深部煤層氣水賦存機(jī)制、環(huán)境及動(dòng)態(tài)演化

李 勇，徐立富，劉 宇，王子煒，高 爽，任 慈

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

深部煤層氣資源量大且資源可靠性高，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模有效開發(fā)，是油氣持續(xù)增儲(chǔ)上產(chǎn)和煤炭工業(yè)“碳減排”的重要保障[1-2]。我國淺部(埋深<1 500 m)煤層氣井產(chǎn)量差異大，大量的低產(chǎn)低效井制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展[3-4]。煤層中氣、水含量和分布情況決定了氣藏狀態(tài)，傳統(tǒng) “排水-降壓-解吸-擴(kuò)散-滲流-產(chǎn)出”過程在不同埋深煤層氣開發(fā)中不具普適性，深部煤層氣井產(chǎn)量差異大，存在“干煤”和“濕煤”等差異氣藏類型。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)深部原位條件下氣、水微觀賦存特征，是煤層氣資源高效開發(fā)的重要前提[5-6]。

煤層解吸氣量或瓦斯突出時(shí)涌出量遠(yuǎn)大于理論最大吸附氣量，游離氣貢獻(xiàn)目前仍缺少定量化分析，同時(shí)煤層氣井氣、水產(chǎn)出表現(xiàn)差異大，存在直接產(chǎn)氣井和長(zhǎng)期排水降壓產(chǎn)氣井[7-10]。煤具有復(fù)雜的孔隙和裂縫網(wǎng)絡(luò)，非均質(zhì)性強(qiáng)，氣、水在不同尺寸孔隙中賦存狀態(tài)差異性大[11]。甲烷吸附模型有單分子層吸附(Langmuir模型)、多分子層吸附(BET 模型)和微孔充填理論(Dubinin-Astakhov 模型)等，其研究進(jìn)展如下：(1) 煤儲(chǔ)層溫度遠(yuǎn)高于甲烷臨界溫度(-82.6℃)時(shí)，以單層吸附為主；(2) 煤的甲烷等溫吸附曲線以Ⅰ型單分子層吸附等溫線為特征，Langmuir 模型可以良好計(jì)算甲烷吸附量；(3) 微孔中甲烷的吸附勢(shì)能顯著增強(qiáng)[12-15]。但是對(duì)于不同孔隙空間下的氣體賦存狀態(tài)缺少系統(tǒng)的定量化分析。

核磁共振、甲烷和水蒸氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)、驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等技術(shù)手段不斷應(yīng)用到煤層氣水研究中，主要認(rèn)識(shí)包括：薛愚群[16]按水的形態(tài)和分子間作用力劃分了結(jié)合水(包括強(qiáng)結(jié)合水/吸著水和弱結(jié)合水/薄膜水)和液態(tài)水(包括重力水和毛細(xì)水)；傅雪海等[17]根據(jù)十進(jìn)制孔隙分類，認(rèn)為自由水包括煤儲(chǔ)層宏觀裂隙、顯微裂隙、大孔(孔徑>1 000 nm)、中孔(孔徑 100～1 000 nm)中游離水，束縛水包括強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和過渡孔(孔徑 10～100 nm)、微孔(孔徑<10 nm)中的毛細(xì)水；Yao Yanbin 等[18]通過核磁共振實(shí)驗(yàn)，推斷孔隙水蒸發(fā)依次經(jīng)歷自由水、宏孔毛細(xì)管水、微孔毛細(xì)管水過程。K.J.Clarence[19]、A.Striolo[20]等認(rèn)為水分子進(jìn)入臨界孔徑在0.6～0.9 nm，吸附過程為單層吸附、多層吸附和毛細(xì)凝結(jié)充填。綜上所述，目前對(duì)于煤層水的分類和分布尚且沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

