煤层气储层基本特性
PV?vL
Pl?P (2-5)
式(2-5)中，Pl=1/b，是吸附量达到极限吸附量的50%时的压力，即当P=PL时，v=0.5vl
图2-5煤层气压力等温吸附曲线
吸附等温线如图2-4所示。由此可见，低压下吸附量与气体压力成简单的正比关系。根据朗格缪尔吸附常数的物理意义，吸附数据必须包括从低压(亨利定律适用范围)到高压(达到极限吸附量值)的吸附资料。从以往的研究成果看，煤对甲烷的吸附，在低压时符合亨利定律，在高压时可以达到吸附饱和的极限值，因此，朗格缪尔方程能够很好地表示煤对气体的吸附。等温吸附常数通常通过曲线拟合等温吸附实验数据来确定。
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煤层气的渗流机理
3.煤层气运移和产出机理
煤内表面上分子的力场是不饱和的，因此它具有吸附甲烷气体的能力，这就是煤对甲烷分子的吸附作用。普遍认为甲烷气体在煤内表面的吸附主要是物理吸附，其本质是煤表面分子和甲烷气体分子之间相互吸引的结果，是煤分子和甲烷气体分子之间的作用力使甲烷气体分子在煤表面上的停留。
煤分子和甲烷气体分子之间的引力越大，煤对瓦斯气体的吸附量就越大。煤分子和甲烷气体分子之间的作用力是范德华力(主要是德拜诱导力和伦敦色散力)，由此而形成吸引势，即吸附势阱深度Ea也称势垒。甲烷分子在吸附势的作用下，由自由状态分子转变为吸附态分子，逐渐在煤表面沉积下来(如图2-6所示)。自由气体分子必须损失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面，因此吸附是放热的;处于吸附状态的甲烷气体分子只有获得能量Ea才能越出吸附势阱而成为自由气体分子，因此解吸是吸热的。甲烷气体分子的热运动越剧烈，其动能越高，吸附甲烷分子获得能量发生解吸可能J险越大。当甲烷压力增大时，气体分子撞击煤体孔隙表面的几率增加，吸附速度加快，甲烷气体分子在煤孔隙表面上排列的密度增加。
煤吸附甲烷示意图2-6
3.1煤层气的吸附/解吸过程
解吸一吸附是一个动态平衡过程，在自然界的原始状态下，煤层中的气体以承压状态存在，气体处于平衡状态。当开采煤层气时，储层压力降低，气体从煤中自然解
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煤层气运移和产出机理
吸，引起了煤层中的气体的流动。煤中气体穿过煤层孔隙介质的流动可描述为如图3-1所示的三个互相制约的过程。
图3-1煤层气解吸一扩散一渗流过程示意图
以吸附状态存储的煤层气约占总量的90%以上，基质块微孔的表面积又占煤层总表面积的97%以上。由于煤对气体的吸附属于物理吸附，具有可逆性，即吸附与解吸作用的平衡，所以当压力降低时，原来的平衡被打破，吸附在煤基质微孔隙内表面上的气体就会解吸下来，重新回到微孔隙空间成为气态的自由气体，以达到新的平衡。煤的等温解吸曲线与其等温吸附曲线基本相同，符合朗格缪尔等温吸附模型。因此，可以根据煤的朗格缪尔等温吸附曲线来描述煤层气的解吸过程，预测煤储层在生产过程中随着压力下降解吸出的煤层气量。
实际情况下，煤储层中的煤层气何时开始解吸，还与煤储层的含气饱和度有关。如果煤储层的含气性达到饱和程度，即在等温吸附曲线图上，对应初始储层压力下的煤层气含量点落在曲线上时，只要压力一降低，煤层气就开始解吸。如果煤储层含气量未达到饱和程度，即对应初始储层压力下的煤层气含量点位于曲线下方，煤层气含量小于对应储层压力下的最大吸附气量时，尽管压力降低，煤层气也不会马上解吸，直到储层压力降到某一压力，即等温吸附曲线上与该气体含量数值大小相同的那一点所对应的储层压力时，才会有煤层气解吸。该压力称为临界解吸压力。临界解吸压力和储层压力的比值越大，煤层气井产气越容易。在煤储层含气处于饱和的情况下，临
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煤层气的渗流机理
界解吸压力与储层压力相同。解吸过程快慢可用解吸时间来度量。所谓解吸时间，是指总的吸附气体的63.2%释放出来所需要的时间，是煤层气解吸后扩散特征的重要参数，它表明煤层气早期产量达到高峰的速度。 3.1.1煤层气的吸附过程
经过“外扩散”、“内扩散”而到达煤基质内表面的甲烷气体分子，如图3中3所示被煤基质吸附的过程。当甲烷分子到达煤岩颗粒外表面时，一部分为外表面所吸附，被吸附的分子有可能沿着颗粒内的微孔隙壁向深入扩散，即发生表面扩散;另一部分甲烷分子还可能在颗粒内的孔中间向深入扩散，即孔道内的扩散。可见，吸附的传递过程有三部分组成，即外扩散、内扩散和表面扩散。吸附过程的总速率取决于最慢阶段(一般是内扩散阶段)的速率。
煤吸附甲烷渗流过程 图3-1
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