煤層氣運(yùn)移影響因素分析

李 強(qiáng) 馮松寶

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

0 引言

隨著21世紀(jì)人類的不斷發(fā)展與進(jìn)步，能源的開發(fā)與利用得到了越來越多的重視，但是，煤層中的煤層氣由于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)原因常常被忽略，而造成了極大的浪費(fèi)。在這種背景下，煤層氣的生成與開發(fā)得到了眾多國(guó)內(nèi)外專家的青睞[1-6]，而對(duì)于煤層氣運(yùn)移影響因素的研究少之又少，至今都沒有形成有效地合理開發(fā)利用的手段或是途徑，因此，要想在理論或方法上有所創(chuàng)新，必須研究其運(yùn)移的形式及影響因素。煤層氣有吸附氣、游離氣和溶解氣三種存在形式，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究的煤層氣以游離氣為主[1-2，5-6]，然而煤層氣主要以吸附氣的形式存在，主要由煤源巖生成之后直接被煤儲(chǔ)層吸附而聚集在孔隙表面之上[5]。鑒于以上原因，分析、總結(jié)、研究煤層氣運(yùn)移的影響因素，對(duì)我國(guó)煤層氣的開發(fā)與利用提出合理化建議、改善我國(guó)人均資源匱乏現(xiàn)象、推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)的格局都有著重要的意義和價(jià)值。

1 煤層氣運(yùn)移的影響因素分析

煤層氣運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其運(yùn)移過程受到諸多因素影響。在多孔介質(zhì)的煤層或是圍巖中煤層氣的擴(kuò)散、彌散都與煤層及圍巖性質(zhì)密切相關(guān)，在松散層中擴(kuò)散運(yùn)移速度較快，在較密集的巖層中氣體的運(yùn)移速度較慢[3]；煤層氣在地層中的運(yùn)移也受到地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力以及溫度壓力的影響，在外力作用下，由于外力形成明顯的空隙裂隙等通道，煤層氣的運(yùn)移速度會(huì)明顯的增加。在運(yùn)移難以控制的條件下，對(duì)煤層氣的綜合利用將是很難很好的完成的，因此更加說明了對(duì)煤層氣運(yùn)移影響因素分析的重要性。

1.1 煤層及圍巖性質(zhì)的影響

1.1.1 透氣性及吸附能力

煤層透氣性是指在壓力差作用下，煤層氣在煤層中流動(dòng)的難易程度[2-4],煤層及圍巖中存在大量的空隙、裂隙及洞穴，這些空隙、裂隙及洞穴的大小及分布對(duì)煤層的透氣性起到?jīng)Q定性作用，一般來說空隙、裂隙及洞穴越多越大，其之間越易形成貫通的通道，即空隙間隙的連通性越好，越有利于煤層的透氣，從而有利于煤層氣的運(yùn)移。

吸附能力是指煤層及圍巖對(duì)周圍氣體以及有機(jī)分子的吸引能力[3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，吸附能力的大小嚴(yán)重影響煤層氣的運(yùn)移速度[6]，在地層中不同的溫度、不同的壓力、不同的煤質(zhì)都會(huì)影響煤層的吸附能力。升高溫度以及增加壓力會(huì)增加煤層的吸附能力，從而減少煤層氣的活動(dòng)性，進(jìn)而影響其運(yùn)移能力；而不同煤質(zhì)中煤的存在形式、存在狀態(tài)以及煤層中的空隙裂隙都會(huì)影響煤層的吸附能力，如煤分子孔徑、粒徑影響的比表面積，不同煤質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量、沸點(diǎn)、飽和度等等。

通過相應(yīng)的研究與分析，我們可以知道，煤層及圍巖的透氣性越好越利于煤層氣的運(yùn)移；煤層及圍巖的吸附能力越強(qiáng)越不利于煤層氣的運(yùn)移。

1.1.2 堅(jiān)固性系數(shù)

堅(jiān)固性系數(shù)是抵抗外力的能力，一般用f表示，即：f=1/R(R為抗壓強(qiáng)度)，抗壓強(qiáng)度的倒數(shù)。煤層及基巖的堅(jiān)固性系數(shù)是影響煤層氣運(yùn)移的重要因素[3]，也是判斷煤層氣對(duì)安全生產(chǎn)存在的隱患系數(shù)的高低程度。可以認(rèn)為，研究煤層及圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響，在很大程度上能降低煤層氣開采的風(fēng)險(xiǎn)，是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[1-6]。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外科技文獻(xiàn)的查閱和分析，我們可以知道，煤層或是圍巖的抗壓強(qiáng)度越大，煤層及圍巖中產(chǎn)生的裂隙就越少，從而煤層氣的運(yùn)移程度就會(huì)減小[1]，因此我們可以得出，煤層氣及圍巖的抗壓強(qiáng)度越大，煤層及圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)就越小，煤層氣的運(yùn)移能力也就越小。即：堅(jiān)固性系數(shù)越小，煤層氣的運(yùn)移程度游離程度越小；堅(jiān)固性系數(shù)越大，煤層氣的運(yùn)移程度游離程度越大。

