朱蘇陽(yáng)，孟尚志，彭小龍，李相臣，張千貴，張 斯

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100000）

煤巖由基質(zhì)和割理（裂縫）構(gòu)成，而煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤巖基質(zhì)中，是一種典型的非常規(guī)天然氣[1-2]。多數(shù)煤層氣藏的賦存狀態(tài)是欠飽和[3-4]，開采過程需要先通過排水降低煤層的壓力，煤巖中的氣體才能解吸流動(dòng)[5-8]。根據(jù)煤層氣的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)可知，煤層氣賦存于煤基質(zhì)中（小孔隙），煤巖的割理中被地層水飽和，否則不可能出現(xiàn)排水采氣過程和臨界解吸現(xiàn)象。然而，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)表明煤巖親水或弱親水，極少數(shù)改變飽和順序的實(shí)驗(yàn)說明煤巖弱親氣[9-12]。這就說明作為非濕相的煤層氣賦存于多孔介質(zhì)的小孔隙（基質(zhì)）中。由此可知，煤巖的潤(rùn)濕性研究結(jié)果與多孔介質(zhì)中流體賦存位置存在一定的矛盾。

針對(duì)此問題，提出了兩種煤層氣可能存在的賦存模式，并討論了兩種模式存在的可能性以及對(duì)排采過程的影響。

1 煤層氣賦存模式與煤巖潤(rùn)濕性

1.1 煤層流體的賦存模式

根據(jù)煤層氣的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)可知，煤層氣的開采需要先通過排水壓降，此時(shí)氣井僅產(chǎn)出地層水，當(dāng)壓力下降一定程度后，煤層氣方能解吸產(chǎn)氣。根據(jù)煤層氣的吸附實(shí)驗(yàn)可知，煤巖對(duì)甲烷擁有良好的吸附能力，煤層氣可通過吸附態(tài)賦存于煤層基質(zhì)中[13-14]。

普遍認(rèn)為，煤巖由割理（裂縫）和基質(zhì)組成，是典型的雙重介質(zhì)（圖1）。根據(jù)孔隙的相對(duì)大小而言，割理系統(tǒng)的孔隙開度較大，而基質(zhì)系統(tǒng)的孔隙開度相對(duì)較小。結(jié)合煤巖的雙重介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論采用氣相吸附模型解釋煤層氣的賦存狀態(tài)，認(rèn)為煤巖的割理系統(tǒng)被水飽和，煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤巖基質(zhì)。

圖1 煤巖結(jié)構(gòu)模型與賦存方式示意圖Fig.1 Structure of coal and storage of CBM

根據(jù)現(xiàn)有的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及大多數(shù)煤層氣井排水采氣的臨界解吸現(xiàn)象，目前普遍認(rèn)為初始條件下，煤巖中的甲烷處于欠平衡的吸附狀態(tài)，這導(dǎo)致了臨界解吸現(xiàn)象。傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論較為符合大多數(shù)煤層氣井排采情況的直觀認(rèn)識(shí)，并被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

1.2 煤巖的潤(rùn)濕性

目前，油氣藏的儲(chǔ)層巖性主要是砂巖、碳酸鹽巖或頁(yè)巖，以無機(jī)礦物碎屑巖為主，多數(shù)碎屑巖以親水為主。然而，煤層氣的儲(chǔ)層則主要由有機(jī)質(zhì)構(gòu)成，但是這些有機(jī)質(zhì)中的含氧官能團(tuán)對(duì)主要由羥基、羧基和酚羥基構(gòu)成[9]，而這些官能團(tuán)中的有機(jī)氧可以通過偶極作用，與水中的氫締合形成氫鍵，進(jìn)一步影響煤表面的潤(rùn)濕性[10]。

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，煤巖的潤(rùn)濕角小于90°，為水濕巖石[11-12]。隨著煤熱演化程度的提高，煤的親水性在逐漸減弱，但目前多數(shù)研究均表明，即使是高階煤，多數(shù)情況下也是弱親水，甚至部分高階煤還具有較小的潤(rùn)濕角和較強(qiáng)的親水性[14]。

