第二章-煤层气的物质组成、性质和利用分析.ppt
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第二章第二章 煤层气的物质组成、性质和应用煤层气的物质组成、性质和应用•本章主要内容：本章主要内容：•第一节第一节 煤层气的形成煤层气的形成•第二节第二节 煤层气的化学成分煤层气的化学成分•第三节第三节 煤层气的地球化学热证和变化的地质控制煤层气的地球化学热证和变化的地质控制•第四节第四节 煤层气的物理性质煤层气的物理性质•第五节第五节 煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响•第六节第六节 煤层气的利用煤层气的利用煤层气地质学煤层气地质学 三个基本概念三个基本概念 煤层气煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤层基质颗粒表面并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体其主要成分以甲烷为主，故常称为煤层甲烷 煤层气与煤型气和瓦斯在词义上有明显差别 煤型气煤型气是指煤系中煤和分散的有机质在成岩和煤化作用过程中形成天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其他岩层内，其成分大多以甲烷为主，也可以以氮气、二氧化碳或重烃为主其中赋存在煤层中、成分以甲烷为主的煤型气，成为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气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（层）气、采空区的煤型气和采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。
第一节第一节 煤层气的形成煤层气的形成 煤层气的成因：煤层气的成因：植物体埋藏后，经过微生物的生物化学作用转化为泥炭（泥炭化作用阶段），泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化（煤化作用阶段）在成煤作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发分含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也产生了以甲烷为主的气体成分 •成煤作用经历两个过程，即生物成因过程和热成因过程生物成因过程和热成因过程，生成的气体成分别称为生物成因气和热生物成因气和热成因气表2-1）表2-1 生物成因和热成因煤层气产生阶段最 •一、生物成因气，一、生物成因气，是有机质在微生物降解作用下的产物，是指在相对低的温度（一般小于50℃）条件下，通过细菌的参与与作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其他成分的气体 生物成因气的生成有两种机制：生物成因气的生成有两种机制： ① 二氧化碳的还原作用产生甲烷 ; ②醋酸、甲醇、甲胺等经发酵作用转化成甲烷。
尽管两种作用都在地表环境中进行，但根据组分研究大部分古代剧集的生物气可能大部分来自于二氧化碳的还原作用煤层气中生成大量的生物成因气的有利条件是：煤层气中生成大量的生物成因气的有利条件是： 大量有机质的快速沉淀； 充裕的孔隙空间； 低温、高pH的缺氧环境 生物成因气的两种类型：生物成因气的两种类型： 按照生气时间、母质以及地质条件的不同生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型，两者在成因上没有本质差别1. 原生生物成因气：原生生物成因气：在成煤作用阶段早期泥炭沼泽环境中的未变质煤（泥炭~褐煤）经微生物作用使有机质发生一系列复杂过程所生成的气体，又称之为早期生物成因 由泥炭至褐煤阶段，可以生成生物气量约为38m³/t（A.И.Кравдов，1984）其生成气量约占200℃以下煤层气总生成量的10%（C.T.Rightmire et al.1984）由于原生生物气常形成于地表或地下浅处，因而形成的气体极易扩散到大气中或溶解于水体中，加之泥炭或低变质煤对气体的吸附作用较弱，故仅有少量气体聚集在煤层内 对于原生生物成因气和热成因气的形成阶段，不同学者的划分方案不尽相同A.R.Scott et al.（1994）以Ro<0.3%为原生生物气的界限值，而热成气开始生成的Ro临界值定位0.50%（表2-1）；I.Palmer et al.则将（原生）生物气和热成气因气的Ro临界值定为0.5%（秦勇等译，1996）。
