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煤层气开发煤层气开发
《《煤层气开发与开采煤层气开发与开采》》理论与技术第二章理论与技术

煤层气储层特征
第二章
2.1煤的化学组成、岩石学特征与煤阶
2.2煤层特征描述及煤体结构分类
煤层气储层特征2.3煤储层的孔隙与天然裂隙
2.4煤储层的孔渗性
（第（第44、、55、、66、、77、、88节）节）2.5煤储层的吸附性
2.6煤储层的含气性
2.7煤储层的储层压力
张遂安教授2.8煤储层的原地应力
2.9吸附饱和度与临界解吸压力

2008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心12008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心2

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§2.4煤储层的煤储层的孔渗孔渗性性理论与技术§2.4煤储层的煤储层的孔渗孔渗性性理论与技术

渗透率与样品尺寸的关系

。孔渗性

由于煤的天然裂缝发育特征，
较大样品显示出渗透率较高。

2008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心32008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心4

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§2.4煤储层的煤储层的孔渗孔渗性性理论与技术§2.5煤储层的吸附性理论与技术

渗透率与测试方法的关系

4.0
3.61

)3.5

3.0
mdmd
(
2.5。
率2.0吸附性
透1.5
渗
1.0

0.50.299
0.099
0.0
注入/压降水箱试验DST测试

2008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心52008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心6

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煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征理论与技术煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征理论与技术

煤田地质界普遍认为，煤中有机质的基本结构单元
主要是带有支链和各种官能团的缩合稠核芳香系统，支大量的碳素材料研究表明，煤、焦、炭、炭墨等非晶质高碳
链、官能团与缩合芳香核之间的比例关系影响到煤的化物料都是由微晶石墨片或芳核组成，其尺寸大小不等，小的零点
学工艺性质。随着煤化程度加深，基本结构单元中六碳几微米，大则几十微米。Kaplan认为，石墨中芳香碳层之间的结
环的数量不断增加，支链和官能团逐渐减少。合能为5.4kJ/mol左右，基本属于分子间的范德华力（VanDer
Waals）作用。甲烷因其饱和的成键结构而表现出极大的化学惰
煤是由碳原子构成的有机固体，煤体相内的碳原子性，其9.4kJ/mol的液化热却是很好的说明。
被四周的碳原子吸引，处于力的平衡状态。当煤孔隙表量子化学计算表明，当甲烷吸附于煤的表面时，最大吸附势
面形成，则表面的碳原子至少有一侧是空的，因而出现仅为2.65kJ/mol，这显然属于一物理吸附过程。
受力不平衡（煤具有了表面自由能）。当孔隙中存在甲
烷分子时，甲烷分子就被煤的表面所吸附。

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理论与技术煤吸附的数学模型理论与技术
煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征CH4

物理吸附与化学吸附的本质差异常用的吸附理论和模型有：目前多采用Langmuir
■Langmuir单组分层吸附理论：方程：
性质物理吸附化学吸附▲参数有明确的
吸附力范德华力（vanderwaals）化学键力Langmuir方程物理意义。
吸附热近于液化热近于化学反应热■BET多分子层吸附理论：▲方程形式简单、
吸附温度较低（低于临界温度）相当高（远高于沸点）BET方程使用方便。
吸附速度快有时较慢■Polanyi吸附势理论：▲虽有误差，可
满足工程需要。
选择性无有D-R、D-A方程
吸附层数单层或多层单层

脱附性质完全脱附脱附困难，常伴有化学变化
对模型的精度问题，不同的作者有不同的结论。

2008/12/12中国石油大学（北京）煤层气研究中心10

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理论与技术理论与技术
煤吸附CH4的数学模型煤吸附CH4的数学模型

D-A方程参数中的n越大预示吸附剂的孔隙直径越小，n值越小表
Langmuir方程：V=VL×P/（PL+P）或P/V=P/VL+PL/VL
明吸附剂的孔径较大，吸附势未发生重叠现象，这种现象和吸附剂煤
其主要假设条件是：单分子层吸附、固体有理想的均匀表面、被吸附的分子之间无
相互作用、吸附平衡是动态平衡等。主要用来描述Ⅰ型等温线。的孔隙结构特点相吻合。煤中孔隙包括微孔、中孔和大孔，总体孔径
较大，可以将孔隙看作单一表面处理，因此从理论上分析，也说明
P1C−1P
BET二常数表达式见式:=+×n=1时的D-A方程更适合于描述煤吸附甲烷行为。
V(P0−P)VmCVmCP0
该理论除接受了Langmuir提出的动态衡态平衡、固体表面是均匀的等之等假设之外，认为
吸附是多分子层。BET方程主要用于描述中孔丰富的多孔性物质，但用于超临界状态
流体时偏差