煤层气与常规天然气的区别

1、本章内容 2.1 煤层气的基本特征 2.2 煤层气的生成机制 2.3 煤的孔隙及煤层气赋存特征 2.4煤的吸附特征 2.5煤的孔渗特征 2.6 煤储层压力 2.7 煤层气保存地质条件,第二章 煤层气的特征及形成条件,第二章 煤层气的特征及形成条件,2.1 煤层气的基本特征 瓦斯与煤层气 煤层气(又称煤层甲烷，coalbedmethane)是一种贮存于煤层及其邻近岩层之中的以自生自储方式为主的非常规天然气。所谓非常规天然气，是对产自常规储气层(如气藏气、气顶气和石油中的溶解气)之外的天然气的总称，包括水溶气、煤层气、页岩气、致密砂岩气等。煤层气的成分以甲烷 (包括重烃)为主，其次为二氧化碳、氮(

2、N2)气等。,瓦斯是指在煤矿生产过程中，从煤层、岩层和采空区放出的有害气体的总称。 瓦斯和煤层气的基本概念相似，但并不完全相同，主要区别在于瓦斯只是煤层受采动后从煤层中逸散出来的部分煤层气，其次瓦斯成分除了来源煤层气之外，一部分瓦斯来自煤层氧化、人工呼吸、井下放炮等产生的气体。不过实际当中，人们一般将煤层气就理解为瓦斯。 对煤层气而言，煤层既是气源岩，又是储集岩。煤层气与常规天然气相比，具有明显特征 。,常规天然气的形成需要生、储、盖、圈、运、保诸条件的有利组合。煤层气属于自生自储式的非常规天然气，不存在圈闭问题；也没有发生明显的二次运移。煤层气的形成主要受煤层生气能力、储气条件(吸附和气体压

3、力)、保存条件(包括埋藏史和围岩封闭性能)的制约。,2.2 煤层气的生成 2.2.1 煤层气及生成机制 Scott(1994)依据镜质组反射率值和产烃量，将煤层气生成过程分为9个阶段，此方案反映了煤成烃量的变化过程；,戴金星等(1992)根据有机质成熟度，将煤成气(包括煤层气)的生成过程划分为3个阶段；,张新民根据煤有机质热演化程度(R)及后生变化、烃组分产量和性质，将煤层气生成划分为4个阶段：原生生物气阶段；热降解生气阶段；热裂解生气阶段； 次生生物气阶段。,张新民的分类基本反映了煤层气生成的全过程。,1原生生物气生成阶段 指泥炭至褐煤阶段，煤中有机质由微生物降解作用生成的气体，称原生生物气

4、(或称生物化学气、细菌气)。即有机质在未成熟阶段，其R0.50，有人划在R0.3。特点：煤层具备一定厚度的盖层(1500m)，温度约为50C，经过甲烷菌群的分解，发生生物化学降解作用，生成以甲烷，二氧化碳为主的气态产物。仅含有极少量重烃气，含量一般0.5(或0.2)，为干气，干燥系数(C1 C2+，)在数百以上。,由泥炭到褐煤主要为细菌分解和发酵作用，产生大量CO2，生成甲烷，其生成机制为 由于褐煤中具有吸附能力的空隙多被水分子所占据，故煤层对甲烷的吸附性差。只有煤层顶底板有厚层泥岩或致密的岩层(如油页岩)存在，对煤层气能起良好的封闭作用时，煤层中才有可能保存并储集一定数量的煤层气。,2热降解

5、气生成阶段 本阶段R为0.501.9，从长焰煤到瘦煤阶段。 特点： 温度小于250，生成大量烃类物质，并以生气为主，生油为辅，同时产出大量重烃气，含量常大于3。在气、肥、焦煤阶段，油、重烃和甲烷各自均有一次产出的高峰期。,3热裂解气生成阶段 本阶段R 1.9，或2.0，为贫煤和无烟煤初期阶段。特点：在高温(250)条件下，残余干酪根、液态烃和部分重烃裂解形成甲烷。由于甲烷自由能最小，化学性质最稳定。最终裂解产物主要是甲烷；重烃含量很低，一般2。,热降解和裂解生烃的主要机制是煤属于芳香核苯环结构，带有许多侧链基(主要为烷基)和含氧官能团、含氮、含硫等官能团。随着煤变质程度加深，芳香核苯环数量在逐

