煤田地质与勘探

作者：李勇, 徐立富, 刘宇, 王子炜, 高爽, 任慈,

关键词：深部煤层气, 煤层水, 分子模拟, 游离气, 储层压力,

准确认识深部条件下气体和水分的赋存状态、相对含量及分布特征，对煤层气高效勘探开发具有重要指导意义。基于理论模型、分子模拟和气水演变分析，明确了煤层中气、水的赋存状态，揭示了气、水动态运聚界限和动态演化过程。考虑煤−水界面作用、水的可动性及赋存状态，煤中水可分为可动水(重力水和毛细水)、束缚水(吸附水、沸石水、结晶水和层间水)、结构水，其中毛细水、重力水和吸附水由孔隙主导，沸石水、结构水、结晶水和层间水由矿物主导。分子模拟结果显示，水分子在0.7 nm孔隙中可以饱和充填，吸附和解吸路径一致，在更大孔隙中出现弱吸附层和自由态。水分子吸附过程表现为单分子含氧基团吸附、单层强吸附、多层弱吸附、水团簇形成和充填孔隙等阶段。甲烷分子在1.5 nm孔隙可存在3层稳定充填吸附，在较大孔隙中(>1.5 nm)即以单层吸附和游离态共存，游离态在介孔及更大孔隙中普遍存在。结合上述吸附−游离气存在界限，改进了游离气和吸附气理论计算公式，为含气量计算提供新思路。深部热成因煤层气是煤大规模生排烃之后的残余气，在排烃过程中发生气驱水和水分蒸发扩散，残余水分为束缚水和结构水，后期无法改变。假定静水压力20 MPa，在0、5、10、15和20 MPa储层压力下，外来水分可入侵最大孔径为7、9、13、27 nm和不侵入。受差异保存条件控制，煤成气除了形成超压和欠压等差异含气系统外，还可能在煤系形成多类型含气模式。上述研究明确了煤层气、水微观赋存机制及形成演化模式，对深部煤层气富集特征及高效开发设计具有指导意义。

来源：2024年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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