1.3 潤(rùn)濕性與流體分布的關(guān)系

多孔介質(zhì)中的小孔隙優(yōu)先被潤(rùn)濕相流體占據(jù)[15]，煤巖的潤(rùn)濕性決定了煤層氣的賦存模式。

煤巖中，基質(zhì)系統(tǒng)屬于小孔隙，而割理系統(tǒng)則屬于大孔隙。如果煤巖是水相潤(rùn)濕（多數(shù)潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果），那么煤中的小孔隙系統(tǒng)（基質(zhì)），則應(yīng)該被水飽和，這顯然與傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論不符。此時(shí)，若水濕的煤巖中含有游離氣，那么大孔隙（割理系統(tǒng)）則應(yīng)該被煤層氣飽和，煤層氣的開采就不會(huì)經(jīng)歷排水降壓過程，而是開井后直接產(chǎn)氣。如果煤巖是氣相潤(rùn)濕的，那么煤基質(zhì)（小孔隙）中，應(yīng)該被煤層氣占據(jù)，而割理中則被水飽和。這種情況符合煤層氣的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論，但這與煤巖的潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相反。

由此可見，兩種潤(rùn)濕性條件均與目前理論或?qū)嶒?yàn)結(jié)果存在一定的矛盾。因此，需要對(duì)兩種潤(rùn)濕性條件下的煤層氣賦存狀態(tài)進(jìn)行深入研究和討論。

2 兩種潤(rùn)濕可能性

2.1 氣濕情況——?dú)庀噘x存模式

常規(guī)油氣藏的巖石均為水濕的，低孔致密的巖石可以作為蓋層，封堵高孔疏松的儲(chǔ)集層中的油氣[16]。由于毛管壓力的作用，油氣藏蓋層的封閉機(jī)理為小孔隙（潤(rùn)濕相）封蓋大孔隙中的非潤(rùn)濕相。然而，如果儲(chǔ)集層為疏水巖石（親油氣），那么圈閉方式恰好相反，為高孔疏松的蓋層封堵低孔致密儲(chǔ)集層中的油氣。此時(shí)，疏水巖石的封閉機(jī)理為蓋層中大孔隙（非潤(rùn)濕相）封蓋儲(chǔ)集層小孔隙中的潤(rùn)濕相。多孔介質(zhì)中，潤(rùn)濕相流體優(yōu)先飽和小孔隙。因此，如果煤巖親氣，則煤巖基質(zhì)中飽和氣體，這些氣體可以被割理中的水（大孔隙中的非潤(rùn)濕相）在毛管壓力的作用下封堵在基質(zhì)，形成一種自封蓋的特殊圈閉類型（圖2）。

圖2 氣相潤(rùn)濕條件下的水動(dòng)力封閉機(jī)制Fig.2 Mechanism of hydraulic trap under gas-phase wettability condition

當(dāng)煤巖表面相對(duì)于水親氣時(shí)，毛管壓力由基質(zhì)中的潤(rùn)濕相，指向割理中的非濕相。此時(shí)，煤巖中氣相壓力小于水相壓力（差值為毛管壓力），在煤基質(zhì)的小孔隙中，煤層氣以氣相吸附的形式賦存，吸附服從氣相吸附規(guī)律（圖2）[17]。然而，目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究表明，煤巖表面是親水的，僅有少數(shù)改變流體飽和次序的研究得到了煤巖弱親氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11-12]。

2.2 水濕情況——液相賦存模式

如果煤巖親水，同時(shí)煤巖中存在游離氣，那么基質(zhì)中的小孔隙應(yīng)該被水占據(jù)，而割理中的大孔隙應(yīng)該被游離氣和吸附氣占據(jù)。此時(shí)，開井生產(chǎn)應(yīng)該直接產(chǎn)氣，不會(huì)存在排水過程和臨界解吸現(xiàn)象。由此可知，如果煤巖親水，煤巖游離氣的存在與已有的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)不符。

如果煤巖中不存在游離氣，同時(shí)煤巖親水，那么割理和基質(zhì)均應(yīng)被水飽和。此時(shí)，甲烷可以通過液相吸附的形式賦存于基質(zhì)內(nèi)。物理化學(xué)中，液相吸附指溶液中，界面對(duì)溶質(zhì)的富集過程[18-19]。與氣相吸附一樣，液相吸附也是無條件的[20]，存在溶解態(tài)的煤層氣，就必然有液相吸附態(tài)的煤層氣。