6、渐增加，排列不断有序化，而侧链基和各种官能团不断被分解、断裂，然后以烃类和非烃类气体产出。同时已生成的油和重烃气体和残余干酪根又会在高温下继续分解成甲烷。 上述演变过程中，热力学是最主要的，不断有CH4生成。由于煤本身具有很大的内表面积，有很强的吸附能力，可以将生成的部分气体吸附在煤微小颗粒的表面上，形成自产自储的煤层气藏；其余部分以游离态和溶解态运移出煤层，或者逸散或者成为常规天然气的重要气源 。,4次生生物气生成阶段 次生生物成因气是一种因后期细菌分解有机质生成的以甲烷为主的气体。 机理：深埋的煤层被抬升到地表浅部，温度降低到小于50C，含有富足单细胞杆菌群的地表水，沿裂隙向煤层渗透，在缺

7、乏硫酸盐的半咸水或淡水(低pH值) 还原环境中，使煤分解为简单的有机质，再经厌氧细菌的分解作用形成CO2和H2，CO2和H2在甲烷菌的合成作用下生成了甲烷。次生成因的生物气，也可以成为一种重要的煤层气资源。,一个地区的煤层气究竟是属于那种煤层气类型，可通过大量的碳同位素及地球化学指标的分析，结合煤变质程度进行判定。 目前的研究认为：沁水盆地南部煤层气属热裂解煤层气，沁水盆地西北部的山西霍州煤田部分地区煤层气具有次生生物气的地球化学特征;淮南新集地区煤层气成因类型为以次生生物气为主的混合型煤层气，煤层气由次生微生物成因的甲烷、热成因甲烷、大气源N2,和残留的CO2和重烃组成。,5、煤气发生率常用

8、煤气发生率或视煤气发生率来表示。所谓煤气发生率指从泥炭阶段到某一煤阶，每吨煤所生成的烃类气体的总量(体积)；视煤气发生率是指从褐煤到某一煤阶，每吨煤所生成的烃类气体的总量(体积)。煤气发生率与有机组分的性质和丰度、煤阶等因素有关。不同的煤有不同的煤气发生率(表)。煤气发生率一般是通过实验室热模拟获得，不同作者因实验条件和计算方法不同，煤气发生率有很大差别。,从热模拟试验结果证明，不同煤级的煤气发生率和煤在不同热演化阶段的气、液态烃产率是不同的(见表)。从各家所做的试验证明，产烃率是随着煤级增加和温度的升高而逐渐增高。,2.2.2 煤层气的组分及含量 煤层气(煤矿井中又称瓦斯)组分包括甲烷，含量

9、在66.5599.98，一般为8593；二氧化碳，含量035.58，一般2；氮气含量变化极大，但一般10。重烃气包括乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，含量随煤级不同而变化，褐煤中几乎为零，气煤、肥煤、焦煤含量最高，平均为1.014.10；氢气、 氧化碳、二氧化硫及硫化氢等气体，一般含量很少，但危害很大；氦、氖、氩A r、氪Ke、氙等稀有气体，含量甚微。 从上述看出，煤层气（瓦斯）成分较为复杂。其中甲烷（沼气）是煤层气（瓦斯）的主体成分。,2.2.3、煤层气（瓦斯）的主要性质1、甲烷(沼气)CH4 为无色、无嗅、无味的可燃气体；比重0.554，比空气轻；微溶于水，具强扩散性；遇火源时有燃烧和爆炸性，但不助燃；空气中甲烷含量达到一定浓度超过 40时，可使人窒息。,2二氧化碳C02 二氧化碳无色，略有嗅，略具酸味；比重1.52，比空气重；不自燃，也不助燃；易溶了水。一般瓦斯中CO2含量不大于0.10.4。二氧化碳为微毒惰性气体空气中CO2达5，就会使人呼吸困难；超过20，可使人窒息。,3一氧化碳CO 一氧化碳为无色、无嗅、无味气体，比重0.97。瓦斯中CO极少，只占千分之几,但它为剧毒气体，一氧化碳与人体血红蛋白结合，可造成人体组织和细胞严重缺氧而中毒死亡。 当空气中一氧化碳达0.048时，20一30分钟可使人致命；达1