of the authenticity and existing problems of these theories， pointing out the development direction in the future． Keywords： coalbed methane； Darcy flow； non－Darcy flow； diffusion
煤层气扩散理论及控制因素研究进展
煤层气扩散理论及控制因素研究进展
李茂林
【期刊名称】《山东煤炭科技》
【年(卷),期】2024(42)3
【摘要】煤层气扩散特征研究对提高煤层气产量和减少矿井瓦斯灾害具有重要意义。
基于国内外学者在煤层气扩散领域取得的成果,从煤层气扩散模型、扩散实验和扩散控制因素等3方面进行系统研究。
结果表明:基于Fick定律的单孔扩散模型不能描述吸附/解吸扩散全过程,双孔扩散模型、多孔扩散模型和基于时间变化的动态扩散模型能更好解释扩散特征;测压法和质量法用来获取吸附扩散系数,体积法用来获取解吸扩散系数,选择合适的扩散模型拟合实验数据是获取扩散系数的关键;煤层气扩散特征主要受控于煤阶、孔隙结构、煤岩水分、温度、压力和粒径。
探寻扩散系数随时间变化规律,定量不同孔径扩散模型,明确扩散渗流联合机制,是该研究领域的发展趋势。
【总页数】6页(P98-103)
【作者】李茂林
【作者单位】山西西山煤电股份有限公司马兰矿
【正文语种】中文
【中图分类】P618.13
【相关文献】
1.煤层气扩散燃烧性能影响因素分析
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煤层气窜流-扩散过程及其对开发效果的影响
石 丽娜 ， 杜庆 军 ， 同登科 ． 层 气窜 流一 散过 程及 其 对开 发效果 的影 响 … ． 煤 扩 西南石 油 大学学 报 ： 自然科 学 版 ， ０ ｌ ３ （） １７ １０ ２ １， ３ ３ ： ３— ４ ．
引 言
我 国煤 层 气 资 源 潜 力 巨 大 ， 年 来 关 于 煤 层 近 气 的 运 移 机 理 和 开 发 理 论 的研 究 受 到 越 来 越 多 的 重 视 ， 关 学 者 也 开 展 了 大量 的研 究 工 作【 ３ 相 １］ － 。关 于 煤 层 气 渗 流 主 要 有 ４种 理 论 ： １ 煤 层 气 渗 透 （） 理 论 ［ ５， 为 煤 层 气 的 流 动 基 本 符 合 达 西 定 律 ； ４ Ｉ认 ， （） 层 气 扩 散 理 论【 认 为煤 层 气 运 移 基 本 符 合 ２煤 ， Ｆｃ ｉ ｋ扩 散 定 律 ； ３ 煤 层 气 渗 透一 散 理 论 【 ８， （） 扩 ７ ｌ认 ， 为 煤 层 气 运 动 是 包 含 了 渗 透 和 扩 散 的 混 合 流 动 过 程 ， 瓦 斯 地 质 新 观 点 来 认 识 煤 层 气 运 移 的机 以
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文 章 编 号 ：１７ —５ ８ （０ １０ —０ ３ —０ ６ ４ ０ ６ ２ １） ３ １７ ４ 中 图 分 类 号 ：Ｔ ： ｌ １ Ｅ ３ ９ ．
非平衡吸附模型Ｂ， １ ７ ８与拟稳态窜流模型耦 合 ， 建 立 了拟稳态窜流一 扩散模 型 ， 给出了模 型的数值 并
解 法 ， 制 了相 应 的模 拟 软 件 ， 研 讨论 了窜 流一 散对 扩
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第17卷第1期2010年1月地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)Earth S cien ce Frontiers (Ch ina University of Geosciences(Beijing);Peking University)Vol.17No.1Jan.2010收稿日期:2009 03 11;修回日期:2009 06 21基金项目:国家重点基础研究发展计划 973 项目(2009CB219601,2006C B202201);国家自然科学基金项目(40772135,40642013,40172058);国家科技重大专项课题(2008ZX05039 003)作者简介:陈富勇(1962 ),男,硕士,高级工程师,主要从事煤田地质与勘探研究。
E mail:cfy2008yx@*通讯作者简介:琚宜文(1963 ),男,博士,教授,主要从事构造地质和煤层气地质研究。
E mail:juyw 03@构造煤中煤层气扩散 渗流特征及其机理陈富勇1,!琚宜文2,*,!李小诗2,!范俊佳2,!梁!英31 淮北矿业(集团)有限责任公司地质测量处,安徽淮北2350002 中国科学院研究生院地球科学学院,北京1000493 河北煤田地质局煤田物测队,河北邢台054000Chen Fuyo ng 1,!Ju Yiw en 2,*,!Li Xiao shi 2,!Fan Junjia 2,!Liang Ying 31 G eolog ical S urv e y Depar tme nt of Anh ui H uaibei M ining Group C omp any ,H uaibei 235000,China2 College of E arth Sc ienc e,Gr adu ate Univ ersity of Chinese A cad emy of Sc ienc es,Be ij ing 100049,China3 G eoph ysic al and G eolog ical Div ision ,H ebei Bu reau of Coa l Geolog y ,X ing tai 054000,ChinaC hen Fuyong,Ju Yiw en,Li Xiaoshi,et al.Diffusion osmosis characteristics of coalbed methane in tectonically deformed coals and their mechanism.Earth Science Frontiers ,2010,17(1):195 201Abstract:T her e a re t hr ee stag es fo r the pro ductio n of coalbed methane:deso rptio n,diffusio n and osmo sis.T he diffusio n pr ocess of methane and multi co mpo nent g ases in the deformed coals is not co nsistent w ith that in primar y coals.T he chang e of ex ter nal pr essure is only an exter na l fact or in the w hole pro cess of adsor ption desor