深層煤層氣（也稱煤巖氣）的產(chǎn)量正在快速攀升。2025年，全國煤層氣產(chǎn)量達(dá)到181.3億立方米，其中深層煤層氣約42億立方米，占煤層氣總產(chǎn)量的25%以上。截至2025年底，深層煤層氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量已超1萬億立方米。2026年7月，國家能源局印發(fā)《鄂爾多斯盆地東部區(qū)域煤層氣增儲(chǔ)上產(chǎn)行動(dòng)方案（2026—2030年）》，提出到2030年鄂東區(qū)域深層煤層氣產(chǎn)量要達(dá)到160億立方米以上。

產(chǎn)量在漲，儲(chǔ)量在增，但一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題一直沒完-全搞清楚——深層煤層氣的擴(kuò)散機(jī)理到底是什么？

擴(kuò)散為什么重要？

煤層氣從煤里出來，要經(jīng)歷三個(gè)環(huán)節(jié)：解吸、擴(kuò)散、滲流。吸附在煤基質(zhì)微孔表面的甲烷先解吸變成游離態(tài)，然后通過擴(kuò)散從微孔遷移到裂縫（割理）系統(tǒng)，最后通過滲流流到井筒。

這三個(gè)環(huán)節(jié)里，擴(kuò)散是承上啟下的那一步。解吸得再好，擴(kuò)散慢了，氣出不來；滲流通道再通暢，擴(kuò)散供不上，產(chǎn)量也上不去。深層煤層埋深通常超過1500米，有些超過2000米。隨著深度增加，地應(yīng)力越來越高、滲透率越來越低。擴(kuò)散在淺層可能不是瓶頸，但在深層、超深層，擴(kuò)散效率直接決定了一個(gè)區(qū)塊能不能經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

研究擴(kuò)散機(jī)理，核心是測(cè)擴(kuò)散系數(shù)——單位時(shí)間內(nèi)氣體在煤孔隙里能跑多遠(yuǎn)、跑多快。傳統(tǒng)方法主要有兩類。

一類是體積法。把粉碎后的煤粉放進(jìn)反應(yīng)釜，通過監(jiān)測(cè)氣體壓力的變化反推擴(kuò)散系數(shù)。這個(gè)方法有個(gè)硬傷：煤樣磨碎了。地下煤的原始孔隙結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)全變了。深部煤層在地下承受十幾甚至二十幾兆帕的有效應(yīng)力，卸壓取芯過程中煤體已經(jīng)發(fā)生損傷，再磨成粉，測(cè)出來的擴(kuò)散系數(shù)跟地層真實(shí)情況差多少，沒人說得清。

另一類是壓汞法和低溫氮吸附法。能測(cè)出孔隙大小分布，但測(cè)的是靜態(tài)結(jié)構(gòu)，看不到氣體在孔隙里實(shí)際怎么擴(kuò)散的。而且壓汞法要把水銀打進(jìn)孔隙，對(duì)樣品有破壞。

更重要的是，傳統(tǒng)方法分不清吸附態(tài)和游離態(tài)。甲烷在煤里既有吸附在微孔表面的，也有游離在裂縫里的。兩種狀態(tài)的甲烷擴(kuò)散行為完-全不一樣。傳統(tǒng)方法測(cè)的是總量，兩種混在一起，解吸和擴(kuò)散各貢獻(xiàn)了多少，算不清楚。

低場核磁能看到什么？

低場核磁共振（LF-NMR）做擴(kuò)散表征，核心原理是利用氫質(zhì)子弛豫信號(hào)的差異：甲烷分子吸附在孔壁表面時(shí)受束縛強(qiáng)，信號(hào)衰減快，對(duì)應(yīng) T?譜短弛豫峰；處于游離狀態(tài)時(shí)自由度高，信號(hào)衰減慢，對(duì)應(yīng)長弛豫峰。通過識(shí)別不同峰的面積變化，就能實(shí)時(shí)定量區(qū)分吸附態(tài)與游離態(tài)甲烷，全程無需破壞樣品。

針對(duì)深層煤層氣擴(kuò)散機(jī)理研究的痛點(diǎn)，低場核磁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明確。

1. 原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，完整記錄擴(kuò)散演化全過程

搭配高溫高壓巖心夾持系統(tǒng)，低場核磁可以 1:1 模擬深層地層的溫度、壓力環(huán)境，在升壓吸附、降壓解吸的全過程中持續(xù)掃描樣品，幾分鐘即可完成一次檢測(cè)。

無需等待平衡、不用取出樣品，就能實(shí)時(shí)獲取每個(gè)壓力點(diǎn)下吸附氣、游離氣的含量變化，直接計(jì)算出不同階段的擴(kuò)散系數(shù)，連擴(kuò)散機(jī)制切換的臨界壓力點(diǎn)都能精準(zhǔn)捕捉。2025 年 ACS Energy & Fuels 發(fā)表的研究就采用低場核磁框架，直接量化了煤層氣降壓過程中的孔隙動(dòng)態(tài)變化，為產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供了關(guān)鍵參數(shù)。

2. 分孔隙尺度表征，定位擴(kuò)散阻力的核心來源

T?譜的弛豫時(shí)間與孔隙大小一一對(duì)應(yīng)，因此低場核磁不僅能量化整體擴(kuò)散系數(shù)，還能拆分到微孔、介孔、大孔等不同尺度，明確每一類孔隙對(duì)總擴(kuò)散的貢獻(xiàn)占比。

3. 無損完整巖心測(cè)試，數(shù)據(jù)更貼近原位狀態(tài)

低場核磁檢測(cè)全程不破壞煤樣，可以直接使用完整柱樣開展實(shí)驗(yàn)，原始孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙連通性都能得到保留，測(cè)得的擴(kuò)散數(shù)據(jù)更接近地下真實(shí)情況。同一塊深層煤樣，還可以依次開展不同溫壓條件、不同降壓速率的多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，徹-底排除樣品非均質(zhì)性帶來的干擾，數(shù)據(jù)可比性更強(qiáng)。

4. 支撐注氣驅(qū)替的擴(kuò)散機(jī)理研究

針對(duì)注 CO?強(qiáng)化煤層氣采收的工藝，低場核磁可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) CO?注入后甲烷的擴(kuò)散置換過程，能量化不同注入壓力、不同氣體配比下的擴(kuò)散系數(shù)變化。2025 年 ACS Omega 發(fā)表的研究顯示，通過分析 NMR T?譜，可以直接計(jì)算出置換過程中吸附相和游離相 CH?、CO?的物質(zhì)的量變化，從而精準(zhǔn)得到不同 CO?濃度下的甲烷擴(kuò)散系數(shù)演變規(guī)律，為注氣方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

深層煤層氣擴(kuò)散機(jī)理研究，是產(chǎn)能預(yù)測(cè)、排采優(yōu)化和增產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法受限于樣品破碎、靜態(tài)測(cè)量、機(jī)制不分，很難準(zhǔn)確反映深層高溫高壓儲(chǔ)層的真實(shí)擴(kuò)散規(guī)律；低場核磁技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了原位、動(dòng)態(tài)、分孔隙尺度的無損定量表征，讓研究結(jié)果更貼近地下真實(shí)狀態(tài)，也為深層煤層氣高效開發(fā)提供了更可靠的理論支撐。