煤层气的物质组成与性质

1、 第二章第二章 煤层气煤层气 的物质组成与性质的物质组成与性质 第一节第一节 煤层气的形成煤层气的形成第二节第二节 煤层气的化学组分煤层气的化学组分第三节第三节 煤层气地球化学组成煤层气地球化学组成 和变化的地质控制和变化的地质控制第四节第四节 煤层气的物理性质煤层气的物理性质 第一节第一节 煤层气的形成煤层气的形成一、三个基本概念一、三个基本概念 1、煤层气、煤层气 是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其煤层水

2、中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。简称为煤层甲烷。 2 2、瓦斯、瓦斯 是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。的各种气体的总称。 3、煤型气、煤型气 是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，状态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分

3、以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气。存在围岩中的煤型气称为煤成气。三、主要生气阶段和产率三、主要生气阶段和产率 （1）褐煤至长焰煤阶段）褐煤至长焰煤阶段 生气生气38168m3/t，co2占占7292%， 烃类烃类20%以甲烷为主，重烃气以甲烷为主，重烃气4% （2）长焰煤至焦煤阶段）长焰煤至焦煤阶段 生气生气168270m3/t，烃类气体迅速增加，占，烃类气体迅速增加，占7080%， co2下降至下降至10%左右。烃类气体以左右。烃类气体以ch4为主，重烃可为主，重烃可 占占1020%，如壳质组含量多，则油和湿

4、气含量也多。，如壳质组含量多，则油和湿气含量也多。 （3）瘦煤至无烟煤阶段）瘦煤至无烟煤阶段 生气生气270422m3/t，烃类气体占，烃类气体占70%，其中，其中ch4占绝对占绝对 优势优势(9799%)，几乎没有重烃。，几乎没有重烃。 显微组分对煤成气的贡献：显微组分对煤成气的贡献：镜质组的产气率为惰质组的镜质组的产气率为惰质组的4.3倍，壳质组为惰质组的倍，壳质组为惰质组的11倍。倍。煤类煤类产气量产气量m3/t吸附能力吸附能力m3/t褐煤褐煤38688长焰煤长焰煤13816889气煤气煤182212911肥煤肥煤199230 1114焦煤焦煤2402701820瘦煤瘦煤25728714

5、18贫煤贫煤2953302024无烟煤无烟煤3464222436不同煤类的产气量和吸附能力不同煤类的产气量和吸附能力四、煤层气的成因四、煤层气的成因 1 1、生物降解煤层气、生物降解煤层气 泥炭泥炭褐煤阶段褐煤阶段 ro,max0.5% 2、热解型煤层气、热解型煤层气 褐煤褐煤瘦煤阶段瘦煤阶段 ro,max介于介于0.52.0% 3 3、裂解型煤层气、裂解型煤层气 瘦煤阶段瘦煤阶段二号无烟煤二号无烟煤 2.0%ro,max3.7% 4 4、次生生物成因煤层气、次生生物成因煤层气 0.3%ro,max95% 或或 c1% 95% 湿气（富气）：湿气（富气）： ch45% c1/ c15值大于值大

6、于99%，为特别干的气体，为特别干的气体， 95%99%为干气，为干气， 85%95%为湿气，为湿气， 小于小于85%，为特别湿的气体。，为特别湿的气体。2、非烃类气体、非烃类气体 有氮气、二氧化碳、有氮气、二氧化碳、 一氧化碳、硫化氢、氢一氧化碳、硫化氢、氢 及微量的惰性气体。及微量的惰性气体。二、控制煤层气成分的主要因素二、控制煤层气成分的主要因素 1 1、煤的显微组分、煤的显微组分, ,特别是富氢组分的丰度；特别是富氢组分的丰度； 2 2、储层压力，它影响煤的吸附能力；、储层压力，它影响煤的吸附能力； 3 3、煤化作用程度，即煤阶、煤化作用程度，即煤阶/ /煤级；煤级； 4 4、煤层气解