1）液相吸附量的大小

雖然煤層氣的液相吸附必然存在，但煤巖中液相吸附的量能否提供煤層的高含氣量呢？

物理化學(xué)中，液相吸附量的大小可以通過煤層氣、水和煤三者之間的親和力關(guān)系進(jìn)行初步判斷[21-22]（圖3）。煤是一種主要以有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的烴源巖，煤層氣的儲(chǔ)存狀態(tài)為自生自儲(chǔ)。因此，作為溶質(zhì)的煤層氣和作為吸附劑的煤之間具有較大的親和力A（大量吸附實(shí)驗(yàn)也表明這一點(diǎn)）。其次，煤層氣在地層水中的溶解度極小，由此可知親和力B 很弱。同時(shí)，水中的氫鍵可以促進(jìn)憎水溶劑（煤層氣）的液相吸附[21]。親和力C是吸附劑和溶劑之間的力，煤巖親水，則親和力C較大。

圖3 煤層氣液體吸附關(guān)系下的相互作用Fig.3 Interference in coalbed methane liquid phase sorption

由此可知，儲(chǔ)層條件下的煤巖、地層水和甲烷之間的作用力特征滿足形成大量液相吸附的前提條件，這種推測(cè)需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2）吸附模型

煤層氣的液相吸附耦合了煤層氣的溶解與吸附兩個(gè)物理過程[22]，其過程可以采用液相吸附Langmuir方程描述[18-21]，由此可以引入煤層氣的液相吸附關(guān)系[2,22,23]：

需要說明的是溶解在地層水的氣量較少，大量的甲烷以液相吸附的形式賦存于煤巖基質(zhì)的孔隙表面（圖4）。由于壓力與煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)cm有關(guān)[2,22,23]，流體壓力與液相吸附量之間存在間接影響的關(guān)系[22]。甲烷在水中的溶解度通常表示為：

圖4 液體吸附理論對(duì)煤層氣吸附關(guān)系的解釋Fig.4 CBM sorption relation based on liquid phase sorption theory

式中：cms為甲烷在水中的溶解度，m3/m3；α 為甲烷的溶解系數(shù)，m3/（m3·MPa）。

壓力是液相吸附形成的關(guān)鍵因素，而不是致密的蓋層。必須說明的是，溶液中的液相吸附極為復(fù)雜，即便在物理化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，目前也沒有研究可以厘清液相吸附層的真實(shí)形式[21]。因此，煤層氣以液相吸附的形式賦存僅是在煤巖親水且不含游離氣條件下的一種推測(cè)[2，22]。

3 煤層氣液相吸附的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

為進(jìn)一步驗(yàn)證煤層氣的液相吸附推測(cè)，并論證煤層氣以液相吸附態(tài)賦存的可能性，需要對(duì)煤層氣的液相吸附過程開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究。而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可以通過測(cè)試飽和水的煤樣對(duì)水中溶解甲烷的吸附能力而實(shí)現(xiàn)。因此，研究設(shè)計(jì)了煤層氣液相吸附理論的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的思路為：驗(yàn)證飽和水的煤樣，可以大量吸附溶解態(tài)的甲烷氣體。因此，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路如下：吸附艙的上部為游離態(tài)的甲烷，下部為飽和水的煤樣，中部通過水將甲烷和煤樣隔開（圖5）。

圖5 吸附艙內(nèi)物質(zhì)分布與運(yùn)動(dòng)情況Fig.5 Reaction processes in sorption chamber

將當(dāng)飽和水的煤樣與地層水裝入吸附艙中，在吸附艙上部通入甲烷，游離態(tài)的甲烷溶解到水中后，向下擴(kuò)散接觸到煤樣。溶解態(tài)的甲烷接觸到煤樣后，以液相吸附的形式賦存在煤樣中。甲烷的液相吸附和溶解均會(huì)降低游離氣的壓力。如果測(cè)量流入吸附艙內(nèi)甲烷的體積并測(cè)量游離氣壓力的變化，排除地層水中溶解態(tài)的氣體量，從而可以得到甲烷在煤樣中的液相吸附量。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

