㈠ 甲烷氣體狀態一般能壓縮到原來體積的多少
我外行~
甲烷的壓縮系數:
http://www.chinaflowmeter.cn/admin/techdata/tech2008.html
http://www.sensorok.com/tech/tech/form/0227.htm
關於壓縮系數：
http://jpk.myvtc.e.cn/rgroot/pages/wnkc/ltlxzc/ltwlxz.htm
http://bbs.ustc.e.cn/cgi/bbsanc?path=/groups/GROUP_3/TSEE/D698B3D33/D883FBCDC/M.1019657710.A
"壓縮性可以用壓縮系數或體積彈性模量來度量。
壓縮系數的定義如下：
β= -dv/vdp=-dν/νdp=dρ/ρdp
體積彈性模量與壓縮系數呈倒數關系：
E=1/β=ρdp/dρ
式中各參數含義如下：
β--壓縮系數
E---體積彈性模量
v---體積
ν--比容
p--壓強
ρ--密度
流體受熱後體積增加的性質稱作流體的膨脹性。比如熱氣球內的空氣被火焰加熱後體積增加、密度下降，產生的浮力可以將氣球及氣球乘員帶入天空，就是利用的這個道理。度量流體的膨脹性通常使用溫度膨脹系數，其定義如下：
式中各參數含義為：
由於液體分子處於分子間吸引力和排斥力相平衡的距離上，外力壓縮不能使這個距離發生大的變化，因而宏觀上液體在外力作用下不會發生顯著的體積改變，這樣就可以將液體看作不可壓縮的流體。同樣外界的溫度變化也不能明顯改變分子間平均距離，故而液體也是不可膨脹的流體，因此只在研究氣體時需要考慮壓縮性和膨脹性的影響。
α=dV/VdT=dν/νdT=-dρ/ρdT
式中各參數含義為：
α---溫度膨脹系數
T---溫度
由於液體分子處於分子間吸引力和排斥力相平衡的距離上，外力壓縮不能使這個距離發生大的變化，因而宏觀上液體在外力作用下不會發生顯著的體積改變，這樣就可以將液體看作不可壓縮的流體。同樣外界的溫度變化也不能明顯改變分子間平均距離，故而液體也是不可膨脹的流體，因此只在研究氣體時需要考慮壓縮性和膨脹性的影響。"
㈡ 為什麼CH4的壓縮系數先減小後增大
隨著壓強的增大甲烷的溫度升高，壓縮必然系數增大。
㈢ 天然氣壓縮系數怎樣計算，有哪些參考文獻
天然氣是混合物，你可以參考其主要成分甲烷的，臨界壓縮系數的公式為 臨界壓縮系數=（臨界壓力×臨界體積）÷（摩爾氣體常量×臨界溫度），可以參考《石油化工基礎手冊》，手冊上介質的特性是有的
㈣ 煤層氣的儲存特徵
一般說來，煤層氣以3種狀態存在於煤層之中：①吸附在煤孔隙的內表面上；②以游離態分布於煤的孔隙中，其中大部分存在於各類裂隙之中；③溶解於煤層內的地下水中。在煤化作用過程中生成的氣體，首先滿足吸附，然後是溶解和游離析出，在一定的溫度和壓力條件下，這3種狀態的氣體處於統一的動態平衡體系中。
上述這3種狀態主要是針對甲烷而言，煤中的各種重烴組分是處於氣態還是液態，這取決於煤儲層的溫度和氣體壓力。在當前開采深度和氣體壓力范圍內，乙烷是氣態，其他重烴呈液態。另外，除上述3種狀態外，煤層中的氣體還有可能以氣體水合物晶體的形式存在，其條件是低溫高壓，如溫度在0℃時，形成甲烷(CH4)水合物所需的壓力為2.65MPa；溫度在10℃時，則所需壓力為7.87MPa，而在這樣的條件只有在深海或永久凍土地帶才能出現，在我國煤田內一般是不存在的。由於煤層氣成分中乙烷以上的重烴含量很小，所以煤層中烴類物質的相態絕大部分為氣態。
(1)吸附氣
煤層區別於常規天然氣儲層的主要特徵是，大部分氣體以吸附的方式儲存於煤層中。經測算，吸附狀態的氣占煤中氣體總量的80%～95%，具體比例取決於煤的變質程度、埋藏深度等因素(張新民等，1991)。在我國，中、高變質程度的煙煤和無煙煤中實測煤層氣含量(乾燥無灰基)為10～30cm3/g，最高可達36cm3/g，甚至更高；據測算，煤層的儲氣能力是同體積常規砂岩儲氣能力的2～3倍。
煤中吸附氣含量，可以用直接法，通過煤樣解吸試驗得到；也可用以用間接法，通過Langmuir方程計算求得。
(2)游離氣