前人研究初步明確氣、水在煤層氣中的吸附形式和吸附狀態(tài)，但是隨著深部煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)行，需要準(zhǔn)確客觀認(rèn)識(shí)氣、水賦存的界限和動(dòng)態(tài)變化。筆者充分調(diào)研前人研究成果，基于理論模型分析、分子模擬和生烴模擬研究，綜合分析深部煤層水的分類及其在孔隙中的分布特征、煤層氣的賦存狀態(tài)及含量計(jì)算方法、煤儲(chǔ)層氣水賦存環(huán)境演化模式，提出氣、水微觀賦存狀態(tài)及孔徑約束，揭示氣、水宏觀動(dòng)態(tài)演化的作用機(jī)制，為深部煤層氣、水產(chǎn)出機(jī)理和產(chǎn)能影響因素提供借鑒，以期指導(dǎo)深部煤層氣高效開發(fā)生產(chǎn)。

1 煤層水賦存機(jī)理

煤儲(chǔ)層是由氣、水以及煤基質(zhì)等多種物質(zhì)組成的三相介質(zhì)系統(tǒng)，其中氣、水賦存形式多樣，微觀分布復(fù)雜，受到泥炭化作用、成巖作用與變質(zhì)作用等影響，與有機(jī)質(zhì)生烴、運(yùn)移、排水以及構(gòu)造抬升后壓力降低、氣體逸散、地下水侵入等過程密切相關(guān)[21]。當(dāng)前煤層水劃分類型繁雜且不統(tǒng)一，缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，本文考慮煤-水界面作用、水的可動(dòng)性以及煤中礦物組成等，綜合劃分為可動(dòng)水(重力水和毛細(xì)水)、束縛水(吸附水、沸石水、結(jié)晶水和層間水)和結(jié)構(gòu)水3 大類和7 小類，其中吸附水、毛細(xì)水和重力水由孔隙主導(dǎo)，沸石水、結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水和層間水由礦物主導(dǎo)(圖1)。

圖1 煤中不同類型水分賦存狀態(tài)[21-23]Fig.1 The occurrence status of different types of moisture in coal[21-23]

1.1 賦存狀態(tài)

1) 可動(dòng)水

重力水：孔隙中在重力作用下能夠自由運(yùn)動(dòng)的液態(tài)水，也稱自由水，物理化學(xué)性質(zhì)與一般水相近，在常溫下即可蒸發(fā)失去，極少部分甲烷可以溶解其中形成溶解氣[22]。重力水在泥炭化階段主要來自原始沉積水，經(jīng)過壓實(shí)、生烴逐漸被排出；后期地層受到構(gòu)造抬升降壓，地下水入侵。重力水可以傳遞靜水壓力，是淺部煤儲(chǔ)層壓力的貢獻(xiàn)之一，也是煤層氣排采過程中產(chǎn)出水的重要來源，對(duì)煤層氣的生產(chǎn)有重要影響。

毛細(xì)水：孔隙中受到毛細(xì)管力可以向上移動(dòng)的液態(tài)水，也稱毛管束縛水。毛細(xì)水的蒸汽壓低于純水的蒸汽壓，沸點(diǎn)溫度高于一般水，主要來自原始沉積水，地層水較難入侵，以體積填充的形式賦存于小孔隙喉道中。毛細(xì)水同樣可以傳遞靜水壓力，在持續(xù)生烴運(yùn)移過程中，最終達(dá)到孔隙內(nèi)的流體壓力(pp)與毛細(xì)管壓力(pc)和靜水壓力(p)達(dá)到平衡，即pp=pc+p，并在后期始終保持超壓條件，在毛細(xì)管中可形成超壓現(xiàn)象。

2) 束縛水

吸附水：受靜電引力和氫鍵連結(jié)力作用，存在于煤孔隙壁表面的水分為強(qiáng)吸附水；處于強(qiáng)吸附水的外層，受范德華力和強(qiáng)結(jié)合水最外層水分子靜電引力合力影響的為弱吸附水[21]。吸附水排列緊密，不能自由流動(dòng)，密度通常大于1 g/cm3，在外力作用下很難排出，主要來源為煤化作用生成的水分，但在高溫(105～107℃)下容易蒸發(fā)。強(qiáng)吸附水厚度一般小于弱吸附水，均不能傳遞靜水壓力。

