煤储层含气量数据的确定直接影响到煤层气资源量的估算、选区评价以及开发方案的制订。目前煤储层含气量数据的获取方法具体可分为直接测定法和间接法2大类。直接测定法包括地勘法、矿井法、自然解吸法和加温解吸法，准确求取逸散气量是采用上述4种方法测定煤储层含气量的难点。间接法包括重量法、等温吸附法、开姆法和测井法，主要是利用煤样分析资料、测井资料、煤储层温度和压力值，采用Langmuir方程反演煤储层含气量，反演过程中普遍采用储层压力替代气相压力进行计算。但事实上，对于煤储层而言，在其形成演化过程中不断有部分固体有机质转化为气体和水，在其孔隙内必然会出现气水两相界面，由此产生毛细管压力，孔隙内游离气体承受的压力不仅包括储层压力，而且包括毛细管压力。笔者的研究结果表明，水在10 nm的孔隙中毛细管压力就能超过10 MPa。若再加上储层压力，对于埋深在1 000 m以浅的煤层而言，孔径在10 nm以下的微孔隙中已经是超压环境了。除此之外，煤中死孔隙内保留了烃类气体生成后的气体压力环境，在地质演化过程中，若煤层抬升，则死孔隙内的气体压力极有可能超过同一埋深的静水柱压力，形成超压环境。因此，气相压力与储层压力并非等同，煤储层含气量应立足于微孔超压环境进行计算。

采集山西大同煤田永定庄矿的气煤、河东煤田柳林地区沙曲矿的焦煤、太原西山煤田屯兰矿的瘦煤、新安煤田新义矿的贫煤和河南焦作煤田中马村矿的无烟煤，通过煤孔隙毛细管压力测试实验，结合煤层气形成过程及气泡动力学理论分析煤储层微孔超压的形成机制，据此，建立考虑微孔超压环境的煤层气含气量计算方法，将改变传统的煤层气勘探开发的理念，为我国煤系非常规天然气勘探开发提供理论指导。

1 煤储层微孔超压的形成机制

煤储层微孔超压环境的形成与煤在地质历史时期成藏、生烃等过程密切相关。开放型微孔内的水环境是造成其超压环境形成的重要原因，而死孔隙内所保存的气体压力环境受其形成时的温度、压力、孔隙体积、孔隙内气、液的成分和比例、演化过程中温度和压力场的变化等因素影响。

1.1 煤孔隙中气水两相并存

煤是一种由植物遗体经泥炭化作用、成岩作用和变质作用形成的固体化石燃料。其中，泥炭化作用是在沼泽水环境下进行的，通常生成的泥炭水分含量极高；成岩作用阶段，泥炭发生压实、脱水、增碳等作用，这一阶段也是在水环境下进行的，且形成了原生生物成因的甲烷。

随着埋深的进一步增加，温度和压力越来越高，煤化作用进入变质作用阶段。热成因气是在煤化作用阶段，煤经复杂的物理、化学变化产生的煤层气，以甲烷为主，还含有微量的重烃，无机气体多为二氧化碳、氮气和微量的硫化氢等，在这一过程有中液态产物伴生，包括液态烃类和水。这些液态物质的存在，为毛细管压力的形成奠定了基础，和埋深一并决定了超压的存在与否。煤中水环境是客观存在的，只是水的含量不同而已，煤的工业分析结果证实了这一点。

1.2 煤孔隙毛细管压力测试

采集不同煤级煤样进行煤孔隙毛细管压力测试，样品信息及工业分析见表1。采用JC2000D型接触角测量仪，测定蒸馏水的表面张力为73.55 mN/m，测定蒸馏水与给定煤样之间的接触角。将测得的表面张力与接触角代入Laplace公式，即可测得一定孔径条件下的毛细管压力。即