在氣飽和的情況下，煤的孔隙和裂隙中充滿著處於游離狀態的氣體。這部分氣服從一般氣體狀態方程，由於甲烷分子的自由熱運動，因而顯現出氣體壓力。游離氣的含量取決於煤的孔隙(裂隙)體積、溫度、氣體壓力和甲烷的壓縮系數。
煤中游離氣的含量不大。據前蘇聯科學院艾魯尼等人的資料，中等變質程度的煤，在埋深300～1200m的范圍內，其游離氣僅占總含氣量的50%～12%。
(3)水溶氣
水對甲烷有一定的溶解能力。根據煤炭科學研究總院西安分院在20世紀80年代後期進行的系統甲烷水溶試驗的結果(表5.9)。與其他氣體相比，甲烷在水中的溶解度是較小的。例如，在0℃和常壓下，甲烷在水中的溶解度為0.055L/L，而相同條件下乙烷在水中的溶解度為0.098L/L，二氧化碳為1.713L/L，硫化氫為2.67L/L。可以看出，甲烷在水中的溶解度僅為二氧化碳的1/30。盡管如此，當溶解度低的甲烷溶於大量的地下水中，就會有巨大的氣體從氣藏中運移出去，引起甲烷的散失。在自然界，煤層常常為含水層，當儲層壓力低到足以使氣體能夠從煤中解吸出來時，甲烷會因地下水的運動而從煤層中運移出去。
表5.9 不同溫度、壓力和不同礦化度下，水對甲烷的溶解度表
㈤ 常壓1立方氣體在30兆帕下是多少
首先按理論算：1000*1=300*X
X=3.33升
根據氣體不同，再用壓縮系數去修正。氧、氮基本都是1.0 氬、甲烷是1.1左右，氫氣是0.9左右。具體數字得查。
如此得：如果是氬、甲烷，最後約為3升，如果是氫氣，壓縮後體積約為3.6升
㈥ 甲烷的壓縮因子可以等於1嗎
可以。由於其壓縮因子是個常數，所以甲烷的壓縮因子可以等於1。甲烷是一種有機化合物，分子式是CH4，分子量為16.043。甲烷是最簡單的有機物。
㈦ 煤層氣的賦存狀態
煤層中氣體的賦存狀態有游離狀態和吸附狀態兩種形式，以這兩種狀態存在的甲烷分別稱為游離甲烷和吸附甲烷。
表6.1 韓城礦區可採煤層自然瓦斯成分含量統計表（單位：%）
①採用燎原、下峪口井田資料。
表6.2 韓城礦區桑樹坪井田煤層瓦斯重烴（C2～C8）含量表
6.2.1 游離甲烷
指甲烷分子以自然氣體狀態充滿於煤的孔隙和裂隙中。這部分氣體服從一般氣體方程，其數量取決於煤的孔隙體積、溫度、氣體壓力和甲烷壓縮系數，即
Qy＝10.2φ·p·k（6.1）
式中：φ為煤的孔隙體積，cm3/g；p為氣體壓力，MPa；k為甲烷壓縮系數，（kg/cm2）－1。
6.2.2 吸附甲烷
指甲烷分子和煤固體顆粒之間由於范德華引力作用，甲烷分子被吸附在煤體的微孔隙或超微孔隙表面上，形成一層甲烷薄膜。煤對甲烷吸附數量取決於煤質特徵、氣體的壓力、溫度等因素。在等溫吸附條件下，吸附量大小滿足朗格繆爾方程，即
韓城礦區煤層氣地質條件及賦存規律
式中：Qx為吸附量，cm3/g；p為氣體壓力，MPa；a、b為取決於煤質特徵的吸附常數。
一般說來，煤化作用過程中生成的甲烷氣，首先滿足吸附，然後再游離析出。在一定的溫度和壓力條件下，這兩種狀態的甲烷氣處於統一的動態平衡體系中，但是這兩種狀態甲烷氣在煤層中所佔的比例及對煤層甲烷總含量的影響程度卻相差很大。根據前述理論公式，我們以本區下峪口井田為例，對各煤層中吸附與游離甲烷含量及其在總含量中所佔的比例進行了計算。計算參數均來自實驗室實測數據（表6.3），氣體壓力按3＃煤層瓦斯壓力與煤層埋深之間具有的線性關系p＝0.0954＋0.00237H計算（H為煤層埋深），地溫梯度取1.83℃/100m，恆溫帶溫度取15℃，恆溫帶深度以38m計（資料均來自下峪口井田鑽孔實測平均值），計算結果見表6.4。從中看出，在不同深度的各煤層中，吸附狀態甲烷均是煤中甲烷的主要部分，在埋深2000m以淺區，吸附甲烷所佔比例在78.20%～96.90%之間變化，而且隨著深度的增加，吸附甲烷的絕對含量和比例均有下降。在現井田深部邊界對應的煤層最大埋深（大約800m）范圍內，吸附甲烷占煤層甲烷總含量的90%以上，游離甲烷含量所佔比例不足10%，不同煤層之間由於孔隙發育程度不同，游離甲烷以3＃煤層所佔比例最高，2＃煤層次之，11＃煤層最低。
表6.3 下峪口井田可採煤層吸附實驗數據
表6.4 不同深度煤層中吸附、游離甲烷含量的計算值（單位：cm3/g）