7、吸阶段、煤层气解吸阶段 5 5、水文地质条件、水文地质条件气样类型气样类型气体组分变化范围气体组分变化范围/%ch4c2h6co2n2非烃非烃钻井排采气钻井排采气98.1699.550.0070.0290.020.290.921.63微量微量钻井煤芯解钻井煤芯解吸气吸气83.4799.430.122.10015.88微量微量矿井煤岩解矿井煤岩解吸气吸气66.3599.850.010.470.020.384.6330.87微量微量沁水盆地不同类型气样组分变化对比表沁水盆地不同类型气样组分变化对比表三、煤层气的同位素特征三、煤层气的同位素特征 1、煤层甲烷稳定碳同位素分布、煤层甲烷稳定碳同位素分布

8、 煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布2、天然气的成因鉴别标志、天然气的成因鉴别标志 1）相同成熟度）相同成熟度 ro,max=0.502.5% 13c1-43是煤型气，是煤型气， 13c1 -43%-55是油型气。是油型气。 2）煤型（层）气比油型气的甲烷同系物的同位素重）煤型（层）气比油型气的甲烷同系物的同位素重 煤型气：煤型气：13c2 -25.1, 13c3-23.2 混合气：混合气： -25.1 13c2 -28.8 -23.2 13c3 -25.5 油型气：油型气：13c2 -28.8, 13c3 -25.5 3）煤化作用）煤化作用早、中期（早、中期（ ro

9、,max =0.51.3%）以）以 成气作用为主，成油作用为辅的是煤型（层）气成气作用为主，成油作用为辅的是煤型（层）气 4）煤成气具明显的姥鲛烷优势）煤成气具明显的姥鲛烷优势，姥鲛烷，姥鲛烷/植烷植烷 （pr/ph ）=0.6811.6，其中绝大多数大于，其中绝大多数大于2.1， 而而、型干酪根生成原油的型干酪根生成原油的pr/ph=1.43， 为姥植均势。为姥植均势。 5）煤型（层）气的汞含量比油型气高）煤型（层）气的汞含量比油型气高，煤型气含汞，煤型气含汞8 万微克万微克/m3，油型气，油型气7千微克千微克/m3。 1 1、 煤级煤级中国煤层气甲烷碳同位素组成中国煤层气甲烷碳同位素组成

10、含煤时代含煤时代 13c1平均值，平均值， 褐煤褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤新生界下第三系新生界下第三系-63.1/1 -63.1/1 -49.2/6 -49.2/6 -43.3/2 -43.3/2 -47.7/2-47.7/2中生界侏罗白垩系中生界侏罗白垩系 -57.3/1 -57.3/1 -59.1/4 -59.1/4 -56.2/2 -56.2/2 上古生界石炭二叠系上古生界石炭二叠系-58.4/30-58.4/30-56.2/27-56.2/27焦煤焦煤 瘦煤瘦煤 贫煤贫煤 无烟煤无烟煤 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/4-41.8/4-36.7

11、/7-36.7/7 第三节第三节 煤层气煤层气 地球化学组成的地质控制地球化学组成的地质控制-32.2-30.2-32-31.9-33-32.5-32.6-31.2-35.6-30.8-35.3-35.6-59.1-56.3-61.7-61.5-50.5-35.5-38.2-70-60-50-40-30-20-100樊庄樊庄潘庄潘庄寺河寺河李雅庄李雅庄阳泉阳泉矿区沁水盆地及外围甲烷稳定同位素分布沁水盆地及外围甲烷稳定同位素分布2 2、 埋深与解吸埋深与解吸/ /扩散扩散沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤）沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤） 样品样品编号编号 组分含量组分含量/%/

12、% 同位素同位素1313c c、d() d() ch4c2h6co213c113c213cco2d1fz00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193fz01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154fz01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145hunh98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-1573 3、煤层气成分与同位素组成、煤层气成分与同位素组成 煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果 样品编号样品编号矿矿区区煤煤层层组分含量组分含量/%同位素同位