式中p。表示毛细管压力，MPa；。表示液体表面张力，mN/m ； /}表示液体与煤间接触角，(。)；:表示毛细管半径，nmo

对于埋深在1 000 m以浅的煤层，静水柱压力小于10 MPa，而由毛细管压力的计算结果可知(表2)}煤中微孔孔径在10 nm时，孔隙内毛细管压力便可达到10 MPa，若再加上储层压力，孔隙流体已经处于超压环境了。由压汞实验测得的孔隙分布与毛细管压力的对应关系表明，煤中孔径在10 nm以下的微孔广泛分布，且孔径越小孔隙内毛细管压力越大，超压越显著。随着煤层埋深的增加，形成超压环境的微孔越小。

1.3 微孔超压环境的形成机理

在煤化作用过程中，煤成烃的同时形成了大量气孔，加之残留植物组织孔、次生矿物孔隙、晶间孔和原生粒间孔，构成了煤储层复杂的基质孔隙结构。煤基质孔隙大小、形态多样，孔径在10 nm以下的微孔大量分布。除了与其他孔隙、裂隙相连通的开放性孔外，有相当一部分孔隙被孤立在煤基质当中，不与其他孔隙、裂隙相连通，称为死孔隙，这部分类似于包裹体的孔隙如果在地质演化过程中不破裂，其中的气、液态物质就能保存下来。煤中死孔隙和开放性孔隙均有可能存在超压环境，且两者超压环境的形成机理存在差异。

1.3.1 死孔隙中微孔超压环境的形成

煤中包含气、液体的死孔隙内流体压力随着气体体积的改变而改变，若生烃过程继续进行，死孔隙内流体压力将会增大，超过煤体破裂压力时，这些孔隙将破裂，其中所含的气、液体将排出，孔隙转化为连通孔隙；相反若流体压力低于破裂压力，则原始的压力环境得到保存，仍为死孔隙。由死孔隙内气、液体形成时的温压环境演化到现今条件下的温度下的压力环境会发生严重的变化，这一变化取决于原始状态下的孔隙流体压力、温度、孔隙体积和孔隙内物质成分。河南焦作地区二，亚段煤层的埋藏史、热演化史反映了死孔隙中超压环境形成的全过程。

山西组二，亚段煤从晚二叠世早期开始形成并逐渐被埋藏，在三叠纪末期达到最大埋深。此时煤层承受的温度为130℃左右，第一次生烃达到高峰，且处于液态烃的形成高峰。之后，经历了早侏罗世末期的短暂抬升和中侏罗世的短暂沉降后，便进入了持续抬升阶段，在古近纪末期达到最高抬升阶段，之后不同地区有不同程度的沉降。在晚侏罗世一早白至世期间，河南焦作地区与华北其他地区一样，经历了1期异常热事件，此时的地温梯度高达6 0C /100 m，二，亚段煤层遭受了近300℃的高温，煤层发生了二次生烃，且生成的气体主要是甲烷。这时也是煤体内部大量热变气孔的形成时期，破裂、排烃的形成连通孔隙；保持孤立的为死孔隙。死孔隙内的温度和压力决定了其后期演化过程中，一直到现今的孔隙内的压力变化。这些死孔隙多为纳米级，其形成时的温度将近300 0C；最高压力为煤的破裂压力，由埋深和煤的抗拉强度以及正常的孔隙压力可大体估算为60一70 MPa。孔隙内的煤层气含量由游离气和吸附气组成，游离气的含量因孔隙体积较小、温度较高而有限；对吸附气而言，在如此高的温度下最大吸附能力也非常低。在后期的抬升过程中，随着温度的不断降低，最大吸附能力不断增加，不断由游离态的气体转化为吸附态；游离态气体量持续减少，整个孔隙内的压力不断降低。初步的计算表明，具有焦作地区这种演化史的煤，在现今的温度和静水压力下，死孔隙内难以形成超压。但死孔隙内的煤层气依然存在，在进行含气量测试时部分在煤样破碎时作为残留气逸出，部分仍保持原始状态。