註：表中各煤吸附、游離、合計欄第一行數字為甲烷量，第二行數字為第一行數字所佔總量百分比；綜合考慮到煤質、壓力、溫度、水分等因素對吸附量的影響，經過校正的吸附量公式為：
韓城礦區煤層氣地質條件及賦存規律
式中：p為氣體壓力，MPa；a為實驗溫度下最大吸附量，（cm3/g，可燃物）；b為取決於實驗溫度及煤質的系數，（kg/cm2）－1；ts為實驗溫度，一般選擇30℃；t為煤體溫度，℃；wf為煤樣的分析基水分，%；e為自然對數；
㈧ 天然氣的物理性質
天然氣的定義有幾種，如在自然界中所有天然生成的氣體都可稱為天然氣。一般來講，天然氣是指從地下開采出的可燃氣體。
天然氣的形成是多樣的，其組成成分也因地而異。在天然氣中常見的氣體有甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氫等。
與地層水和原油相同，天然氣的主要物理性質由壓縮系數、體積系數和黏度來刻畫。
1.體積系數
體積系數定義為地下天然氣的體積與其在地面標准條件下（20℃，0.1 MPa）的體積之比：
岩石物理學基礎
式中：Vsg為在地面標准條件下的天然氣體積；Vfg為同數量的天然氣在地層中的體積；Bg為天然氣的體積系數。
圖2-4-6 典型區塊地層油的黏度與溫度的關系
①錦45塊；②孤島；③羊三木油田；④新疆九區（各古組）；⑤興隆台；⑥大凌河；⑦單2塊（沙一段）
圖2-4-7 在油藏溫度和飽和壓力下的地層油黏度和溶解氣油比的關系
天然氣的體積系數表示天然氣在質量不變的前提下，從地下到地面由溫度和壓力的變化所引起的體積膨脹（圖2-4-8）。
2.壓縮系數
壓縮系數定義為等溫條件下天然氣的體積隨壓力的變化率：
岩石物理學基礎
式中：αg為氣體的等溫壓縮系數，其餘符號的意義與前面關於地層水和原油的壓縮系數的討論中所用的符號意義相同。
圖2-4-9給出了天然氣的視對比等溫壓縮系數曲線。（註：視對比壓縮系數定義為壓縮系數與視臨界壓力的乘積，無量綱；視對比壓力定義為壓力與視臨界壓力的比值，無量綱；視對比溫度定義為溫度與視臨界溫度的比值，無量綱；視臨界壓力和視臨界溫度分別定義為天然氣中各組分的臨界壓力和臨界溫度按摩爾分數加權的平均值。）
圖2-4-8 天然氣的體積系數與壓力的關系
圖2-4-9 天然氣的視對比等溫壓縮系數
3.黏度
天然氣的黏度取決於天然氣組成成分、壓力及溫度等條件。在接近1個大氣壓的條件下，氣體的黏度幾乎與壓力無關，隨溫度的升高而增大（圖2-4-10）。在高壓條件下，氣體的黏度隨壓力的增大而增大，隨溫度的升高而減小。
㈨ 煤儲層和煤層氣的儲存
煤層氣是一種自生自儲的非常規天然氣。與常規氣藏不同，對於煤層氣藏來講，煤層既是煤層氣的源岩，又是煤層氣的儲集層。
(一)煤儲層的特徵
與常規天然氣儲層相比，煤層氣儲層具自身的特殊性，煤層氣的賦存與常規天然氣也明顯不同。表4－6列出了煤儲層與常規砂岩儲層的異同點。
表4－6常規砂岩儲層和煤儲層的比較表
1.煤的孔隙結構特徵
煤層是一種雙重孔隙介質，屬裂隙－孔隙型儲層。圖4－11是煤儲層孔隙結構的理想模型，割理(cleat)將煤分割成若干基質塊，基質塊中包含有大量的微小孔隙，是氣體儲存的主要空間，其滲透性很低;割理是煤中的次要孔隙系統，但卻是煤層中流體(氣體和水)滲流的主要通道。孔隙和割理都是煤儲層研究的重要內容。
圖4－11煤的雙重孔隙系統圖 (據Warren和Root，1963)
割理是指煤層中近於垂直層面的天然裂隙，其成因有內生和外生(構造成因)之分，規模有大有小，與煤田地質學上的「裂隙」為同義詞。在煤層氣地質領域，一般將「割理」和「裂隙」通用。
根據孔隙－割理的物理測試結果，通常將煤中孔隙(包含割理)的空間尺度劃分為:<0.01μm為微孔，0.01～0.1μm為小孔，0.1～1μm中孔，>1μm為大孔。
2.煤的割理系統
(1)割理的規模類型:割理的規模存在很大差異，小者數微米長，大者數米長。不同規模的割理在煤層中的發育程度相差較大。不同規模的割理，對氣體的滲流起著不同的作用。張新民(2002)等按照割理的規模以及割理與煤層、煤岩類型及煤岩成分的關系對其進行了分類(表4－7)。
表4－7割理的規模類型及特徵簡述表
續表