結(jié)晶水：以單個(gè)中性水分子形式參與組成礦物晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)參加陽離子配位多面體時(shí)，也稱配位水。在晶格中具有固定的位置，起構(gòu)造單元的作用，是礦物化學(xué)組成的一部分[22]。結(jié)晶水脫水往往表現(xiàn)為分階段式和跳躍式的，脫水溫度通常在 100～200℃，一般不超過600℃，與水分子與礦物的結(jié)合程度有關(guān)，當(dāng)結(jié)晶水失去時(shí)，礦物結(jié)構(gòu)遭到破壞和重建，形成新的結(jié)構(gòu)，典型礦物如石膏(CaSO4·2H2O)[22]。

層間水：存在部分層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物晶格結(jié)構(gòu)層之間的中性水分子聚合物，可以失而復(fù)得，不影響礦物結(jié)構(gòu)，大部分處于黏土礦物(如蒙脫石)層間域內(nèi)。層間水含量不確定，受層間可交換陽離子種類和數(shù)量、環(huán)境濕度和溫度影響，脫水溫度介于100～250℃，在110℃左右即大量析出[23]。

沸石水：賦存于沸石族礦物微小結(jié)構(gòu)孔道中的單個(gè)中性水分子，不參與礦物晶格，含量上限與礦物的其他組分之間有固定的比例關(guān)系[23]。脫水溫度受孔隙束縛程度控制，范圍變化大且具有連續(xù)性，介于80～400℃，典型礦物包括海泡石、坡縷石。煤中沸石族礦物較少，對(duì)煤層氣影響較小。

3) 結(jié)構(gòu)水

以H+、OH-、(H3O)+等離子形式存在于礦物晶格內(nèi)(如黏土礦物)，占有確定的位置和含量，極其穩(wěn)定，溫度達(dá)到450～1 000℃，才會(huì)組成水分子從礦物析出。結(jié)構(gòu)水不占據(jù)孔隙空間[23]，對(duì)煤層氣的賦存基本沒有影響，典型賦存礦物包括高嶺石等。

1.2 賦存機(jī)制

煤吸附水的復(fù)雜性在于其對(duì)表面官能團(tuán)和多孔結(jié)構(gòu)的敏感性。隨著相對(duì)壓力增加，煤吸附水量逐漸增加，經(jīng)歷含氧位點(diǎn)吸附、氫鍵作用、水分子團(tuán)簇的形成以及孔隙充填等階段[24]。不同類型煤層水賦存機(jī)制為：(1)吸附水形成過程為水分子與煤中含氧官能團(tuán)通過氫鍵作用形成單層吸附，即強(qiáng)吸附水，當(dāng)單層吸附飽和后，水分子通過分子間的長(zhǎng)程作用力進(jìn)行第二層/多層吸附，即弱吸附水(圖2a)。(2) 毛細(xì)水形成過程為水分不斷進(jìn)行多層吸附，隨著相對(duì)壓力增大，形成水團(tuán)簇，首先在微孔中充填，進(jìn)一步在介孔中形成毛細(xì)凝結(jié)水，受毛細(xì)管力可移動(dòng)。(3) 重力水形成過程為大孔、裂縫內(nèi)蒸汽壓較小，不足以發(fā)生毛細(xì)凝結(jié)，儲(chǔ)存大量受重力作用可自由流動(dòng)的水。煤中大孔隙中需要較高的化學(xué)勢(shì)能才能形成較大的團(tuán)簇進(jìn)行橋接，因此，吸附是從較小的孔隙到較大的孔隙逐漸發(fā)生。原生水團(tuán)簇較小且相互獨(dú)立，具有凹凸界面，隨著相對(duì)壓力增大，團(tuán)簇的生長(zhǎng)和凝聚會(huì)形成橫跨孔隙的水橋，形成凹界面，有利于氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成，從而逐漸充填孔隙(圖2b)。由于孔隙填充受孔隙表面形狀變化的影響，不同孔隙中發(fā)生動(dòng)力學(xué)過程差異較大，從而在解吸過程中發(fā)生滯后。但是在0.7 nm孔隙中吸附–解吸遵循相同的路徑，且與溫度無關(guān)(圖3和圖4)[25]。煤中水分子吸附能力與煤階密切相關(guān)，變質(zhì)程度越低，非芳香結(jié)構(gòu)和含氧基團(tuán)相對(duì)越多，空間結(jié)構(gòu)疏松使得吸水量較大，變質(zhì)程度增加，含氧基團(tuán)減少，但微孔發(fā)育數(shù)量增多，吸水量同樣較大，不同煤階煤的水吸附行為存在差異[26-27]。