13、素1313c c 、dd1 1/ h-l-1h-l-1李李雅雅庄庄煤煤矿矿2chch4 4c c2 2h h6 6n n2 2coco2 21313c c1 11313c c2 21313c cco2co2dd1 1k-h-li-2k-h-li-294.7294.720.0220.0224.634.630.300.30-59.1-59.1 -8.7-8.7-228-228k-h-li-3k-h-li-399.3599.350.0170.017 0.380.38-56.3-56.3 -11.9-11.9-244-244k-h-li-4k-h-li-470.8770.870.0110.01128.

14、6728.670.060.06-61.7-61.7-22.4-22.4-13.6-13.6-215-215j-s-2j-s-2寺寺河河煤煤矿矿368.3568.350.0100.01030.8730.870.370.37-61.5-61.5-20.5-20.5-16.4-16.4-228-228j-s-3j-s-385.5385.530.4710.47113.5213.520.280.28-35.6-35.6-13.6-13.6-15.6-15.6-182-182j-s-4-1j-s-4-199.8599.850.0100.010 0.130.13-30.8-30.8 -9.8-9.8-197

15、-197j-s-5j-s-593.1693.160.0130.0136.726.720.020.02-35.3-35.3-12.8-12.8-12.8-12.8-171-171甲烷碳同位素（甲烷碳同位素（1313c c1 1） 煤层气煤层气1313c c1 1变化于变化于-78-78-13-13乙烷碳同位素（乙烷碳同位素（1313c c2 2） 煤层气煤层气1313c c2 2变化于变化于-25-25-12-12氢同位素（氢同位素（1 1h h） 煤层气煤层气1 1h h变化于变化于-228-228-171-171coco2 2的的1313c c 分布范围为分布范围为-17-17+28+28

16、主要集中于主要集中于-10.7 -10.7 15.8 15.8 4 4、煤的显微组分、煤的显微组分 腐泥型煤（腐泥型煤（i i、iiii型干酪根）生成湿气和液态烃型干酪根）生成湿气和液态烃 腐殖型煤（腐殖型煤（iiiiii型干酪根）则生成较干的气体。型干酪根）则生成较干的气体。 5 5、煤层气的成因、煤层气的成因 生物成因、热成因、次生作用生物成因、热成因、次生作用/ /水文地质作用水文地质作用6 6、chch4 4和和coco2 2的碳同位素交换平衡效应的碳同位素交换平衡效应242413121213cochcochcccc使煤层中的使煤层中的13 c1大幅度降低，大幅度降低，导致煤层气中导致

17、煤层气中ch4碳同素变轻碳同素变轻 第四节、煤层气的物理性质第四节、煤层气的物理性质 甲烷为无色、无味、无溴、无毒的气体，但煤储层中往往含甲烷为无色、无味、无溴、无毒的气体，但煤储层中往往含有少量其它芳香族碳氢气体，因此常常伴着一些苹果的香味，在有少量其它芳香族碳氢气体，因此常常伴着一些苹果的香味，在大气压大气压0.101325 mpa，温度，温度0c的标准状态下，每立方米重的标准状态下，每立方米重0.716 kg与空气比较，其比重约为与空气比较，其比重约为0.554比空气轻。当空气中混有比空气轻。当空气中混有5.3 16.0%浓度的甲烷，遇火即可燃烧或爆炸。浓度的甲烷，遇火即可燃烧或爆炸。甲

