煤层气的赋存状态及其影响因素

摘要　煤储层内的煤层气与常规天然气的赋存状态截然不同，基本上可划分为溶解态、游离态、吸附态，近期Collins指出类液态相的存在．在简要介绍了溶解态和游离态煤层气赋存规律之后，主要对吸附态煤层气及吸附等温线进行详细论述，同时对煤的吸附能力的控制因素进行了系统探讨．
关键词　煤层气　赋存状态　吸附等温线
中图法分类号　TD?712.2

Occurrence of Coalbed Methane in Coal_seam and It′s Controls

Su Xianbo　Liu Baomin
(Institute of Fossil Fuel, Jiaozuo Institute of Technology, Jiaozuo 454000)

Abstract　The occurrence of coalbed methane in coal_seam is very different from natural gas in conventional reservoir. The occurrence of coalbed methane in coal_seam can be divided into three phases: dissolved phase, free phase and sorption phase. (Another phase—liquid_like phase was found by Collins in 1991). After the brief introduction on dissolved and free phase, the sorption phase and isotherm are discussed in detail. At last, the controls of sorption capacity in coal_seam have been introduced.
Keywords　coalbed methane; occurrence of coalbed methane; isotherm

0　引　言
　　煤储层对煤层气的容纳能力远远超过其自身孔隙体积，所以煤层气必定以不同于天然气的状态赋存．目前关于煤层气赋存状态比较一致的认识是：它以吸附态、游离态和溶解态的三种形式储集在煤的孔隙中，以吸附态为主，占80%以上．但是，长期以来对吸附态煤层气的状态方程认识存在严重分歧，随研究程度的深入不断有新的理论问世^{［1，　2］}．本文旨在全面系统地阐述煤层气的各种赋存状态及其影响因素．

1　溶解态
　　煤层气储层多是饱含水的，在一定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：
　　　　　　　　p_b=K_cC_B　(1)

式中：p_b——溶质在液体上方的蒸汽平衡压力，Pa；　　C_B——气体在水中的溶解度，mol/m³；
　　　K_c——亨利常数．

2　游离态
　　煤的孔或裂隙中有一部分自由气体称游离态气体，这种赋存状态符合气体的状态方程．对于象煤层气这样的真实气体可用范德华方程描述：

　　　　　　　　　(2)

式中：a、b——常数，可由实验求得；　　μ——摩尔质量，kg^.mol^-1；
　　　p——压力，Pa；　　　　　　　　　T——绝对温度，K；
　　　M——气体质量，kg；　　　　　　　R——摩尔气体常数．

3　吸附态
　　煤层中煤层气的含量远远超过其自身孔隙的容积，用溶解态和吸附态难以解释这一现象,因此必定存在其它赋存状态，即吸附态．

3.1　吸附等温线
　　吸附态煤层气可用吸附状态方程来表达，但最直观的是吸附等温线，即状态方程的图示形式．吸附等温线在煤层气勘探开发中的应用主要表现在以下4个方面：
　　(1)评价煤对气体的最大吸附能力；
　　(2)预测生产过程中储层压力降低时释放出气体的最大值；
　　(3)确定临界解吸压力；
　　(4)确定气饱和度．

3.2　吸附等温线的数学表达式
　　如何用数学方法表达吸附等温线，是表面物理化学的一个重要研究领域．长期以来，众多的研究者试图从3个方面解决这一难题：动力学理论、热力学理论和位能理论．
3.2.1　单分子吸附理论——Langmuir方程
　　动力学理论中最早、迄今仍在广泛应用的是Langmuir理论．该理论认为被吸附气体和吸附剂之间的平衡是动态的，其表达式为

　(3)

式中：p——压力，Pa；　　　　V_m——单分子层体积，cm³；
　　　V—牚吸附体积，cm³；　　b——常数．把(3)式改写成线性形式：

　(4)

以p/V对p作图得一直线，由该直线的斜率和截距便可求取V_m和b．
　　该方程描述的是Ⅰ型吸附等温线，它是目前广泛应用于煤层气吸附的状态方程，其更为简单的表达式为

　(5)

式中：V——吸附量，cm³；　　　p_L——Langmuir压力，Pa；
　　　p——压力，Pa；　　　　V_L——Langmuir体积，cm³．
3.2.2　多分子层吸附理论——B.E.T方程
　　动力学理论的另一分支是多分子层吸附理论，是Langmuir单分子层吸附理论的扩展,该理论将Langmuir对单分子层假定的动态平衡状态，用于各不连续的分子层．另外假设第一层中的吸附是靠固体分子与气体分子间的范德华力，而第二层以外的吸附是靠气体分子间的范德华力．吸附是多分子层的，每一层都是不连续的．这种吸附称B.E.T吸附，由B.E.T方程描述．

　(6)

式中：x=p/p₀；　　　　　　　　　p——蒸汽压力，Pa；
　　　p₀——饱和蒸汽压力，Pa；　c——与气体吸附热和凝结有关的常数．
将(6)式改写为

　(7)

　　以x/V(1-x)对x作图由斜率和截距可求出V_m和c．
3.2.3　位能理论
　　对多层吸附而言，位能理论认为固体吸附剂表面存在一个位能场．吸附质分子在这一场中越接近固体表面密度就越大，越向外越小．如果认为固体与气体分子间的力为色散力，则位能理论称为色散模型；如果是诱导力，则为极化模型．这两种模型在煤层气领域应用极少，这里不再赘述．
3.2.4　其它理论
　　近期Collins提出了一种新的综合性理论^［1］，认为处于吸附平衡状态时孔隙中的气体存在四种相态：由孔隙表面的单分子层吸附相向外依次过渡为：类液态相、孔隙相和最外部的游离态相．该理论认为这四种相态内存在两种分子间的力：范德华力和色散力，并假设多孔物质的孔隙为柱状，半径相等．在高压下的吸附等温线方程为

　(8)

式中：N_a——吸附剂中气体分子数；　　G(T)——无量纲温度校正因子；
　　　p_L——Langmuir常数；　　　　　V_p——吸附剂孔隙体积；
　　　α——常数；　　　　　　　　　K——Boltzman常数；
　　　——比表面积；　　　　　　　B——范德华因子；
　　　S——吸附位总数量；　　　　　
　　　h——Plank常数；　　　　　　　m——气体分子量．

式(8)中，第一项为Langmuir等温吸附量，第二项为孔隙相中气体分子数，第三项为被压缩的气体(类液态层)内的分子数．Collins认为处于吸附态的气体由以上三部分组成，游离态不属于此范畴．该理论是动力学、热力学和位能理论的综合，描述的吸附等温线如图1所示．

图1　多孔介质中气体的三种相态
Fig.1　Three phases of gas in porous media