煤层气，俗称“瓦斯”、“煤层甲烷”，是主要存在于煤层中、以甲烷为主要成分的烃类气体。煤层气以游离态、吸附态和溶解态三种状态存在于煤层中。

 煤是由煤基质、割理和孔隙构成，里面有气体和水。煤基质就是煤的主体，一般呈块状，里面有许多肉眼无法看清的孔隙，有的互相联通，有的是闭合的“死胡同”。割理是较大的煤层裂缝，由于呈交错纹理状，所以称为割理（见图1）。

图1 煤层表面结构

 游离状态的煤层气以自由气体状态赋存在煤层的割理、裂缝、孔隙中，在压力差的作用下可以自由运动，游离气占煤层气的10%~20%。溶解在煤层水中的气体称为溶解气，数量很少，在5%以内。大量的煤层气是以吸附状态吸附在煤的内表面上，这种吸附是物理吸附，这部分煤层气占70%~95%。

 除了吸附、游离的煤层气外，煤层割理、微小裂缝、孔隙中被水充填，正因如此，需要先把水排出，然后天然气才能开采出来。

 既然煤层气存在于煤层之中，我们要想开发利用煤层气，需要从产煤的地区筛选出煤层气量大、容易开采的地方。地质学家通过分析关于煤层各种性质之后优选更加有利的地区，这是中国地质调查局的工作之一，后期企业再对煤层气进行开采。

图2 钻井过程

 开采的方式主要是通过从地面向地下钻井，也就是在地下挖掘出一个通道或井眼，方便天然气流到井中，然后再从井中抽采到地面，这个形成油气流动通道的过程就叫做钻井。

 图2表示的是钻井过程，依靠钻机提供的驱动力带动钻杆和钻头转动，钻头逐次向下破碎岩石，形成一个井眼。钻头在破碎岩石的同时，通过空心的钻杆向井底注入一种掺杂好多化学材料的液体（即钻井液），将钻头破碎的岩石碎屑从钻杆和井眼的空间中携带至地面。因此钻井的过程就是钻头破碎岩石，钻井液通过循环流动不断携带出岩石碎屑，形成井眼的过程。在钻头钻达目的地之后需要向井眼中下入一种无缝钢管（套管）；并在套管与井眼的环状空间内注入水泥将套管固定在井壁上；最后一道工序是在煤层的位置，将套管、套管外的水泥和地层用炮弹或者别的方式打开，人为地形成连通地层和井眼，便于煤层气流进井里面的通道（见图4）。

 图4 煤层气流入井筒过程

 要想让煤层气从煤里面流到井里，需要经过三个过程：排水降压解吸、气体扩散、流入井筒（见图3）。

 图3 煤层气解吸扩散的过程

 第一步是排水降压解吸。由于煤层气吸附在煤的表面上，而煤的孔隙、裂缝中充填的是水，煤层气无法脱离煤的表面，因此，需要先将煤里充填的水排出，气体分子没有了水的“压制”，就可以从煤的表面上脱离，这就叫做“解吸”，脱离后煤层气进入到煤的孔隙中。

 第二步是扩散，由于从煤表面脱离下来的煤层气越来越多，好多小的孔、缝里煤层气的浓度越来越高，就会从浓度高的地方扩散到浓度低的地方，最后裂缝、孔隙中都充满了煤层气。

 第三步是煤层气从煤的裂缝中流入到井筒。由于上一步的扩散作用，煤层气最终汇入大的裂缝中，最后就从大的裂缝流入到与其相连的井筒中。

 水力压裂是煤层气增产的主要方法，即通过水的力量和压力将煤层及其上下的泥岩砂岩压开，使其产生裂缝，沟通离井眼更远地方的煤层气储气层。因为通过钻井，井眼和煤层连通，井筒附近的煤层气易于流入井眼并抽出地面，但毕竟储气量有限，而远处由于裂缝、孔道细小狭窄，煤层气解吸运移较为困难，导致产量有限。因此，需要利用水力压裂来增大原有的裂缝、沟通狭窄的孔道，形成复杂的裂缝网络，沟通远处的储气层，使煤层气都能跑到宽大的裂缝中，最后流入井眼“条条大路通罗马”。总之，道路越通畅，储气量越大，气流量就越大，水力压裂的作用就是如此（如图5）。

图5 压裂裂缝网络示意图