矿大煤层气地质学2、煤层气的物质组成与性质

1、第二章 煤层气 的物质组成与性质,第一节 煤层气的形成 第二节 煤层气的化学组分 第三节 煤层气地球化学组成 和变化的地质控制 第四节 煤层气的物理性质,第一节 煤层气的形成 一、三个基本概念,1、煤层气 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层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。 2、瓦斯 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的各种气体的总称。,生物质结构,煤的结构,3、煤型气 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、吸附状态和溶解状

2、态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，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。,三、主要生气阶段和产率 （1）褐煤至长焰煤阶段 生气38168m3/t，CO2占7292%， 烃类20%以甲烷为主，重烃气4% （2）长焰煤至焦煤阶段 生气168270m3/t，烃类气体迅速增加，占7080%， CO2下降至10%左右。烃类气体以CH4为主，重烃可 占1020%，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 生气270422m3/t，烃类气体占70%，其中CH4占绝对 优势(9799%)，几乎没有重烃。 ,四、煤层气的成因 1、生物降解煤层气

3、 泥炭褐煤阶段 Ro,max0.5% 2、热解型煤层气 褐煤瘦煤阶段 Ro,max介于0.52.0% 3、裂解型煤层气 瘦煤阶段三号无烟煤 2.0%Ro,max3.7% 4、次生生物成因煤层气 0.3%Ro,max1.5%,波兰上西里西亚盆地和卢布林盆地,第二节 煤层气的化学组分,一、煤层气的化学组成 1、烃类气体 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。 干气（贫气）：CH495% 或 C2+% 5% C1/ C1 5值大于99%，为特别干的气体， 95%99%为干气， 85%95%为湿气， 小于85%，为特别湿的气体。,中国煤层甲烷平均浓度区域分布示意图,95 9095 8590 8085,组分浓

4、度随解吸过程发生变化： 分阶段解吸：四大阶段，密集取样 系统测试：组分(常规/稀有)，同位素(C/H/O/N/Ar) 变化规律隐含成因信息,HP5889色谱仪,2、非烃类气体 有氮气、二氧化碳、 一氧化碳、硫化氢、氢 及微量的惰性气体。 二、控制煤层气成分的主要因素 1、煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度； 2、储层压力，它影响煤的吸附能力； 3、煤化作用程度，即煤阶/煤级； 4、煤层气解吸阶段 5、水文地质条件,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 1、煤层甲烷稳定碳同位素分布,煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布（据叶建平等，1998）,2、煤层气的鉴别标志,1）相同成熟度

5、 Ro,max=0.502.5% 13C1-43是煤型气， 13C1 -43%-55是油型气。 2）煤型（层）气比油型气的甲烷同系物的同位素重 煤型气：13C2 -25.1, 13C3-23.2 混合气： -25.1 13C2 -28.8 -23.2 13C3 -25.5 油型气：13C2 -28.8, 13C3 -25.5,3）煤化作用早、中期（ Ro,max =0.51.3%）以 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，姥鲛烷/植烷 （Pr/Ph ）=0.6811.6，其中绝大多数大于2.1， 而、型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43， 为姥植均势。 5

6、）煤型（层）气的汞含量比油型气高，煤型气含汞8 万微克/m3，油型气7千微克/m3。,1、 煤级 中国煤层气甲烷碳同位素组成,第三节 煤层气 地球化学组成的地质控制,沁水盆地及外围甲烷稳定同位素分布,2、 埋深与解吸/扩散,沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤）,3、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,甲烷碳同位素（13C1） 煤层气13C1变化于-78-13 乙烷碳同位素（13C2） 煤层气13C2变化于-25-12 氢同位素（1H） 煤层气1H变化于-228-171 CO2的13C 分布范围为-17+28 主要集中于-10.7 15.8 ,与解吸阶段的关系： 单体碳同

7、位素关系随解吸进程变化，用于判断气成因需谨慎。 无烟煤阶段仍有较高浓度重烃存于煤极微孔和死孔，指示煤中封闭性有机孔隙对烃类具有“保护”作用。 较高微环境压力阻碍裂解反应，封闭空间阻隔外界物质交换。,4、煤的显微组分 腐泥型煤（I、II型干酪根）生成湿气和液态烃 腐殖型煤（III型干酪根）则生成较干的气体。 5、煤层气的成因 生物成因、热成因、次生作用/水文地质作用 6、CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应,使煤层中的13 C1大幅度降低， 导致煤层气中CH4碳同素变轻,第四节、煤层气的物理性质,甲烷为无色、无味、无嗅、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

8、香味，在大气压0.101325 MPa，温度0C的标准状态下，每立方米重0.716 Kg与空气比较，其比重约为0.554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。甲烷浓度达到43%，人感到呼吸短促；甲烷浓度达到57%，人处于昏迷状态，甲烷浓度达到9.5%，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，突然喷出可使人窒息。,临界温度 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（不降低温度）使之转化为液体； 临界压力 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，无论压力多大，

9、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。 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,溶解度：20、1atm下单位体积水中溶解的气体体积称为溶解度（m3气/m3水），溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（m3/m3atm）。,图2 甲烷在水中的溶解机理,(a)间隙填充,(b) 水合作用,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，其温室效应是CO2的2530倍。据估算，大气中甲烷浓度每增加1 ppm，可导致地球表面温度增加1（Donner，1980）。 大气中的CH4可与-OH、O3、H2O、HOx、H2、Cl2及其它成分发生一系列化学反应，从而影响大气中的H2O和O3的浓度及大气中总体氧化能力。大气中其它气体，如CH3Cl、CH3Br、CHClF3、CH2Cl2和SO2等含量，都直接或间接地受CH4和-OH浓度的影响。所有这些气体都影响大气的物理性质，增加的CH4温室效应。,第四节 煤层气对环境的影响,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CO2的2530倍。据估算，大气中甲烷浓度每增加1 ppm，可导致地球表面温度增加1（Donner，1980）。 大气中的CH4可与-OH、O3、H2O、HOx、