煤層氣液相吸附的物理模擬中存在溶解、擴(kuò)散與液相吸附3 個(gè)過程，其中擴(kuò)散的速度極慢，實(shí)驗(yàn)中的壓力平衡時(shí)間遠(yuǎn)大于常規(guī)吸附實(shí)驗(yàn)。常規(guī)氣相吸附設(shè)備的中間容器體積一般較小，吸附劑（煤）測(cè)試量也較?。ㄒ话銥?0 g 以內(nèi)），測(cè)試時(shí)間較快。然而，液相吸附測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試帶來的氣密性問題會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，液相吸附實(shí)驗(yàn)中存在飽和水煤樣和水的移動(dòng)，容器與管線內(nèi)壁殘留的液體和煤樣同樣會(huì)影響液相吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因此，可以通過增加實(shí)驗(yàn)裝載量，從而減小樣品移動(dòng)以及管壁殘留帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

設(shè)計(jì)將煤樣的裝載量放大2個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)中吸附劑（煤）最大裝載量提高至1 000 g，吸附艙容積為3 000 cm3左右。根據(jù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)思路，設(shè)計(jì)了煤層氣液相吸附理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的設(shè)備（圖6）。煤層氣的液相吸附曲線需要通過：①煤樣前處理過程；②吸附艙流體裝載過程；③煤層氣的溶解—吸附過程；④液相吸附計(jì)算這4個(gè)步驟[22]。

圖6 液相吸附實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Experiment apparatus for methane sorption in water saturated coal

4 結(jié)果與討論

4.1 煤層氣液相吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用韓城礦區(qū)5 號(hào)煤的煤礦井下取樣，進(jìn)行了2組測(cè)試。圖7 顯示了氣密性測(cè)試過程中吸附艙的壓力動(dòng)態(tài)。根據(jù)圖7 中的壓力穩(wěn)定與時(shí)間的關(guān)系可知，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度不高于45 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)向吸附艙中充注氣體后，壓力數(shù)據(jù)的采集需要在30 h 之后進(jìn)行。

圖7 不同溫度下實(shí)驗(yàn)設(shè)備氣密性測(cè)試壓力動(dòng)態(tài)Fig.7 Pressure dynamic of seal test of experiment facility at different temperature

通過振動(dòng)篩獲取50 目煤粉，第1 組實(shí)驗(yàn)取煤粉1 000.00 g，第2 組實(shí)驗(yàn)取煤粉300.00 g。根據(jù)溶解—吸附的過程進(jìn)行液相吸附實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)的樣品質(zhì)量不同，目的在于測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程所需的時(shí)間，測(cè)試液相吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)備可用的最小樣品質(zhì)量以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。根據(jù)甲烷在蒸餾水中的溶解度曲線[24]（圖8a），以及煤層氣液相吸附模型，可以將實(shí)驗(yàn)壓力轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)過程中的煤層氣在水中的體積分?jǐn)?shù)。由于甲烷在水中的溶解度用線性關(guān)系表示，因此，用壓力表示的煤層氣液相吸附曲線（圖8b）與通過甲烷水中溶解體積分?jǐn)?shù)表示的甲烷液相吸附曲線（圖8c）的形態(tài)完全一致。在溶解飽和的條件下，煤樣在流體壓力為9 MPa、25 ℃條件下煤樣通過液相吸附可以固定甲烷的量為17.7 m3/t，韓城礦區(qū)部分地區(qū)5號(hào)煤層的含氣量基本一致[22]。

圖8 甲烷溶解度曲線與液相吸附關(guān)系Fig.8 Relationship of solution curves and liquid-phase sorption

4.2 傳統(tǒng)煤層氣吸附理論的欠平衡吸附

基于現(xiàn)場(chǎng)解吸與煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25-27]，傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論認(rèn)為基質(zhì)中的煤層氣處于欠飽和吸附狀態(tài)，即初始?jí)毫ο碌暮瑲饬啃∮趯?shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)壓力的吸附量[11,28]。這種吸附的欠飽和，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)過程中的臨界解吸現(xiàn)象。以圖9a 為例，初始?jí)毫ο聀i條件下，由于煤層的含氣量的狀態(tài)點(diǎn)低于吸附曲線，所以開井時(shí)煤層并不產(chǎn)氣，氣井需要進(jìn)行排水從而降低煤層的孔隙壓力，吸附狀態(tài)向左移動(dòng)，當(dāng)含氣量大于對(duì)應(yīng)的吸附量時(shí)，煤層氣開始解吸[2]。臨界解吸壓差的數(shù)值則等于煤層氣藏的初始?jí)毫εc臨界解吸壓力的差值。

