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深层煤层气（也称煤岩气）的产量正在快速攀升。2025年，全国煤层气产量达到181.3亿立方米，其中深层煤层气约42亿立方米，占煤层气总产量的25%以上。截至2025年底，深层煤层气累计探明地质储量已超1万亿立方米。2026年7月，国家能源局印发《鄂尔多斯盆地东部区域煤层气增储上产行动方案（2026—2030年）》，提出到2030年鄂东区域深层煤层气产量要达到160亿立方米以上。

产量在涨，储量在增，但一个基础科学问题一直没完-全搞清楚——深层煤层气的扩散机理到底是什么？

扩散为什么重要？

煤层气从煤里出来，要经历三个环节：解吸、扩散、渗流。吸附在煤基质微孔表面的甲烷先解吸变成游离态，然后通过扩散从微孔迁移到裂缝（割理）系统，最后通过渗流流到井筒。

这三个环节里，扩散是承上启下的那一步。解吸得再好，扩散慢了，气出不来；渗流通道再通畅，扩散供不上，产量也上不去。深层煤层埋深通常超过1500米，有些超过2000米。随着深度增加，地应力越来越高、渗透率越来越低。扩散在浅层可能不是瓶颈，但在深层、超深层，扩散效率直接决定了一个区块能不能经济有效开发。

研究扩散机理，核心是测扩散系数——单位时间内气体在煤孔隙里能跑多远、跑多快。传统方法主要有两类。

一类是体积法。把粉碎后的煤粉放进反应釜，通过监测气体压力的变化反推扩散系数。这个方法有个硬伤：煤样磨碎了。地下煤的原始孔隙结构、应力状态全变了。深部煤层在地下承受十几甚至二十几兆帕的有效应力，卸压取芯过程中煤体已经发生损伤，再磨成粉，测出来的扩散系数跟地层真实情况差多少，没人说得清。

另一类是压汞法和低温氮吸附法。能测出孔隙大小分布，但测的是静态结构，看不到气体在孔隙里实际怎么扩散的。而且压汞法要把水银打进孔隙，对样品有破坏。

更重要的是，传统方法分不清吸附态和游离态。甲烷在煤里既有吸附在微孔表面的，也有游离在裂缝里的。两种状态的甲烷扩散行为完-全不一样。传统方法测的是总量，两种混在一起，解吸和扩散各贡献了多少，算不清楚。

低场核磁能看到什么？

低场核磁共振（LF-NMR）做扩散表征，核心原理是利用氢质子弛豫信号的差异：甲烷分子吸附在孔壁表面时受束缚强，信号衰减快，对应 T₂谱短弛豫峰；处于游离状态时自由度高，信号衰减慢，对应长弛豫峰。通过识别不同峰的面积变化，就能实时定量区分吸附态与游离态甲烷，全程无需破坏样品。

针对深层煤层气扩散机理研究的痛点，低场核磁的技术优势十分明确。

1. 原位动态监测，完整记录扩散演化全过程

搭配高温高压岩心夹持系统，低场核磁可以 1:1 模拟深层地层的温度、压力环境，在升压吸附、降压解吸的全过程中持续扫描样品，几分钟即可完成一次检测。

无需等待平衡、不用取出样品，就能实时获取每个压力点下吸附气、游离气的含量变化，直接计算出不同阶段的扩散系数，连扩散机制切换的临界压力点都能精准捕捉。2025 年 ACS Energy & Fuels 发表的研究就采用低场核磁框架，直接量化了煤层气降压过程中的孔隙动态变化，为产能预测提供了关键参数。

2. 分孔隙尺度表征，定位扩散阻力的核心来源

T₂谱的弛豫时间与孔隙大小一一对应，因此低场核磁不仅能量化整体扩散系数，还能拆分到微孔、介孔、大孔等不同尺度，明确每一类孔隙对总扩散的贡献占比。

3. 无损完整岩心测试，数据更贴近原位状态

低场核磁检测全程不破坏煤样，可以直接使用完整柱样开展实验，原始孔隙结构和裂隙连通性都能得到保留，测得的扩散数据更接近地下真实情况。同一块深层煤样，还可以依次开展不同温压条件、不同降压速率的多组对比实验，彻-底排除样品非均质性带来的干扰，数据可比性更强。

4. 支撑注气驱替的扩散机理研究

针对注 CO₂强化煤层气采收的工艺，低场核磁可以实时监测 CO₂注入后甲烷的扩散置换过程，能量化不同注入压力、不同气体配比下的扩散系数变化。2025 年 ACS Omega 发表的研究显示，通过分析 NMR T₂谱，可以直接计算出置换过程中吸附相和游离相 CH₄、CO₂的物质的量变化，从而精准得到不同 CO₂浓度下的甲烷扩散系数演变规律，为注气方案优化提供数据支撑。

深层煤层气扩散机理研究，是产能预测、排采优化和增产工艺设计的核心基础。传统方法受限于样品破碎、静态测量、机制不分，很难准确反映深层高温高压储层的真实扩散规律；低场核磁技术则实现了原位、动态、分孔隙尺度的无损定量表征，让研究结果更贴近地下真实状态，也为深层煤层气高效开发提供了更可靠的理论支撑。