煤層氣，俗稱“瓦斯”、“煤層甲烷”，是主要存在於(yu) 煤層中、以甲烷為(wei) 主要成分的烴類氣體(ti) 。煤層氣以遊離態、吸附態和溶解態三種狀態存在於(yu) 煤層中。

 煤是由煤基質、割理和孔隙構成，裏麵有氣體(ti) 和水。煤基質就是煤的主體(ti) ，一般呈塊狀，裏麵有許多肉眼無法看清的孔隙，有的互相聯通，有的是閉合的“死胡同”。割理是較大的煤層裂縫，由於(yu) 呈交錯紋理狀，所以稱為(wei) 割理（見圖1）。

圖1 煤層表麵結構

 遊離狀態的煤層氣以自由氣體(ti) 狀態賦存在煤層的割理、裂縫、孔隙中，在壓力差的作用下可以自由運動，遊離氣占煤層氣的10%~20%。溶解在煤層水中的氣體(ti) 稱為(wei) 溶解氣，數量很少，在5%以內(nei) 。大量的煤層氣是以吸附狀態吸附在煤的內(nei) 表麵上，這種吸附是物理吸附，這部分煤層氣占70%~95%。

 除了吸附、遊離的煤層氣外，煤層割理、微小裂縫、孔隙中被水充填，正因如此，需要先把水排出，然後天然氣才能開采出來。

 既然煤層氣存在於(yu) 煤層之中，我們(men) 要想開發利用煤層氣，需要從(cong) 產(chan) 煤的地區篩選出煤層氣量大、容易開采的地方。地質學家通過分析關(guan) 於(yu) 煤層各種性質之後優(you) 選更加有利的地區，這是中國地質調查局的工作之一，後期企業(ye) 再對煤層氣進行開采。

圖2 鑽井過程

 開采的方式主要是通過從(cong) 地麵向地下鑽井，也就是在地下挖掘出一個(ge) 通道或井眼，方便天然氣流到井中，然後再從(cong) 井中抽采到地麵，這個(ge) 形成油氣流動通道的過程就叫做鑽井。

 圖2表示的是鑽井過程，依靠鑽機提供的驅動力帶動鑽杆和鑽頭轉動，鑽頭逐次向下破碎岩石，形成一個(ge) 井眼。鑽頭在破碎岩石的同時，通過空心的鑽杆向井底注入一種摻雜好多化學材料的液體(ti) （即鑽井液），將鑽頭破碎的岩石碎屑從(cong) 鑽杆和井眼的空間中攜帶至地麵。因此鑽井的過程就是鑽頭破碎岩石，鑽井液通過循環流動不斷攜帶出岩石碎屑，形成井眼的過程。在鑽頭鑽達目的地之後需要向井眼中下入一種無縫鋼管（套管）；並在套管與(yu) 井眼的環狀空間內(nei) 注入水泥將套管固定在井壁上；最後一道工序是在煤層的位置，將套管、套管外的水泥和地層用炮彈或者別的方式打開，人為(wei) 地形成連通地層和井眼，便於(yu) 煤層氣流進井裏麵的通道（見圖4）。

 圖4 煤層氣流入井筒過程

 要想讓煤層氣從(cong) 煤裏麵流到井裏，需要經過三個(ge) 過程：排水降壓解吸、氣體(ti) 擴散、流入井筒（見圖3）。

 圖3 煤層氣解吸擴散的過程

 第一步是排水降壓解吸。由於(yu) 煤層氣吸附在煤的表麵上，而煤的孔隙、裂縫中充填的是水，煤層氣無法脫離煤的表麵，因此，需要先將煤裏充填的水排出，氣體(ti) 分子沒有了水的“壓製”，就可以從(cong) 煤的表麵上脫離，這就叫做“解吸”，脫離後煤層氣進入到煤的孔隙中。

 第二步是擴散，由於(yu) 從(cong) 煤表麵脫離下來的煤層氣越來越多，好多小的孔、縫裏煤層氣的濃度越來越高，就會(hui) 從(cong) 濃度高的地方擴散到濃度低的地方，最後裂縫、孔隙中都充滿了煤層氣。

 第三步是煤層氣從(cong) 煤的裂縫中流入到井筒。由於(yu) 上一步的擴散作用，煤層氣最終匯入大的裂縫中，最後就從(cong) 大的裂縫流入到與(yu) 其相連的井筒中。

 水力壓裂是煤層氣增產(chan) 的主要方法，即通過水的力量和壓力將煤層及其上下的泥岩砂岩壓開，使其產(chan) 生裂縫，溝通離井眼更遠地方的煤層氣儲(chu) 氣層。因為(wei) 通過鑽井，井眼和煤層連通，井筒附近的煤層氣易於(yu) 流入井眼並抽出地麵，但畢竟儲(chu) 氣量有限，而遠處由於(yu) 裂縫、孔道細小狹窄，煤層氣解吸運移較為(wei) 困難，導致產(chan) 量有限。因此，需要利用水力壓裂來增大原有的裂縫、溝通狹窄的孔道，形成複雜的裂縫網絡，溝通遠處的儲(chu) 氣層，使煤層氣都能跑到寬大的裂縫中，最後流入井眼“條條大路通羅馬”。總之，道路越通暢，儲(chu) 氣量越大，氣流量就越大，水力壓裂的作用就是如此（如圖5）。

圖5 壓裂裂縫網絡示意圖