(2)割理的三維幾何形態:割理系統有互相大致垂直的兩組，其中延伸長度大，且發育的一組叫面割理;被面割理橫切的另一組叫端割理(圖4－12)。
圖4－12煤中割理系統圖 (據張新民等，2002)
割理的長度在層面上可測量到，發育的面割理呈等間距分布，其長度變化范圍很大(表4－7)。總體上，煤的光澤越亮、鏡煤和亮煤越多、厚度越大，面割理越發育、割理高度越大。面割理高度小到幾微米，大到幾十厘米。
端割理一般與面割理是互相連通的。端割理的長度受面割理間距的控制，面割理間距越寬，端割理越長。端割理與面割理的高度受控因素相同，主要與煤岩類型和煤岩組分有關。割理的寬度與其規模有關。割理規模越大，寬度亦越大，變化范圍一般為1μm至幾厘米。
割理形態也是多姿多態的，在層面上主要有:①網狀，這種割理連通性好，屬極發育;②一組大致平行排列的面割理極發育，而端割理極少，這種割理屬於發育，連通性屬較好;③面割理呈短裂紋狀或斷續狀，端割理少見，這種割理連通性差，屬於較發育。剖面上，割理主要呈垂直於層理或微斜交層理平行排列。
3.煤層滲透率
宏觀孔隙網路組成了連通性好的面割理和連通性稍差的端割理。面割理與端割理正交並垂直於煤層層面。割理是水和氣流動的主要通道。被割理網路所包圍的完整煤基質塊體中的大部分孔隙為微孔隙，在這些煤中，流體主要通過擴散方式運移。故煤層的滲透性主要取決於煤層中割理的滲透性。根據火柴模型(thematchstickmodel)(Sawyer，1990;Harpalani和Chen，1997)，割理的孔隙度(Φc)和滲透率(k)可近似為:
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式中:a和b分別為割理的間距和一個割理孔徑的寬度。
割理滲透性由割理密度(間距)、裂縫寬度和開啟性、范圍和連通性控制。這些因素又取決於煤級、煤質(灰分含量)、煤岩組分、煤層厚度、構造變形、煤化作用和原地壓力(Ammosov和Eremin，1963;Close，1993;Laubach et al.，1998)。由於煤層具極強的可壓縮性，原地壓力可以影響儲層滲透性和產量特徵。通常，由於超壓作用，煤層滲透性隨著埋深的加大而減小。因此，美國大多數煤層氣產自埋深小於1200m的煤層。煤階對煤層的滲透性也有顯著影響，由表4－8可看出，低煤階煤層氣藏的滲透率一般大於高煤階煤層氣藏。
表4－8世界部分中、低煤階煤層氣藏試井滲透率參數表
(據陳振宏，2007)
4.煤儲層的吸附特徵
(1)吸附理論:由於煤是一種多孔的固體，具有很大的內部表面積，因而具有吸附氣體的能力。所謂吸附，是指氣體以凝聚態或類液態被多孔介質所容納的一種過程。吸附過程可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。物理吸附是由范德華力和靜電力引起的，氣體和固體之間的結合較微弱;物理吸附是快速的、可逆的。化學吸附是共價鍵引起的，氣體和固體之間的結合力很強;化學吸附是緩慢的、不可逆的。
煤是一種優良的天然吸附劑，對各種氣體具有很強的吸附能力，這是煤層氣與常規儲層儲氣機理不同的物質基礎。煤吸附甲烷屬物理吸附，理由主要是甲烷的吸附熱比氣化熱低2～3倍，氮氣和氫氣的吸附也與甲烷一樣，這表明煤對氣體的吸附是無選擇性的;大量的吸附試驗證明，煤對甲烷等氣體的吸附是快速的、可逆的。因此，可以用物理吸附模型來探討煤吸附氣體的機理。
對於物理吸附過程而言，吸附平衡是一個重要的概念。在一個封閉的系統里，固體顆粒表面上同時進行著吸附和解吸這樣兩種相反的過程。即一部分氣體由於吸引力而被吸留在表面上而成吸附氣相;被吸附住的氣體分子，在熱運動和振動的作用下，其動能增加到足以克服吸引力的束縛時，就會離開表面而重新進入游離氣相。當這兩種作用的速度相等(即單位時間內被固體顆粒表面吸留的氣體分子數等於離開表面的分子數)時，在顆粒表面上的氣體分子數目維持某一個定量，這時就稱為吸附平衡。在平衡狀態時，吸附劑所吸附的氣體量隨氣體的溫度、壓力而變化。顯然，這是一種動態平衡狀態。即吸附量(V)是溫度(t)和壓力(p)的函數，可表示為
非常規油氣資源