1.3.2 开放性孔隙中微孔超压环境的形成

开放型孔隙是指煤中相互连通、煤层气能够从中运移产出的所有孔隙，从影响吸附的比表面积角度，绝大部分隶属热变气孔。当煤层气形成并在孔隙内集聚呈高压状态时，一旦突破煤的破裂压力，就会发生排烃，并与其他孔隙和裂隙沟通，形成一个复杂的孔一缝体系。以焦作二，亚段煤为例，燕山期的异常热事件，当微孔破裂排烃时，微孔内的气体和液体被快速排出，直至孔隙内的流体压力(pp)与毛细管压力(pc)和静水压力(pu)达到平衡，即:

pp一Pc+ p1。

值得注意的是研究者往往忽视了生烃期间煤储层的保存甲烷的能力，在温度高达300℃的环境下，即使压力再高，游离气的含量也是有限的，因为煤的孔隙度本身很低；最大吸附能力在压力达到一定值后不再增加。可见，焦作地区在燕山期生烃期间保存在煤中的甲烷非常有限，远远低于现今的含气量，这可能是由于在后期的地质演化过程中水中的溶解气部分转化为吸附气，高温高压下的溶解气含量是非常可观的；其次，在抬升过程中浅部的煤层气在地下水的作用下不断向深部运移聚集，如美国的圣胡安盆地和中国沁水盆地东南部都有此条件。没有后期的补充，就没有现今的高含气量。生烃结束后，后期的演化过程中微孔的压力环境随温度的降低、原有甲烷相态的转化、外来甲烷等气体通过溶解扩散等途径的不断补充而不断地调整，但是施加在这些微孔内气体上的力始终是储层压力和毛细管压力之和，这就为超压环境的形成创造了条件。初步的计算和分析表明，河南焦作地区的二，亚段煤有一部分孔径的孔隙现今是完全可以维持超压状态的。

微孔超压环境的形成机理的研究方兴未艾，这一客观现象的认识将对非常规天然气，特别是泥页岩气和煤层气资源的再认识是产生质的飞跃；对瓦斯突出机理的揭示起到推动作用。

2 微孔超压状态含气量计算方法

根据Langmuir等温吸附方程、气体状态方程、亨利定律，结合拉布拉斯方程，推导出了考虑微孔超压环境的吸附气、游离气和溶解气的计算方程，由此构建了考虑微孔超压环境的煤储层含气量计算方法。

2.1 吸附含气量

当吸附与脱附动态平衡时，甲烷分子在煤的表面覆盖程度由B描述:

式中B表示表面覆盖度；V表示甲烷的吸附体积，cm3/g ；气表示吸满单分子层的体积，即为兰氏体积玫，cm3/g ； a表示吸附系数；p表示吸附与脱附动态平衡时的压力，MPao将式(2)与Langmuir方程连立后得到:

通常采用式(C4)进行计算获得吸附气摩尔量。即

式中n，表示吸附气摩尔量，mol/g ；戈表示煤的总比表面积，mz}g ； A}},表示甲烷分子截面积，17.8 X 10 -zomzm；从表示阿伏伽德罗常数，6.022 X l Oz3 mol一‘；pL表示兰氏压力，MPao

考虑微孔超压环境后，由于不同孔径对应的毛细管压力不同，其中赋存气体的吸附与脱附动态平衡时的压力也就不同。因此，吸附气(摩尔量)计算公式为:

式中n1*表示考虑毛细管压力的吸附气摩尔量，mol/g；d；表示第i级孔隙吼道直径，nm；凡，表示第i级孔隙孔比表面积，cm3/go

2.2 游离含气量

通常，计算游离气摩尔量的公式为:

式中nz表示游离气摩尔量，mol/g ； Vp表示孔隙体积，cm3/g ； SW表示含水饱和度；Z表示甲烷的压缩因子，与压力和温度有关[mo ； R表示气体常数，8.314)/mol"K； T表示储层温度，K；储层温度在20 0C时，多项式系数a4  -0.000 372 65 }  a3=0.004775 7 }  a2=一0.005 132 34 }  a,=一0.080 835 14}  a00.999 742 9 ； p:表示对比压力，pI  (p+p})l 4.64 。

考虑微孔超压环境后，由于不同孔径对应的毛细管压力不同，其中赋存的游离气体承受的压力也就不同。因此，游离气(摩尔量)计算公式为:

式中nz*表示考虑毛细管压力的游离气摩尔量，mol/g；气，表示第i级孔隙体积，cm3/g 。

2.3 溶解含气量

甲烷在水中的溶解度不大，其在水中的溶解度满足亨利定律:

式中c表示浓度，mol/mol ； }p表示气体逸度因子；H表示亨利常数，MPa ；界表示气体的对比温度；八表示气体的对比压力；Pc:表示甲烷气体的临界压力，4.64 MPa ； T}:表示甲烷气体的临界温度，190.7 K 。

在计算煤层气溶解气含量时，通常计算公式为:

式中n3表示溶解气摩尔量，mol/g ； M}d表示每克煤样的含水量，g；M表示甲烷分子的摩尔质量，16 g/mol 。

考虑微孔超压环境后，由于不同孔径对应的毛细管压力不同，造成不同孔径段内甲烷气体具有不同的溶解度。因此，溶解气(摩尔量)计算公式为:

式中n3*表示考虑毛细管压力的溶解气摩尔量，mol/g；势，表示第Z级孔隙气体逸度因子；Madi表示第Z级孔隙克煤含水量，只。

3 微孔超压环境对煤储层含气量计算的影响

以焦作中马村矿二，亚段煤层为例(储层压力为2.52 MPa)，对比分析微孔超压环境对煤储层含气量的影响。其煤质特征见表1，孔隙分布特征如图1所示。考虑到孔径2.9 nm以内的碳纳米孔隙中不存在光滑的气水界面[is}，而压汞仪孔隙直径的测定下限为3 nm 。因此，分析毛细管压力的尺度为3 nm以上的孔隙。

在未考虑微孔超压环境之前，焦作中马村矿二，亚段煤层的理论含气量为22.24 m3/t，考虑微孔超压环境后，运用笔者建立的含气量计算方法计算结果为45.73 m3/t，该计算结果更加接近于焦作中马村矿二，亚段煤层发生煤与瓦斯突出后折算的吨煤瓦斯涌出量。由图3可知，微孔超压环境主要影响3一100nm孔隙内煤层气含气量的计算，尤其是3一10 nm孔隙，而对于100 nm以上的孔隙则影响不大。

为什么以往煤层气含量测试并没有测得如此高的含气量呢?而发生煤与瓦斯突出后折算的吨煤瓦斯涌出量一般超过50 m3/t，高的可达200 m3/t?这可能与含气量的测试方法有关，含气量测试只测得了解吸气和残留气，逸散气是根据解吸的初期解吸量与时间成线性关系计算出来的，但这种关系是否符合实际情况，有待进一步探讨。在揭露煤体后，微孔超压环境得以快速卸压，这时必定携带大量的瓦斯产出，目前对这部分逸出的气体缺乏必要的测试手段。在含气量测试过程中，通常测定的是微孔卸压后进入正常解吸扩散阶段的含气量。煤体破坏越严重，微孔卸压逸出瓦斯的速率就越快，测量的误差就越大。要解决这个问题，就必须采用高压密闭取心测试，但目前无论是地面煤层气领域还是煤矿井下瓦斯抽采领域，都没有进行此项试验。

4 结论

1)煤层气赋存的压力环境与以往认识有所不同，孔隙内游离气体的气相压力并不等价于储层压力，而是由储层压力和毛细管压力2个部分组成，且微孔内气相压力远高于静水柱压力，即存在微孔超压环境。普遍基于储层压力评价煤储层含气量的计算方法将导致煤储层含气量被低估，煤储层含气量应立足于微孔超压环境进行计算。

2)建立了考虑微孔超压环境的煤储层含气量计算方法，采用该方法计算的结果更加接近于发生煤与瓦斯突出后折算的吨煤瓦斯涌出量，且微孔超压环境主要影响3一100 nm孔隙内煤层气含气量的计算，尤其是3一10 nm孔隙，而对于100 nm以上的孔隙影响不大。研究将为我国煤系非常规天然气勘探开发提供理论指导，对瓦斯突出机理的揭示起到推动作用。