18、烷浓度达到甲烷浓度达到43%43%，人，人感到呼吸短促；甲烷浓度达到感到呼吸短促；甲烷浓度达到57%57%，人处于昏迷状态，甲烷浓度达，人处于昏迷状态，甲烷浓度达到到9.5%9.5%，遇明火爆炸最为猛烈。，遇明火爆炸最为猛烈。 二氧化碳为无色、无嗅、略具酸味气体，比空气重，突然喷二氧化碳为无色、无嗅、略具酸味气体，比空气重，突然喷出可使人窒息。出可使人窒息。0.071.572.271.191.520.970.554相对相对比重比重无无有有有有有有无无有有无无毒性毒性474.2%4.345.5%不爆不爆12.575%516%爆炸性爆炸性微溶微溶极易溶极易溶易溶易溶易溶易溶易溶易溶微溶微溶难溶难溶

19、水溶性水溶性无无褐褐红色红色无无无无无无无无无无色色无无有刺激有刺激味味酸味酸味硫磺味硫磺味臭味臭味略带略带酸味酸味微有微有甜甜无无味味h2no2so2h2sco2coch4气体气体煤层气的物理性质煤层气的物理性质表 2-2 煤中吸附介质分子直径、沸点和分子自由程（0， 0101325mpa） 吸附介质 ch4 h2o n2 co2 c2h6 h2s h2 分子量 16.042 18 28.013 44.010 30.070 34.070 2.016 分子直径nm 0.330.42 0.29 0.320.38 0.330.47 0.440.55 临界温度 -82.57 374.1 -126.2

20、 31.06 32.37 100.39 -239.90 临界压力mpa 4.604 21.83 3.399 7.384 4.880 9.05 1.297 平均自由程nm 53.0 74.6 83.9 沸点 -161.49 100 -195.80 -78.50 -88.60 -60.33 -252.70 动力粘度10-5pas 1.084 1.765 1.466 偏心因子 0.008 0.344 0.040 0.225 液态密度 0.425 0.998 0.777 绝对密度(15.5) 0.677 1.00 1.182 1.858 1.269 1.48 相对密度(15.5) 0.554 0.96

21、7 1.519 1.038 1.178 0.069 热值/kjm-3 37.62 不可燃 不可燃 65.90 23.73 12.07 溶解系数 m3/m3atm 0.033 0.016 0.87 0.047 2.58 临界温度临界温度 是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这一温度，气体即不能用简单升高压力的办法（不降一温度，气体即不能用简单升高压力的办法（不降低温度）使之转化为液体；低温度）使之转化为液体；临界压力临界压力 是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度时，气体凝析所需的压力。高于临界温度，无论压时

22、，气体凝析所需的压力。高于临界温度，无论压力多大，气体不会液化；高于临界压力，不管温度力多大，气体不会液化；高于临界压力，不管温度多少，液态和气态不能同时存在。多少，液态和气态不能同时存在。超临界状态超临界状态 只有当温度和压力均超过其临界温度和临界压力只有当温度和压力均超过其临界温度和临界压力 溶解度：溶解度：20、1atm下单位体积水中溶解的气体下单位体积水中溶解的气体体积称为溶解度（体积称为溶解度（m3气气/m3水），溶解度同气体压力水），溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（的比值称为溶解系数（m3/m3atm）。）。0 20 40 60 80 100 120 温度/ 溶 解 度 m3/

23、m3 3.4mpa6.8mpa10.2mpa 1.5 0.5 0 2.5 2.0 1.0 温度/ 矿化度=20mg/ml0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.503691215182124273033压力/mpa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)t=20t=40t=60t=80矿化度=100mg/ml0.00.51.01.52.02.53.003691215182124273033压力/mpa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)t=20t=40t=60t=80矿化度=200mg/ml0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.803691215182124273033压力/mpa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)t=20t=40t=60t=80矿化度=300mg/ml0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.003691215182124273033压力/mpa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)t=20t=40t=60煤中有机质微粒对甲烷溶解度有重要影响。煤中有机质微粒对甲烷溶解度有重要影响。甲烷对大气的化学及辐射特性有重要影响，从体积上，甲烷对大气的化学及辐射特性有重要影响，从体积上，其温室效应是其温室效应是co2的的2530倍。据估算，大