在上述函數關系式中，當溫度一定時，稱吸附等溫線;當壓力一定時，稱吸附等壓線。最常用的是吸附等溫線，即在某一固定溫度下，當達到吸附平衡時，吸附量(V)與游離氣相壓力(p)之間的關系曲線。在煤層氣地質及勘探開發中，某一溫度(通常為儲層溫度)下煤的吸附等溫線對評價煤層的最大儲氣能力、預測煤層氣含量、確定臨界解吸壓力、計算煤層氣理論回收率等方面具有重要用途。
吸附等溫線可以由實驗室測試而獲得。實際上實驗測得的吸附等溫線形狀很多，大致可歸納為5種類型(圖4－13)。圖中縱坐標為吸附量a，橫坐標p/p0為相對壓力，p0是氣體在吸附溫度時的飽和蒸汽壓，p是吸附平衡時氣體的壓力。等溫線形態上的差異，反映了吸附劑與吸附質之間相互作用的差別。
圖4－13物理吸附的5種類型等溫線圖 (據朱陟瑤等，1996)
第Ⅰ類吸附等溫線的特徵是，在較低相對壓力時吸附量迅速增加，達到一定相對壓力後吸附量趨於恆定的數值(極限吸附量)。極限吸附量有時表示單分子層飽和吸附量，對於微孔吸附劑則可能是將微孔充滿的量。
第Ⅱ—Ⅴ類等溫線是發生多分子層吸附和毛細凝結的結果。當吸附劑為非孔的或孔徑很大可近似看作是非孔的時，吸附層數原則上可認為不受限制，等溫線為Ⅱ、Ⅲ型的。當吸附劑為孔性的(不是微孔或不全是微孔的)，吸附層數受孔大小限制，在p/p0→1時的吸附量近於將各種孔填滿所需液態吸附劑的量，吸附等溫線為Ⅳ、Ⅴ型的。Ⅱ和Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類型等溫線的區別在於起始段曲線的斜率，Ⅱ和Ⅳ型在低壓區曲線凸向吸附量軸，Ⅲ和Ⅴ型的是由小變大;在形狀上，Ⅱ和Ⅳ型在低壓區曲線凸向吸附量軸，Ⅲ和Ⅴ型則凸向壓力軸。這些區別反映了吸附質與吸附劑表面作用的強弱。
從吸附等溫線可以得到吸附質與吸附劑作用大小、吸附劑表面積、孔的大小及形狀、孔徑分布等信息。
由於煤儲層的溫度大都在10～50℃范圍，遠遠高於甲烷的臨界溫度(－82.5712℃)，煤的等溫吸附試驗一般也是在這一溫度范圍內進行的，因而不易發生多層吸附;煤是一種孔隙結構比較復雜、孔徑分布不集中的多孔介質，不可能只在特定孔徑的微孔結構中發生吸附，即吸附不是以微孔充填為主的過程(艾魯尼，1992)，故大多數煤的吸附等溫線屬Ⅰ類。
由於大多數煤的吸附等溫線屬Ⅰ類，故可認為煤吸附氣體屬於單分子層吸附，用Langmuir方程可以較好地描述絕大部分煤的吸附等溫線。
Langrnuir(1916)從動力學的觀點出發，提出了單分子層吸附理論，其基本假設條件是:①吸附平衡是動態平衡;②固體表面是均勻的;③被吸附分子間無相互作用力;④吸附作用僅形成單分子層。其數學表達式為
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式中:V為吸附量(cm3/g);p為平衡氣體壓力(MPa);a為吸附常數，反映吸附劑(如煤的最大吸附能力，與溫度、壓力無關，而取決於吸附劑和吸附質的性質(m3/g);b為壓力常數，取決於溫度和吸附劑的性質(MPa－1)。
(2)煤對甲烷的吸附能力:張新民等(2002)從110餘個煤樣(來自從褐煤至無煙煤2號等9個煤級的煤層)的等溫吸附實驗結果得出在模擬地下煤儲層條件的情況下，我國煤對甲烷的吸附能力(以最大吸附量，即Langmuir體積表徵)較強，Langmuir體積(VL)值在11.25～51.81cm3/g之間變化(乾燥無灰基)(不包括無煙煤1號)。其分布情況如圖4－14所示，由於各煤級煤樣的數量不均衡，各VL值區間的數據個數並不完全代表我國煤的VL值的分布趨勢。
圖4－14我國煤樣Langmuir體積實測值分布直方圖 (據張新民，2002)
(3)煤吸附能力的影響因素:煤的吸附能力受煤本身的物理、化學性質及煤體所處的溫度、壓力等條件的控制。實驗結果表明，煤的吸附能力受煤變質程度、溫度、水分含量影響較為顯著。
煤變質程度對吸附能力的影響。煤對甲烷的吸附是一種發生在煤孔隙內表面上的物理過程，吸附能力受孔隙特徵的影響。在煤變質過程中，孔隙在發生著變化，從而影響著煤的吸附能力。張新民等(2002)認為從褐煤至無煙煤2號煤的吸附能力是隨著煤化作用的增加而增大(圖4－15，圖4－16和表4－9)。成岩作用階段褐煤的吸附能力明顯低於其他各變質階段的煤，長焰煤至肥煤3個煤階吸附量增加緩慢，焦煤之後，煤的吸附量開始快速增加，於無煙煤2號煤的吸附能力最強。