圖2 煤中水分子吸附演化過程(據(jù)文獻(xiàn)[24-25]，修改)Fig.2 Water vapor adsorption evolution process within coal (revised from[24-25])

圖3 不同孔徑水分子吸附模擬特征Fig.3 Simulation characteristics of water molecules adsorption with different pore sizes

圖4 不同孔徑水分子相對(duì)密度分布Fig.4 Relative density distribution of water molecules in different pore sizes

受限于孔隙結(jié)構(gòu)表征的精度，本文利用Material Studio 軟件模擬20 MPa、80℃下狹縫孔中水分子的賦存狀態(tài)(圖3)。在0.7 nm 孔隙中，水分子只有一層強(qiáng)吸附，水分子相對(duì)密度遠(yuǎn)超過其他孔隙，孔隙尺寸低于0.6～0.9 nm 時(shí)，水分子受到其與有機(jī)質(zhì)之間的斥力作用難以進(jìn)入[28]。1 nm 孔隙中水分子主要出現(xiàn)兩層強(qiáng)吸附，水分子相對(duì)密度在1 g/L 左右，更大孔隙中水分子在近孔隙表面形成兩層強(qiáng)吸附，進(jìn)一步吸附形成弱吸附層，孔隙中間區(qū)域形成無序狀態(tài)，以自由態(tài)為主，弱吸附層水分子密度峰值與自由態(tài)水分子密度相差較小(圖4)。整體上水分子在<1 nm 孔隙中為充填賦存，>1 nm 孔隙中出現(xiàn)自由態(tài)水分子，始終在孔隙表面形成一層強(qiáng)吸附態(tài)水分子。

1.3 分布特征

不同煤階煤飽和水在核磁共振T2譜均呈現(xiàn)多峰特征，其中P1 峰介于0.01～2 ms，P2 峰介于2～50 ms，P3峰介于100～1 000 ms，分別對(duì)應(yīng)吸附水、毛細(xì)水和重力水[29]。飽和水壓力增大，可以逐漸克服毛細(xì)管阻力，水分進(jìn)入更多微孔隙，P1 峰值顯著增大，同時(shí)受水分侵入，脆性較高的中階煤孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，裂縫數(shù)量增加，毛細(xì)水和重力水含量增多(圖5a)。煤飽和水后，水分可以自由逸散，重力水可在較短時(shí)間內(nèi)(約2 h)蒸發(fā)，而吸附水和毛細(xì)水可長(zhǎng)時(shí)間留存(圖5b)。在高階煤中，低轉(zhuǎn)速(≤ 7 000 r/min，30 min)條件下，產(chǎn)生的離心力和等效孔隙負(fù)壓不足以將水分與煤分離，不同尺寸孔徑內(nèi)水分含量變化不大，存在微孔中水分向較大孔隙的遷移[30-31]；中轉(zhuǎn)速(7 000～9 000 r/min，30 min)下，不同孔徑內(nèi)的水分均大幅減少；高轉(zhuǎn)速(>10 000 r/min，30 min)下，僅有吸附水和部分毛細(xì)水(T2<10 ms)仍穩(wěn)定存在(圖5c)。氮?dú)怛?qū)替水實(shí)驗(yàn)(2 h 測(cè)核磁共振)顯示(圖5d)，低氣壓下，難以克服毛細(xì)管力和孔壁吸附力進(jìn)入中孔；高氣壓下孔隙相對(duì)連通，大孔中部分水進(jìn)入中孔。整體驅(qū)替過程為漸進(jìn)式過程，大孔中部分水分無法驅(qū)出，微孔和中孔難以被驅(qū)出[32](圖5e)。相同時(shí)間內(nèi)，與自由蒸發(fā)和高轉(zhuǎn)速離心相比，氣體驅(qū)替受到賈敏效應(yīng)，水分較難排出[33](圖5e)。