圖9 煤層氣傳統(tǒng)理論中的欠平衡吸附狀態(tài)Fig.9 Undersaturated sorption state in transitional CBM sorption theory

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界通常用欠飽和（undersaturated）這一術(shù)語(yǔ)，描述煤層氣的吸附狀態(tài)[29-31]。然而，用欠飽和吸附這一術(shù)語(yǔ)在此并不準(zhǔn)確。因?yàn)闅庀辔侥Ｐ椭?，飽和吸附指?dāng)壓力增高，吸附量保持不變后的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的壓力稱為飽和吸附壓力（圖9b中紫色虛線右方的狀態(tài)）。即Langmuir吸附模型假設(shè)條件中的單分子吸附層中已經(jīng)布滿了氣體分子，因此，吸附量不能進(jìn)一步提高。當(dāng)壓力小于飽和吸附壓力時(shí)，由于壓力的增高使得吸附量增大，氣體的吸附才會(huì)處于欠飽和吸附的狀態(tài)（圖9b中的紫色虛線框）。

氣體的吸附和解吸過程通常被認(rèn)為是瞬間完成的，即欠飽和吸附狀態(tài)下的氣體，壓力下降則氣體解吸，并不會(huì)出現(xiàn)臨界解吸現(xiàn)象[19-20]。傳統(tǒng)的煤層氣吸附理論中，氣體的吸附狀態(tài)位于吸附曲線之下（圖9a）。這其實(shí)不僅是欠飽和吸附，實(shí)質(zhì)是一種欠平衡的吸附狀態(tài)。但這種欠平衡的狀態(tài)并不穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)一步趨向平衡，即吸附狀態(tài)點(diǎn)向左平移，使得系統(tǒng)壓力降低[2]。最終，系統(tǒng)中形成游離氣和吸附氣的平衡[2]。因此，欠平衡的吸附狀態(tài)只可能是一種瞬時(shí)狀態(tài)，不會(huì)是氣相吸附的平衡狀態(tài)。而且，煤層經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過程，吸附也不會(huì)處于欠平衡狀態(tài)。

4.3 氣相賦存模型（氣相潤(rùn)濕）對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的解釋

傳統(tǒng)煤層氣吸附理論得到欠飽和吸附結(jié)論的原因是現(xiàn)場(chǎng)解吸量和壓力的測(cè)試結(jié)果，然而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的煤層壓力，測(cè)試煤層中的水相壓力pw。這是因?yàn)楫?dāng)氣井打開煤層時(shí)，井筒中僅有單相的水，也只能測(cè)試水相的壓力。如果煤巖是氣相潤(rùn)濕的，測(cè)試的水相壓力（pw）比煤層基質(zhì)中的氣相壓力（pg）大一個(gè)基質(zhì)系統(tǒng)的毛管壓力（pc）（圖10）[2]。

圖10 欠飽和吸附狀態(tài)解釋Fig.10 Under-saturated sorption state

正是這個(gè)毛管壓力，導(dǎo)致了采用水相壓力作為初始?jí)毫r(shí)，煤層氣則出現(xiàn)了欠平衡的吸附的假象（圖10）。若用氣相壓力研究，煤層氣的吸附仍為平衡吸附。當(dāng)煤巖氣相潤(rùn)濕時(shí)，初始條件下，割理-裂縫中僅有水相（圖11a）。當(dāng)排水降低煤層壓力后，煤層中的水相壓力下降導(dǎo)致了氣-液界面彎曲度變緩，毛管壓力不斷降低（圖11b）。當(dāng)壓力進(jìn)一步降低，氣-液界面處的流體張力不足以維持氣-液界面變形，甲烷從基質(zhì)中最大的毛管中突入割理系統(tǒng)（圖11c）。

圖11 氣相賦存條件下的排水降壓臨界產(chǎn)氣過程Fig.11 Process of water drainage and critical gas production under condition of gas storage