圖4－1530℃等溫吸附Langmuir體積與Rmax關系圖
圖4－16不同變質程度(Rmax)煤在45℃條件下的等溫吸附曲線圖
表4－9不同煤階煤的吸附常數平均值(t=30℃，含平衡水分)
溫度對煤吸附性能的影響。等溫吸附實驗一般採用的溫度是30℃或煤儲層溫度。圖4－17、圖4－18為兩個代表性的煤樣分別在25℃、35℃、45℃和50℃條件下實驗得出的等溫吸附實驗曲線。其中圖4－17的煤樣YQ四－15Rmax為2.69%，圖3－18的煤樣HJH－8Rmax為0.88%。由圖4－17和圖4－18可見，不同溫度下煤的吸附能力有變化。總體的變化趨勢是在壓力不變的情況下，隨著溫度的升高，煤的吸附能力降低。用Langrnuir方程，根據各溫度條件下獲得的Langmuir體積和Langmuir壓力，分別計算2MPa、8MPa、12MPa、20MPa壓力下的吸附量;將同一壓力不同溫度的吸附量標繪在「溫度－吸附量」坐標圖中，即可用線性方程回歸溫度－吸附量經驗公式，如圖4－19和圖4－20所示。
圖4－17YQ四－15煤不同溫度下的等溫吸附實驗曲線圖 (據張新民，2002)
圖4－18HJH－8煤不同溫度下的等溫吸附實驗曲線圖 (據張新民，2002)
圖4－19YQ四－15煤在不同壓力下溫度與含氣量關系圖
圖4－20HJH－8煤在不同壓力下溫度與含氣量關系圖
壓力對煤吸附性能的影響。在其他條件不變時，隨著壓力的升高煤對甲烷的吸附能力增大(圖4－21)。
圖4－21隨著壓力的增大煤對甲烷的吸附能力也增大
圖4－21a.在較高的溫度下(虛線)，煤中儲存較少甲烷;當生氣量大於煤的吸附能力時就發生運移;圖4－21b.隨著盆地的抬升冷卻生氣量降低(實線)，從而導致煤層對甲烷不飽和。大氣水中次生生物氣的生成和熱成因與生物成因氣的運移可使煤層重新飽含甲烷。當煤層飽和時，解吸發生的壓力就較高，則煤層氣解吸只需較少的降壓(排水)，甲烷的產量也會較高。
水分對煤吸附性能的影響。張新民等(2002)試驗表明，隨著煤中水分的增加，Langmuri體積呈減小趨勢，這主要是煤的內表面上可供甲烷氣體分子「滯留」的有效吸附點位是一定的，煤中水分越高，可能占據的有效吸附點位就越多，相對留給甲烷分子「滯留」的有效點位就會減少，煤的飽和吸附量就會降低。
5.煤儲層壓力特徵
煤儲層壓力是指煤層孔隙中的流體(包括氣體和水)壓力。煤儲層壓力對煤層氣含量、氣體賦存狀態起著重要作用。同時，儲層壓力也是水和氣體從煤的裂隙中流向井筒的能量。當降低煤儲層壓力，煤孔隙中吸附的氣體開始解吸，向裂隙中擴散，在壓力差作用下從裂隙向井筒流動。煤層氣開采就是根據這一原理，通過排水降低儲層壓力而采氣的。
實際上，原始煤儲層壓力差別較大。這是由於它受多種因素的影響，如區域水文地質條件、埋深、含氣量、地應力等都可對煤儲層壓力造成影響。一般用壓力梯度去衡量儲層壓力的大小，將儲層壓力劃分為三種類型(表4－10)。正常儲層壓力應等於9.5～10.0kPa/m，即基本上等於靜水壓力梯度;大於10.0kPa/m為高壓儲層，小於9.5kPa/m為低壓儲層。
表4－10儲層壓力類型劃分方案表
(二)煤層氣的儲存特徵
一般說來，煤層氣以3種狀態存在於煤層之中:①吸附在煤孔隙的內表面上;②以游離態分布於煤的孔隙中，其中大部分存在於各類裂隙之中;③溶解於煤層內的地下水中。在煤化作用過程中生成的氣體，首先滿足吸附，然後是溶解和游離析出，在一定的溫度和壓力條件下，這3種狀態的氣體處於統一的動態平衡體系中。
上述這3種狀態主要是針對甲烷而言，煤中的各種重烴組分是處於氣態還是液態，這取決於煤儲層的溫度和氣體壓力。在當前開采深度和氣體壓力范圍內，乙烷是氣態，其他重烴呈液態。另外，除上述3種狀態外，煤層中的氣體還有可能以氣體水合物晶體的形式存在，其條件是低溫高壓，如溫度在0℃時，形成甲烷(CH4)水合物所需的壓力為2.65MPa;溫度在10℃時，則所需壓力為7.87MPa，而在這樣的條件只有在深海或永久凍土地帶才能出現，在我國煤田內一般是不存在的。由於煤層氣成分中乙烷以上的重烴含量很小，所以煤層中烴類物質的相態絕大部分為氣態。