圖5 不同條件下的煤中水分遷移特征[18,30-32]Fig.5 Moisture migration characteristics of coal under different conditions[18,30-32]

上述結(jié)果表明，在煤層氣生產(chǎn)過程中：(1) 煤層氣排水階段產(chǎn)出的主要為裂隙中的重力水；(2) 當(dāng)氣體形成穩(wěn)定滲流通道后，吸附水和毛細(xì)水難以排出；(3)吸附水和毛細(xì)水占據(jù)相當(dāng)孔隙空間，制約了氣體的規(guī)模化解吸產(chǎn)出，造成部分煤層氣井產(chǎn)量低。

2 煤層氣賦存機(jī)制

煤層氣是有機(jī)質(zhì)生烴、排烴后保留在煤層中的殘余氣，也可以稱為滯留氣，傳統(tǒng)認(rèn)為煤層氣中80%～90%為吸附氣，其他部分為游離氣和極少量的溶解氣[34]。隨著深部煤層氣開發(fā)，保壓取心含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)等顯示游離氣含量超過傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，部分達(dá)到總含氣量的30%以上。目前，在煤儲(chǔ)層含氣量的計(jì)算過程中，忽略了甲烷分子在不同孔隙結(jié)構(gòu)中的吸附形式以及由毛細(xì)管力導(dǎo)致的超壓賦存環(huán)境，導(dǎo)致傳統(tǒng)吸附理論和儲(chǔ)層壓力反演計(jì)算含氣量方法不具有普適性，煤儲(chǔ)層含氣量計(jì)算需要充分考慮甲烷分子以微孔填充賦存于超壓環(huán)境的特殊性。

2.1 賦存狀態(tài)

利用Materials Studio 軟件，采用蒙特卡洛法建立狹縫孔模型，模擬30℃和5 MPa 下甲烷分子的吸附。如圖6 所示，0.7 nm 孔隙中可見1 層強(qiáng)吸附態(tài)甲烷分子，密度最大；在1.0 nm 孔隙中可見2 層強(qiáng)吸附態(tài)甲烷分子，密度約是0.7 nm 孔隙中的一半；在1.5 nm 孔隙中可見3 層甲烷分子，左右2 層為強(qiáng)吸附態(tài)，中間層為弱吸附態(tài)，密度明顯低于左右2 層，甲烷分子整體以充填形式存在，1.5 nm 以下孔隙結(jié)構(gòu)中甲烷分子的吸附勢(shì)能出現(xiàn)了顯著增強(qiáng)[35]。>2 nm 的孔隙中，甲烷分子以2 層強(qiáng)吸附態(tài)分子層和2 層弱吸附態(tài)分子層分布，中間出現(xiàn)游離態(tài)甲烷，但是弱吸附態(tài)甲烷密度與游離態(tài)密度近似，整體以單層吸附為主(圖6、圖7)。

圖6 不同孔徑中甲烷分子吸附模擬特征Fig.6 Simulation characteristics of methane molecules adsorption in different pore sizes

圖7 不同孔徑中甲烷分子相對(duì)密度分布Fig.7 Relative density distribution of methane molecules in different pore sizes

2.2 吸附氣計(jì)算公式

結(jié)合上述認(rèn)識(shí)和基于微孔填充與微孔超壓影響吸附氣含量研究[14,36-37]，在≤1.5 nm 的微孔中甲烷以微孔填充方式賦存，此時(shí)微孔充填主導(dǎo)吸附氣含量；>1.5 nm孔徑以單層吸附方式賦存，此時(shí)超壓環(huán)境主控吸附氣含量。

當(dāng)孔徑≤1.5 nm 時(shí)，吸附氣含量V1計(jì)算公式為：

當(dāng)孔徑>1.5 nm 時(shí)，不同孔徑對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管力不同，煤樣吸附平衡壓力也不同，此時(shí)吸附氣含量V2需要以孔徑劃分區(qū)域單獨(dú)計(jì)算：