因此，如果煤巖是氣相潤(rùn)濕的，由于毛管壓力，用水相壓力解釋吸附狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)了欠平衡吸附的假象。實(shí)際上，基質(zhì)中的煤層氣仍然處于平衡吸附狀態(tài)，游離氣與吸附氣共存，臨界解吸與基質(zhì)中最大的毛管尺寸有關(guān)。在多數(shù)煤層氣藏溫度范圍內(nèi)（35～60 ℃），氣-水的界面張力大致在40～60 mN/m，基質(zhì)的孔隙開度則在10～100 nm。根據(jù)毛管壓力計(jì)算公式，取界面張力50 mN/m，可以計(jì)算不同潤(rùn)濕角（潤(rùn)濕強(qiáng)弱）以及不同毛管半徑條件下的基質(zhì)孔隙毛管壓力數(shù)值（圖12）。

圖12 氣相賦存條件下的基質(zhì)毛管壓力數(shù)值Fig.12 Capillary pressure of coal matrix under condition of gas storage

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知（圖12），當(dāng)潤(rùn)濕角θ=100°（弱親氣條件），煤巖基質(zhì)10～100 nm孔徑對(duì)應(yīng)的毛管壓力數(shù)值為0.208 3～2.083 0 MPa；而當(dāng)潤(rùn)濕角θ=110°（弱親氣條件），煤巖基質(zhì)10～100 nm 孔徑對(duì)應(yīng)的毛管壓力數(shù)值為0.410 4～4.104 0 MPa，毛管壓力的數(shù)值與礦場(chǎng)生產(chǎn)中的臨界壓差較為吻合[10,27]。

由此可見，氣相潤(rùn)濕條件下的煤層氣賦存模式可以合理地解釋煤層氣的圈閉條件、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)與臨界解吸問題，但是氣相潤(rùn)濕的條件與煤巖的潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾。

4.4 液相賦存模型（水相潤(rùn)濕）對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的解釋

如果煤巖親水，那么煤層氣有極大的可能，以液相吸附的形式賦存于煤巖中。由于，煤層氣的液相吸附是一個(gè)溶解和吸附的耦合過程，雖然吸附不會(huì)出現(xiàn)欠平衡狀態(tài)，但是溶解卻可以存在欠飽和的狀態(tài)[2,22]。而溶解的欠飽和導(dǎo)致了臨界解吸的現(xiàn)象（圖13）。關(guān)于液相吸附的解吸模式，筆者在文獻(xiàn)[2，22，32]中已有詳細(xì)論述，在此不再贅述。

圖13 液相吸附理論的臨界解吸過程Fig.13 Explain of critical desorption process based on liquid phase adsorption

綜上可知，液相吸附模型也可以合理地解釋煤層氣的賦存條件、生產(chǎn)過程以及臨界解吸問題。如果煤層氣以液相吸附態(tài)賦存于煤層中，排采過程中的臨界解吸現(xiàn)象是煤層氣在地層水中溶解的欠飽和狀態(tài)導(dǎo)致的，與液相吸附曲線無關(guān)。

5 結(jié)論與討論

1）多孔介質(zhì)的小孔隙中的優(yōu)先充填潤(rùn)濕相流體，割理—裂縫屬于煤巖中的大孔隙，而基質(zhì)中的孔隙為煤巖中的小孔隙。如果煤巖親氣，則基質(zhì)孔隙中應(yīng)當(dāng)飽和甲烷，若煤巖親水，那么基質(zhì)孔隙中應(yīng)飽和地層水。

2）如果煤巖親氣，在毛管壓力的作用下，煤層氣可以被割理中的水封閉在基質(zhì)中，形成一種自封閉的特殊圈閉類型。當(dāng)采用水相壓力分析煤層的含氣狀態(tài)時(shí)，氣藏表現(xiàn)出吸附欠平衡的假象。

3）如果煤巖水相潤(rùn)濕，煤層氣的液相吸附量可以形成可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的氣藏。煤層氣在水中溶解的不飽和現(xiàn)象導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中的臨界解吸現(xiàn)象。

4）然而，如果煤巖氣相潤(rùn)濕，就與目前煤巖潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾；如果煤巖水相潤(rùn)濕，就與傳統(tǒng)煤層氣吸附理論相矛盾。這說明煤層氣的吸附理論目前仍不能閉環(huán)，煤層氣的賦存狀態(tài)仍存在核心問題尚未解決，仍需進(jìn)一步探索和研究。

5）驗(yàn)證煤層氣吸附方式的核心是明確煤巖中是否存在游離氣，或是直接研究煤巖在不同壓力下對(duì)甲烷和水體系的潤(rùn)濕性選擇。