1.吸附氣
煤層區別於常規天然氣儲層的主要特徵是，大部分氣體以吸附的方式儲存於煤層中。經測算，吸附狀態的氣占煤中氣體總量的80%～95%以上，具體比例取決於煤的變質程度、埋藏深度等因素(張新民等，1991)。這主要由於煤是一種多孔介質，煤中的孔隙大部分為直徑小於50nm的微孔，因而使煤具有很大的內表面積，對氣體分子產生很大的表面吸引力，所以具有很強的儲氣能力。在我國，中、高變質程度的煙煤和無煙煤中實測煤層氣含量(乾燥無灰基)為10～30cm3/g，最高可達36cm3/g，甚至更高;據測算，煤層的儲氣能力是同體積常規砂岩儲氣能力的2～3倍，如圖4－22所示。
煤中吸附氣含量，可以用直接法，通過煤樣解吸試驗得到;也可用以用間接法，通過Langmuir方程計算求得。
2.游離氣
在氣飽和的情況下，煤的孔隙和裂隙中充滿著處於游離狀態的氣體。這部分氣服從一般氣體狀態方程，由於甲烷分子的自由熱運動，因而顯現出氣體壓力。游離氣的含量取決於煤的孔隙(裂隙)體積、溫度、氣體壓力和甲烷的壓縮系數，即
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式中:Qy為游離氣含量(cm3/g);Φ為單位質量煤的孔隙體積(cm3/g);p為氣體壓力(MPa);K為甲烷的壓縮系數(MPa－1)。
圖4－22煤與砂岩儲氣能力比較圖 (據Kuuskvaa et al.，1989)
煤中游離氣的含量不大。據前蘇聯科學院艾魯尼等人的資料，中等變質程度的煤，在埋深300～1200m的范圍內，其游離氣僅占總含氣量的5%～12%。
3.水溶氣
水對甲烷有一定的溶解能力。根據煤炭科學研究總院西安分院在20世紀80年代後期進行的系統甲烷水溶試驗的結果(表4－11)，一般每升水可溶解零點幾升到幾升甲烷。與其他氣體相比，甲烷在水中的溶解度是較小的。例如，在0℃和常壓下，甲烷在水中的溶解度為0.055L/L，而相同條件下乙烷在水中的溶解度為0.098L/L，二氧化碳為1.713L/L，硫化氫為2.67L/L。可以看出，甲烷在水中的溶解度僅為二氧化碳的1/30，是相當低的。盡管如此，當溶解度低的甲烷溶於大量的地下水中，就會有巨大的氣體從氣藏中運移出去，引起甲烷的散失。在自然界，煤層常常為含水層，當儲層壓力低到足以使氣體能夠從煤中解吸出來時，甲烷會因地下水的運動而從煤層中運移出去。
表4－11不同溫度、壓力和不同礦化度下，水對甲烷的溶解度表
續表
(據張新民等，1991)
(三)煤中氣體的流動
在自然界的原始狀態下，煤層中的氣體以承壓狀態存在著，氣體處於平衡狀態，可以將其看作是不發生流動的。但是，當人為活動影響時，如井下採掘活動，氣井排水降壓等，由於破壞了原始的壓力平衡狀態，會引起煤層中氣體的流動。煤中氣體穿過煤層孔隙介質的流動機制可以描述為3個相聯系的過程(圖4－23)，即:
首先，由於壓力降低使氣體從煤基質孔隙的內表面上發生解吸;其次，穿過基質和微孔擴散到裂隙中，擴散作用是由於在基質與裂隙間存在的濃度差引起的;最後，在壓力差作用下以達西流的方式在裂隙中滲流。這3種作用是一個互為前提並且連續進行的統一過程，不能割裂開來單獨進行。
圖4－23煤中氣體流動的3個階段圖
1.解吸
當儲層壓力下降到低於臨界解吸壓力時，氣體分子開始解吸，並遵循給定介質的等溫吸附過程。解吸過程與時間有關。解吸過程進行的快慢可以用解吸時間來定性表示。所謂解吸時間，是指總吸附氣量(包括殘留氣)的63.2%釋放出來所需要的時間，一般用天或小時來表示。為使氣體從不飽和氣的煤層中開始解吸並產出，必須將地層壓力降低到飽和點以下(圖4－24)。
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2.擴散流
氣體穿過煤基質和微孔的擴散流動是由於體積擴散(分子與分子間的相互作用)、克努森(Knudson)擴散(分子與孔壁間的相互作用)和表面擴散(吸附的類液體狀甲烷薄膜沿微孔隙壁的轉移)共同作用的結果。