考慮到1.5 nm 的孔徑條件下，強(qiáng)吸附區(qū)域能夠容納的甲烷分子個(gè)數(shù)為8[14]，故吸附氣含量VL為：

綜上，整理得出吸附氣含量VL計(jì)算公式為：

2.3 游離氣計(jì)算公式

游離氣以自由狀態(tài)賦存于煤的孔隙和裂縫中，與吸附氣不同，在形成壓力差后，游離氣可自由運(yùn)動(dòng)，同時(shí)符合理想氣體狀態(tài)方程[38]。生烴過程中煤層中游離氣含量可能會(huì)超過吸附氣含量。利用核磁共振量化不同平衡壓力下的吸附氣和游離氣含量，在良好密閉條件下，在6～8 MPa 后游離氣含量便可超過吸附氣含量[39]。但在實(shí)際埋藏過程中，煤層中游離氣僅存留在保存條件較好的部分孔裂縫中。

由于游離氣含量不受吸附方式的束縛，僅受微孔超壓環(huán)境作用，致使氣相壓力高于儲(chǔ)層壓力，進(jìn)而影響游離氣含量。游離氣具體計(jì)算公式[36-37]如下：

目前，利用密閉取心井資料分析含水飽和度是較為準(zhǔn)確的方式，但是由于巖心上提，骨架顆粒排列方式的改變而導(dǎo)致的巖石整體變形，孔隙體積變大影響含水飽和度測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。含水飽和度校正公式[40]：

綜上所述，整理得出游離氣含量計(jì)算公式：

3 煤層氣、水賦存環(huán)境

煤儲(chǔ)層壓力，是指作用于煤中孔裂縫表面的流體壓力，包括水壓和氣壓，也稱孔隙流體壓力[36]。不同壓力系統(tǒng)(超壓、常壓和欠壓)受控于煤層中氣、水的分布特征與含量，孤立孔隙和連通孔隙中壓力的差異密切相關(guān)，尤其是在納米級(jí)孔隙中受到毛細(xì)管力的影響，更容易形成超壓環(huán)境[41]。

3.1 氣、水分布演化過程

煤層孔隙氣、水演化過程可分為成煤期氣體逸散階段和成煤后水侵入階段。煤層達(dá)到最大埋深開始大量熱解產(chǎn)生甲烷，形成的氣孔、裂縫相互連通，原生孔隙水與熱解氣共同分布。但每噸煤持續(xù)生烴量可超過100 m3[42]，同時(shí)由于地層深埋高溫和大量甲烷產(chǎn)生的壓差，導(dǎo)致原生孔隙水不斷蒸發(fā)和排出，最終孔隙、裂縫內(nèi)充滿吸附氣和游離氣。而在構(gòu)造抬升后，煤生氣作用停滯，與地層水連通，水侵階段開啟，大量甲烷逸散。在理想情況下，不考慮毛細(xì)管力等作用，水分子進(jìn)入最小孔徑為0.7 nm 左右，而實(shí)際情況是受到孔隙內(nèi)氣體壓力和毛細(xì)管阻力及靜水壓力使得水分子進(jìn)入的孔隙有限。以中階煤(Rmax=1.3%)為例，液體表面張力為74 mN/m，接觸角為63°[36]，埋深為2 000 m，靜水壓力約為20 MPa。假設(shè)儲(chǔ)層孔隙氣體壓力分別為0、5、10、15 和20 MPa，利用毛細(xì)管力公式計(jì)算水體入侵孔隙直徑分別為7、9、13、27 nm 和不侵入(干煤系統(tǒng))。水侵程度的差異，造成氣水賦存模式的差異，一種是欠飽和濕煤系統(tǒng)，煤中孔隙大部分被水入侵，游離氣較少，臨界解吸壓力低于理論解吸壓力，需要長(zhǎng)時(shí)間排水降壓，氣水兩相流需要經(jīng)過泡流-霧流整個(gè)過程，產(chǎn)氣情況不理想；另一種是飽和–超飽和干煤系統(tǒng)，水侵程度較弱，孔隙內(nèi)游離氣較多，臨界解吸壓力等于或者大于理論解吸壓力，通常開井即見氣，氣水兩相流可能直接從段塞流開始到霧流(圖8)。

