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，深層煤層氣累計探明地質(zhì)儲量已超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)域煤層氣增儲上產(chǎn)行動方案（2026—2030年）》，提出到2030年鄂東區(qū)域深層煤層氣產(chǎn)量要達到160億立方米以上。

產(chǎn)量在漲，儲量在增，但一個基礎科學問題一直沒完-全搞清楚——深層煤層氣的擴散機理到底是什么？

擴散為什么重要？

煤層氣從煤里出來，要經(jīng)歷三個環(huán)節(jié)：解吸、擴散、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。

這三個環(huán)節(jié)里，擴散是承上啟下的那一步。解吸得再好，擴散慢了，氣出不來；滲流通道再通暢，擴散供不上，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，地應力越來越高、滲透率越來越低。擴散在淺層可能不是瓶頸，但在深層、超深層，擴散效率直接決定了一個區(qū)塊能不能經(jīng)濟有效開發(fā)。

研究擴散機理，核心是測擴散系數(shù)——單位時間內(nèi)氣體在煤孔隙里能跑多遠、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反應釜，通過監(jiān)測氣體壓力的變化反推擴散系數(shù)。這個方法有個硬傷：煤樣磨碎了。地下煤的原始孔隙結(jié)構(gòu)、應力狀態(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力，卸壓取芯過程中煤體已經(jīng)發(fā)生損傷，再磨成粉，測出來的擴散系數(shù)跟地層真實情況差多少，沒人說得清。

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

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)的甲烷擴散行為完-全不一樣。傳統(tǒng)方法測的是總量，兩種混在一起，解吸和擴散各貢獻了多少，算不清楚。

低場核磁能看到什么？

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

針對深層煤層氣擴散機理研究的痛點，低場核磁的技術(shù)優(yōu)勢十分明確。

1. 原位動態(tài)監(jiān)測，完整記錄擴散演化全過程

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。

無需等待平衡、不用取出樣品，就能實時獲取每個壓力點下吸附氣、游離氣的含量變化，直接計算出不同階段的擴散系數(shù)，連擴散機制切換的臨界壓力點都能精準捕捉。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態(tài)變化，為產(chǎn)能預測提供了關(guān)鍵參數(shù)。

2. 分孔隙尺度表征，定位擴散阻力的核心來源

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

3. 無損完整巖心測試，數(shù)據(jù)更貼近原位狀態(tài)

低場核磁檢測全程不破壞煤樣，可以直接使用完整柱樣開展實驗，原始孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙連通性都能得到保留，測得的擴散數(shù)據(jù)更接近地下真實情況。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比實驗，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。

4. 支撐注氣驅(qū)替的擴散機理研究

針對注 CO?強化煤層氣采收的工藝，低場核磁可以實時監(jiān)測 CO?注入后甲烷的擴散置換過程，能量化不同注入壓力、不同氣體配比下的擴散系數(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，從而精準得到不同 CO?濃度下的甲烷擴散系數(shù)演變規(guī)律，為注氣方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

深層煤層氣擴散機理研究，是產(chǎn)能預測、排采優(yōu)化和增產(chǎn)工藝設計的核心基礎。傳統(tǒng)方法受限于樣品破碎、靜態(tài)測量、機制不分，很難準確反映深層高溫高壓儲層的真實擴散規(guī)律；低場核磁技術(shù)則實現(xiàn)了原位、動態(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。