1.2 外力作用的影響

煤層氣是一種非常規(guī)的天然氣，主要富集在煤層及煤層圍巖中，其主要是在上層和下層覆蓋的含煤巖系系統(tǒng)中和相應(yīng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成并運(yùn)移聚集的。近十年來，隨著對(duì)煤層氣的開采利用的重視，逐漸加大了對(duì)煤層氣運(yùn)移的研究，并且集中在了構(gòu)造應(yīng)力及水動(dòng)力兩大方面[5-6]。

1.2.1 構(gòu)造應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力主要是由于煤層上覆含煤巖系的有效厚度及煤層周圍的圍巖厚度對(duì)煤層產(chǎn)生的平衡壓力[2]。眾所周知，平衡壓力是來自各個(gè)方向上的壓力之和為0的有效作用，即：F1+F2+…+Fn=0。當(dāng)Fx受到影響或是失去時(shí)，平衡力會(huì)失去平衡形成構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)然會(huì)促進(jìn)或是削弱煤層氣的運(yùn)移。因此我們可以得出，構(gòu)造應(yīng)力越大對(duì)煤層氣運(yùn)移產(chǎn)生的影響越大，反之亦然。

1.2.2 水動(dòng)力

煤層氣主要是以吸附狀態(tài)賦存于含煤巖系中的，而地下水動(dòng)力產(chǎn)生的控制力對(duì)煤層氣運(yùn)移會(huì)產(chǎn)生很大的影響[2]。由于地下水的流動(dòng)能促進(jìn)煤層氣的解吸，使煤層氣從難以運(yùn)移的吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)移成易于運(yùn)移的游離狀態(tài)，促進(jìn)了煤層氣的運(yùn)移轉(zhuǎn)移；其次，水的運(yùn)移能夠促進(jìn)煤層或是圍巖裂隙的擴(kuò)張，加大煤層氣運(yùn)移的通道，從而有利于煤層氣的運(yùn)移；再次，水易于流動(dòng)也易于聚集，當(dāng)水在孔隙中聚集時(shí)會(huì)阻礙氣體的運(yùn)移通道，影響煤層氣的運(yùn)移[3-4]。因此，水動(dòng)力對(duì)煤層氣的影響是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。

1.3 溫度及壓力的影響

煤層氣在產(chǎn)生、運(yùn)移、聚集過程中都會(huì)受到溫度和壓力的影響[3]。當(dāng)溫度升高，煤層氣膨脹，壓力增大，會(huì)促進(jìn)氣體從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)；另一方面，溫度升高壓力增大會(huì)加大煤層空隙度，使煤層氣易于從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)向游離狀態(tài)，反之亦然，從而加大或削弱煤層氣的運(yùn)移能力。

2 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于煤層氣運(yùn)移影響因素的研究，我們可以從煤層及圍巖的性質(zhì)、含煤巖系的外部力量以及各種物理因素進(jìn)行著手。綜上所述，可以得到以下結(jié)論：

(1)煤層及圍巖越疏松越易于煤層氣的運(yùn)移，即：透氣性越好、堅(jiān)固性越強(qiáng)、吸附力越弱，越易于煤層氣的運(yùn)移，反之亦然。

(2)含煤巖系的外部力量能夠促進(jìn)或是減小煤層氣的運(yùn)移程度。

(3)煤層氣運(yùn)移的物理因素主要集中在溫度和壓力上，溫度和壓力越大越易于煤層氣從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)移成游離狀態(tài)，越易于其運(yùn)移。

[1]郭愛華，汪永才.試論影響煤層氣解吸擴(kuò)散運(yùn)移的地質(zhì)因素[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量.

[2]王懷勐，朱炎銘，等.煤層氣賦存的兩大地質(zhì)控制因素[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011,36(7)：1129-1134.

[3]高清武.地下運(yùn)移變化的物理化學(xué)機(jī)制研究[J].地震地質(zhì)，1997,19(1)：53-58.

[4]黃健良，劉沖，程龍.對(duì)煤層氣運(yùn)移和富集的地質(zhì)條件分析[J].高校理科研究.

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[6]司勝利.影響煤層氣解吸擴(kuò)散運(yùn)移的地質(zhì)因素[J].云南地質(zhì)，2004,2(23)：212-216.