圖8 孔隙煤中氣水賦存及產(chǎn)出模式(據(jù)文獻(xiàn)[5]，修改)Fig.8 Occurrence state and output mode of gas-water in coal pore (revised after[5])

3.2 壓力系統(tǒng)演化過程

結(jié)合鄂爾多斯盆地太原組埋藏史、熱演化史和煤成熟度史，模擬煤儲(chǔ)層生烴量、靜水壓力和孔隙壓力，分析儲(chǔ)層壓力演化模式(圖9)。晚石炭世-晚二疊世末為緩慢沉降期，地層較為疏松，滲透率較好，孔隙中充滿原始沉積水，孔隙壓力等于靜水壓力。早三疊世開始，煤層快速沉降，直到中三疊世末，深度超過2 000 m，進(jìn)入低成熟階段，產(chǎn)生一定量的生物氣和熱解氣，但孔隙仍以原始沉積水為主，孔隙壓力等于靜水壓力。晚三疊世-晚侏羅世末為小幅升降期，地層溫度約為120℃，累計(jì)生烴量增加，少量游離氣聚集，孔隙壓力稍大于靜水壓力。早白堊世-中白堊世為二次快速沉降期，最大埋深超過3 000 m，進(jìn)入中成熟階段，產(chǎn)生大量的熱解氣，游離氣不斷聚集儲(chǔ)存，氣體壓力超過靜水壓力和毛細(xì)管力之和，孔隙水全部排出，孔隙中幾乎充滿游離氣和吸附氣，孔隙壓力超過靜水壓力，處于超壓環(huán)境。自白堊紀(jì)中期，煤層迅速抬升，形成大量裂縫，地層溫度不斷降低，變質(zhì)作用停滯，游離氣大量運(yùn)儲(chǔ)到鄰近層位。地下水入侵，連通孔隙內(nèi)氣水共同分布，孔隙壓力不斷接近靜水壓力，而孤立孔隙中仍充滿游離氣，保持原有超壓狀態(tài)，形成超壓、欠壓共同存在的復(fù)雜壓力系統(tǒng)。

圖9 鄂爾多斯盆地深部煤層生烴演化史Fig.9 Hydrocarbon generation evolution history of deep coal seam in Ordos Basin

煤層生烴能力強(qiáng)，產(chǎn)生大量的甲烷儲(chǔ)存在煤層內(nèi)以及運(yùn)聚到鄰近層位，形成常規(guī)–非常規(guī)多種氣藏類型共存的煤系全含氣系統(tǒng)[43-44]。而同一套煤層生產(chǎn)特征差異明顯，存在明顯的含氣系統(tǒng)，在盆地腹部或斜坡，煤層埋深大，孔滲物性相對(duì)較差，游離氣大量保存，地下水入侵較少，形成典型的超壓干煤含氣系統(tǒng)，儲(chǔ)層有效改造后可獲得較高的產(chǎn)氣量。而在盆地邊緣，儲(chǔ)層物性較好，與地下水連通，形成氣水共同分布的欠壓–微超壓濕煤系統(tǒng)，游離氣相對(duì)難以保存，受控于頂?shù)装宓姆獯鏃l件。部分甲烷擴(kuò)散、運(yùn)移到鄰近頁巖、砂巖、鋁土巖以及碳酸鹽巖層，形成源內(nèi)–源外、近源–遠(yuǎn)源的天然氣藏(圖10)。與淺部煤層氣生產(chǎn)相似，大部分深部煤層氣井同樣需要排水降壓產(chǎn)氣，少量煤層氣井開井即見氣，但往往難以持續(xù)高峰產(chǎn)氣。針對(duì)煤層含氣系統(tǒng)的差異，明確其形成機(jī)制與分布特征，制定相應(yīng)的生產(chǎn)對(duì)策，有利于提升深部煤層氣產(chǎn)量。

圖10 煤成氣全含氣系統(tǒng)氣水分布模式Fig.10 Gas-water distribution pattern of coal-derived gas whole gas-bearing system