當孔隙直徑大於氣體分子的平均自由運動路程時，以體積擴散為主;當孔隙相對於氣體分子的平均自由運動路程較小時，以克努森擴散為主。表面擴散受氣體分子與孔壁表面之間的持續碰撞作用的控制，在這些表面上氣體以吸附狀態被傳輸。在表面擴散中一旦發生碰撞，氣體分子就立即被吸附在孔壁上。對整個運移過程來說，表面擴散的作用是不大的。
各種類型的擴散流動都是氣體分子隨機運動的結果。圖4－25可用來說明煤基質中甲烷擴散的過程。由於氣體分子的隨機運動，可以假定試圖穿過某一虛擬內表面發生運動的兩邊氣體的百分率相同。這樣，由於靠近基質中心一側(左)的甲烷濃度大於靠近割理一側(右)，所以試圖從左向右穿越的分子數目就大於試圖從右向左穿越的分子數目，於是總的運移方向是從左向右，即從煤基質塊向割理流動。
圖4－25煤基質中甲烷擴散的過程圖
3.達西流
一般認為，在中孔(直徑大於100nm)以上的孔隙和裂隙中，氣體的流動為滲透，並且可能存在兩種方式，即層流和紊流。由於煤層內孔隙的大小、形態、曲率非常復雜，具有明顯的不均勻性，因此為了簡化煤層中氣體流動狀態，通常認為煤層中氣體流動屬於層流滲透，且服從達西(Darcy)定律。即流體的流速v與其壓力梯度成正比。它的簡單表達式為:
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式中:k為煤層的滲透率(10－3μm2);μ為流體的絕對黏度，對於甲烷，μ=1.08×10－5Pa·s; 為流體的壓力梯度(Pa/m)。
(四)煤儲層箱和含氣特徵
1.煤儲層箱
各個盆地中煤儲層的性質不同，具有較好油氣通道和甜點的區域只佔不到盆地生產區面積的10%。煤層氣的經濟可采要求眾多地質要素聚集在一個適當的時間框架中，而且還須有可操作性及合適的環境。煤層氣勘探開發的關鍵是識別煤儲層箱。煤儲層箱是指具有相似儲層屬性的封隔體，包括含氣量、滲透率、水和氣組分等。
2.煤層含氣性特徵
煤層含氣性指煤層氣含量。煤層氣含量是指單位重量煤中所含煤層氣的體積，單位為m3/t。
煤層氣含量和煤層厚度有關，煤層厚度越大，穩定性越好，對煤層氣的生成量和資源量規模起決定性作用。煤是煤層氣的母質，在同等煤級條件下，煤層越厚生氣量越大，煤層氣豐度也越高。
煤層集生氣層與儲集層於一體，故煤的生氣量與儲集性能對煤的含氣量有重要影響。煤層的生氣量與成煤物質、煤變質程度有關;儲氣能力與煤的變質程度、煤岩成分、氣體壓力等因素有關，而壓力又與煤儲層的埋深、區域水文地質、氣生成量有關;除煤層自身條件外，煤儲層的保存條件對煤層氣含量也有重要影響。這些諸多的影響因素以及復雜的相互配置關系造成煤層氣含量的差異變化。而這些因素又可歸結為4個方面:
(1)煤變質對煤層氣含量的影響:煤變質對煤層氣含量的影響，主要是通過對煤的生氣量和煤的吸附能力的控製作用而體現的。研究表明，煤的生氣量隨著煤變質程度的增加而增大，且隨著煤變質程度的提高，煤對甲烷的吸附能力逐漸增大。這說明在相同的保存條件和煤儲層壓力條件下，變質程度愈高，煤中吸附的甲烷愈多，即煤層氣含量越高。
(2)煤儲層埋藏深度對氣含量的影響:據Langmuir吸附理論，隨著壓力的增大，煤對甲烷的吸附量呈非線性增加。隨著埋藏深度的增大，煤層的壓力增大，煤對甲烷的吸附能力增強，煤層含氣量增大。
(3)水文地質與煤層氣含量的關系:水動力對煤層氣具有水力封閉和水力驅替、運移的雙重作用。水力封閉作用有利於煤層氣的保存，而水力驅替、運移作用則引起煤層氣的逸散及在新條件下的聚集(常規圈閉)。一般講，地下水壓力大，煤層氣含量高，反之則低;地下水的強徑流帶煤層氣含量低，而滯流區則含量高。
(4)聚煤環境與煤層氣含量的關系:含煤地層沉積環境主要有兩類，即海陸過渡相沉積環境和陸相沉積環境。海陸過渡相形成的煤層，煤的還原程度高，鏡質組含量通常較高，水體中的藻類、浮游動物往往殘余成煤，形成富含烴類的瀝青質體，構成亮褐煤和煙煤中微粒體的前身。在陸相沉積環境中形成的煤惰質組含量較高，惰質組由於炭化作用而變的惰性，富含碳，在煤化作用過程中揮發性物質少，生氣量也少;而且煤層中藻類、浮游生物少見。由於鏡質組的生氣量大於惰質組，瀝青質體生烴量比鏡質組和殼質組高;因此，海陸交互沉積環境中形成的煤層的生氣量、儲氣能力均大於陸相沉積環境中形成的煤層。