ption in tectonically defor med coals;the essential factor s o f the pro cess ar e the defo rmation,the change of str ucture and the adsor pt ion potential.T hose facto rs ar e the r oo t causes w hich induce the ir rever sible process o f deso rptio n.W hen the ba lance of co al and multi g as like CH 4has been destro yed,the tectonically de formed coals that deformed stro ng er show s a phenomenon of hyster esis o f desor ption after the pr essure r e duced,and the g as in w eakly deformed co al will deso rb quickly.T he pr ocess of deso rption has two phases:one is the g as desor ption and the other is the pr ocess of free g as fro m micro po res diffusing to the bigg er pores;the latt er one deter mines the gas diffusion rate.T he g as diffusion mechanism o f tectonically defor med co als was deter mined by por e shape,size,co nnectiv ity and the pro pert ies and condition of multi g as.Ductile defor mation coal has many micr o por es and its diffusio n mo de is the K nudsen diffusion.Brittle defor mation coa l has many bigg er po res and the co nnectiv ity o f po res is much better,so the diffusio n mode is t he Fick diffusion.T he dif fusio n mo de of br ittle ductile defor mation coal is the transitional diffusion.T he well test osmosis of brittle de format ion coal is hig her t han that of ductile defor mation co al and the well test osmo sis of primar y structure coa l is the lo west.T her e are many mesopo res in brittle defor matio n co al,and t he others ar e micr opores;sub mi cr opor es and ultra micropor es cannot be detected.T he br ittle defor matio n also can increase t he connectivity of po res.Ductile defo rmation co al has a small amount o f meso po res,and the amo unts of micr opores and sub mi cr opor es increase fast;the pr ocess of diffusion and o smo sis happened in meso po res and micr opor es,so the w ell test osmosis of duct ile defor mation coal was low er than t hat o f britt le defo rmation co al.Key words:tect onically defor med coals;coalbed met hane;desor ption &diffusion;o smo sis摘!要:煤层气产出一般要经过解吸、扩散和渗流三个阶段,而煤层气在变形较强的构造煤中的扩散过程不同于在原生结构煤或变形较弱的煤体中的扩散。
外界压力的变化只是构造煤吸附与解吸整个过程的一种外在因素,构造煤的变形和结构变化以及吸附势场的转换才是构造煤吸附与解吸的内在因素,是导致解吸过程不可逆性的根本原因。
当构造煤体与CH 4等多元气体间的吸附平衡状态遭到破坏时,变形较强的构造煤在降压后会产生解吸滞后现象;而变形较弱的煤,分子结构中的气体会很快解吸,第一阶段是气体解吸作用,第二阶段是游离气体从微孔向较大孔隙扩散的过程,气体扩散速率主要由第二阶段决定。
构造煤气体扩散机理主要是由孔隙形状、大小、连通性和多元气体性质和状态所决定的。
韧性变形煤的微孔隙比较发达,所以韧性变形煤以K nudsen 扩散为主,脆性变形煤的中、大孔隙所占比例较大,而且脆性变形煤的孔隙之间具有很好的连通性,所以脆性变形煤以Fick 型扩散为主,脆 韧性变形煤以及接近脆 韧性变形煤的脆性变形煤和韧性变形煤均以过渡型扩散为主。
在试井渗透率比较中,一定变形程度的脆性变形煤>韧性变形煤,脆性变形煤中以过渡孔为主,其余为微孔,测不出亚微孔和极微孔,脆性变形还增加了各孔隙之间的相互连通性。
韧性变形煤中过渡孔比表面积所占比例下降,微孔和亚微孔增高,扩散主要发生在微孔和过渡孔中,所以韧性变形煤的试井渗透率低于脆性变形煤的试井渗透率。
关键词:构造煤;煤层气;解吸扩散;渗流中图分类号:P 618 11!文献标志码:A !文章编号:1005 2321(2010)010195 07!!煤层气有三种自然存在状态:吸附气、游离气和溶解气。
吸附气主要存在于吸附孔隙内,而游离气和溶解气则存在于渗透孔隙内。
在一定的储层压力下,气体组分浓度大于溶解度时,才会出现游离气。
在渗流过程中,如果储层压力降低,扩散向解吸方向发展,则吸附气和溶解气向游离气转化;如果储层压力升高,扩散向吸附方向发展,游离气会向吸附气和溶解气方向转化,伴随着气体吸附过程,气体赋存状态间存在动力学平衡[1]。
当煤体与CH 4等多元气体间的吸附平衡状态遭到破坏时,煤分子结构中的气体会很快解吸,第一阶段是气体解吸作用,第二阶段是游离气体从煤分子结构微孔向较大孔隙中扩散的过程,气体扩散速率主要由第二阶段决定。