4 結(jié)論

a.煤層水受孔隙和礦物約束，大部分以受氫鍵作用的吸附水、毛細(xì)管力作用的毛細(xì)水和重力作用的重力水分布在有機(jī)質(zhì)孔隙中，與甲烷分子競(jìng)爭(zhēng)吸附位和游離空間；少部分水分子與礦物的組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，儲(chǔ)存在沸石孔道和黏土礦物層間域中的沸石水和層間水，參與礦物晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，對(duì)煤層氣的賦存影響較小。

b.煤層水吸附從微小孔到大孔逐漸發(fā)生，經(jīng)歷單分子含氧基團(tuán)吸附、單層強(qiáng)吸附、多層弱吸附、水團(tuán)簇形成、充填孔隙等多個(gè)階段。多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同孔隙內(nèi)水分子吸附動(dòng)力學(xué)過程存在差異，煤層水吸附曲線在解吸時(shí)形成滯后環(huán)，在0.7 nm 孔隙中吸附和解吸路徑一致。

c.煤層氣、水均在孔隙表面形成一層強(qiáng)吸附態(tài)分布，受分子間作用力形成第二層弱吸附態(tài)。水分子在>1 nm 孔隙中逐漸出現(xiàn)游離態(tài)，甲烷分子在<1.5 nm 孔隙中以充填形式存在，在>1.5 nm 孔隙中，甲烷分子以單層吸附為主，中間分布游離態(tài)。氣、水在不同孔隙賦存機(jī)制的差異，導(dǎo)致在煤層氣產(chǎn)出時(shí)易形成水鎖效應(yīng)，阻礙氣體運(yùn)移。

d.煤層生烴演化過程中，持續(xù)排水，微孔隙以超壓環(huán)境為主；后期構(gòu)造抬升，地下水入侵，受保存條件控制，形成超壓、欠壓等共同存在的復(fù)雜壓力系統(tǒng)，尤其是在微小孔中，由于毛細(xì)管力，更易形成超壓環(huán)境。在計(jì)算吸附氣和游離氣含量時(shí)，需要同時(shí)考慮微孔充填和微孔超壓的影響。深部原位條件下煤層氣、水分布機(jī)制研究有利于準(zhǔn)確評(píng)估地下氣、水賦存狀態(tài)，開展準(zhǔn)確的含氣量評(píng)估，預(yù)測(cè)和模擬氣水產(chǎn)出動(dòng)態(tài)，規(guī)避水鎖等不利效應(yīng)，深化深部煤層氣開發(fā)地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)。

符號(hào)注釋

Am為甲烷分子截面積，17.8×10-20m2；Bw為地層水體積系數(shù)；di為第i級(jí)孔隙喉道直徑，dj=di-1.50，nm；dn+1和dn為相鄰孔徑，nm；dmax為孔隙最大孔徑，nm；g為重力加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；h為深度，m；Hes(CH4)為煤層甲烷分子占據(jù)微孔區(qū)域的等效高度；M為甲烷相對(duì)摩爾質(zhì)量，取值16；NA為阿伏伽德羅常數(shù)，取值6.022×1023；Nmf為以微孔填充形式極限吸附甲烷分子個(gè)數(shù)；pL為L(zhǎng)angmuir 壓力，MPa；r為毛細(xì)管半徑，nm；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol/K；Spi、Spj分別為第i、j級(jí)孔隙比表面積，Spj=Spi-1.50，cm3/g；Sw、Sw′分別為含水飽和度和孔隙變化校正后含水飽和度，%；T為儲(chǔ)層溫度，K；V1為考慮毛細(xì)管壓力的吸附氣含量，cm3/g；Vdn+1和Vdn別為孔徑為dn+1和dn的累計(jì)孔容，cm3/g；Vf為考慮毛細(xì)管壓力的游離氣含量，cm3/g；Vpi為第i級(jí)孔隙體積，cm3/g；Zi為某一溫度壓力下的氣體壓縮因子；β為液體與煤間接觸角，(°)；ρ為平衡壓力下的甲烷密度，g/cm3；ρw為水的密度，g/cm3；φr為地層條件下原位孔隙率，%；φs為無覆壓下的常規(guī)氣測(cè)孔隙率，%；σ為液體表面張力，mN/m。