D.D.Rice(1993)则认为热成因气的形成始于0.6%左右之所以出现这种差异是因为传统的天然气成因理论认为，生物成因气一般形成于Ro值为0.3%以前而热成因气则形成于Ro值在0.6%~0.7之后，即生气母质在Ro值0.3%~0.6%的热演化阶段不生气（表2-1即是这种观点的体现）但近若干年来的研究表明，生气母质在Ro值为0.3%~0.6%阶段仍然生气且可形成相当规模的气田（目前形成的多位煤型气田），这一所生成的气体称为生物热催化过渡带气（徐永昌，1994）即是说，有机质生气是一个连续的过程，煤层气也应如此 •2. 次生生物成因气：次生生物成因气：煤系地层在后期被构造作用抬升并剥蚀到近地表，细菌通过流动水（多为大气降水）可运移到煤层水中，在低、中煤阶煤中当温度、盐度等环境条件又适宜微生物生存时，在相对的低温下（一般小于50 oC）细菌通过降解和代谢作用将煤层中已形成的湿气、正烷烃和其他有机化合物转变成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成次生生物成因气因气 • 次生生物气的形成时代一般较晚（几万至几百万年前），煤层中存留的生物成因气大部分属于次生生物成因气次生生物成因气的生成和保存需以下条件：煤级为褐煤~焦煤，煤层所在区域发生过隆起（抬升）作用；煤层有适宜的渗透性；沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中；有细菌运移到煤层中；煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件（Law，1993，Scott，1994）。
•二、热成因气：二、热成因气：在温度（>50℃）和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化学变化，煤中大量富含氢和氧的挥发分物质主要以甲烷、二氧化碳和水的形式释放出来在较高温度下,有机酸的脱羧基作用也可以生成甲烷和二氧化碳（Ayers，1994） • 随着褐煤层埋藏深度的增加，温度的上升，煤的变质程度不断提高，生成了大量的甲烷和其他气体这一变质过程导致了有机质不断脱氧、脱氢、富碳这一变质过程导致了有机质不断脱氧、脱氢、富碳生成的气体类型取决于煤的变质程度（图2-1）Mesusner（1984）认为：当R0,max 大于0.73％（Ro,max 为镜质体最大反射率）、可燃基挥发份含量大于37.8％时，热成因煤层气开始大量生成Law（1985）则认为热成因煤层气开始大量生成时的温度为88~93℃，Ro,max=0.80％；C.T.Rightmire（1984）认为：当Ro,max 为0.60％，挥发份为40.24％，即相当于高挥发份烟煤C 时（相当于我国的褐煤~长焰煤阶段），热成因煤层气开始生成，其生成高峰在150℃左右，相当于中挥发份烟煤、低挥发份烟煤、半无烟煤交界处（相当于我国的焦煤~贫煤阶段）。
因此因此，，张新民（张新民（1991）等参考天然气的成因分）等参考天然气的成因分类，以类，以Ro,max =1.90%为界，划分为界，划分0.50%
形成热成因甲烷大致分三个阶段： ①褐煤至长焰煤阶段——生成的气量多，成分以CO2 为主，（占72~92%），烃类＜20%且以甲烷为主，重烃气＜4% ②长焰煤至焦煤阶段——烃类气体迅速增加，占70~80%，CO2 下降至10%左右烃类气体以CH4 为主，但含较多的重烃，至肥、焦煤时重烃可占10~20%，该阶段是主要的生油阶段， 如果煤中壳质组含量多，则油和湿气含量也多 ③瘦煤至无烟煤阶段：烃类气体占70%，其中CH4 占绝对优势（97~99%），几乎没有重烃 煤类产气量m3/t褐煤38~68长焰煤138~168气煤182~212肥煤199~230 焦煤240~270瘦煤257~287贫煤295~330无烟煤346~422 煤阶和有机质性煤阶和有机质性质的不同，其产气质的不同，其产气量差异很大煤阶量差异很大煤阶高，产生的煤型气高，产生的煤型气就多据前苏联就多据前苏联 （（Κрαвдов ,1983）的报道，不）的报道，不同煤类的的产气量同煤类的的产气量如表：如表： •不同的显微组分对成气的贡献不同，王少昌等对低阶煤显微组分的热模拟实验结果表明：壳质组、镜质组、惰质组最终成烃效率比约为3∶1∶0.8；傅家谟等（1990）认为在相同条件下，惰质组产气效率最低，镜质组产气率是惰质组的4.3倍，壳质组产气率为惰质组的11倍并产出较多的液态烃。
•综合来说，各种类型的煤层气大致可以做如下总结：综合来说，各种类型的煤层气大致可以做如下总结：•1、生物降解煤层气 泥炭~褐煤阶段 Ro,max<0.5% •2、热解型煤层气 褐煤~瘦煤阶段 Ro,max介于0.5~2.0%•3、裂解型煤层气 瘦煤阶段~二号无烟煤 2.0% 同一煤阶，烃类气体随埋藏深度的增大而增加2. 非烃类气体：非烃类气体：含量通常小于20％，其中氮气约占三分之二，二氧化碳约占三分之一 还有少量一氧化碳、硫化氢、氢及微量的惰性气体 •控制煤层气成分的主要因素有：控制煤层气成分的主要因素有： 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）水文地质条件，它通过输送细菌及生物成因的气体而影响煤层气的成分 • A.R.Scott 对产自美国1380 多口煤层气井的985 个气样的分析结果表明：煤层气的平均气成分为：甲烷占93.2%，重烃占2.6%，二氧化碳占3.1%，氮气占1.1%Rice（1993）过对采自晚石炭世宾夕法尼亚组到第三纪煤层中气体样品（气样直接采自矿井、煤样解吸气和地面开采的煤层气；煤级从褐煤到无烟煤，Ro=0.3%~4.9%；含气煤层的深度从121.91m 的矿井到4419.38m 的钻孔）研究认为：世界各地煤层气的组分差异很大，甲烷和其它类组分通常是煤层气的主要组分，并含少量CO2 和N2气体中烃的组成，用气体湿度（C2即乙烷及其以上重烃百分含量）来表示，湿度值介于0~70.5%之间。 •二、煤层甲烷的同位素特征（二、煤层甲烷的同位素特征（国内宋岩、秦胜飞研究较多））•1. 煤层甲烷稳定碳同位素分布• B.E.Law（1993）研究认为世界各地煤层气的同位素组成差异较大，甲烷的δ13 C1值分布范围很宽，介于-80‰至-16.8‰之间；乙烷δ13 C2 的值介于-3.29%~-2.28%之间；甲烷的δD 值分布在-33.3%~-11.7%之间；二氧化碳的δ13 C1 值从-2.66%到+18.6%从煤样中解吸出的甲烷的δ13 C1 值比开采气或自由（游离）气体中甲烷的δ13 C1 值高出几个千分点（Law，1993）这是因为在解吸作用过程中，发生同位素分馏作用，δ13 C1优先被解吸出来 •天然物质的碳同位素组成由13C/12C比值确定的δ(13C)表示，以美国南卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组拟箭石化石(简称PDB)作为标准品 • 我国测试资料表明，煤层气δ13 C1 变化于-78‰~-13‰之间，分布范围广，同位素组成总体上偏轻，而且不同地区、不同地质时代和不同煤级煤中的•δ13 C1 分布特征也有所不同• 就地区而言，华北煤层气δ13 C1为-78‰~-28‰，东北煤层气δ13 C1为-68‰~-49‰，华南煤层气δ13 C1为-68‰~-25‰ （图2-2）。 显然，我国煤层气的δ13 C1地域分布总体上体现出不同地质时代构造背景下煤中有机质生烃演化的特点华北和华南的煤层主要形成于晚古生代，经历了多阶段的构造演化，煤化作用的地质背景较为复杂，煤级跨度大，生气历程长， δ13 C1 变化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低，δ13 C1分布较为集中 图2-2 我国煤层甲烷稳定碳同位素分布 •就地区而言，华北煤层气δ13 C1为-78‰~-28‰，东北煤层气δ13 C1为-68‰~-49‰，华南煤层气δ13 C1为-68‰~-25‰ （图2-2）显然，我国煤层气的δ13 C1地域分布总体上体现出不同地质时代构造背景下煤中有机质生烃演化的特点华北和华南的煤层主要形成于晚古生代，经历了多阶段的构造演化，煤化作用的地质背景较为复杂，煤级跨度大，生气历程长， δ13 C1 变化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低，δ13 C1分布较为集中 • 就全国来看，煤层气δ13 C1 与煤级之间的关系尽管离散性较大，但规律性仍然相当明显（图2-3）δ13 C1 随镜质组最大反射率增高变重，但二者之间的这种正相关关系并非是线性的。 当镜质组最大反射率小于2. 0%时，δ13 C1，变重的速率较快，由轻于-65‰（反射率0. 3%左右）增至轻于-25‰（反射率2. 0%左右），此后直到镜质组最大反射率4.0%附近，δ13 C1 仍轻于-20‰换言之，只有在进人无烟煤阶段之后，煤层气的δ13 C1 才开始接近或落人腐殖型常规天然气δ13 C1的分布范畴（>-35‰） 图2-3我国煤层甲烷稳定碳同位素分布与煤阶之间的关系（据叶建平等，1998） 图2-4 不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤阶之间的关系（据叶建平1998） 进一步分析特定地区煤层气稳定碳同位素的演化趋势发现，不仅δ13 C1与镜质组反射率之间的离散性显著减小，而且存在着有别于全国性趋势的区域规律华北和华南煤层气δ13 C1 与全国性规律一致，随煤级增高而变重，且在进人无烟煤阶段后离散性明显变小（图2-4a，图2-4b）东北煤层气δ13 C1的演化却与此相反，煤级增高，δ13 C1 变轻（图2-4c ） 腐殖型常规天然气δ13 C1与镜质组反射率之间呈对数线性相关关系，华北、华南和全国δ13 C1 与煤级之间的相关趋势与此一致，东北与此相反，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要控制因素。 • D.D.Rice et al.（1993）总结美国和加拿大煤层甲烷同位素资料得出甲烷的稳定碳同位素δ13 C1值与煤级有很好的相关关系一般低煤级煤的δ13 C1值小，煤阶增加δ13 C1 值变大但是同一煤阶δ13 C1具有很大的变化范围（图2-5）• 此外，δ13 C1与现今的埋深有较好的对应系，在煤级一定的情况下，浅部煤层甲烷由轻同位素组成，深部煤层甲烷则由重同位素组成 图2-5 煤层气δ13 C1与Ro，max %的关系（据D.D.Rice et al，1993） 图例○——粉河盆地□——阿科马盆地（美国）·●——黑勇士盆地（美国）×——皮森斯盆地（美国）＋——圣胡安盆地（美国）■——深盆地，阿乐伯达（加拿大）Ro，max % 2. 煤层气的鉴别标志煤层气的鉴别标志1）相同成熟度煤层气的甲烷同位素比油型气偏重 Ro,max=0.50~2.5%之间，δ13C1 ＞-43‰是煤层气， - 43%～-55‰≤δ13C1 ≤30‰是油型气 2）煤层气比油型气的甲烷同系物的同位素重 煤层气： δ13C2 ＞-25.1‰, δ13C3 ＞-23.2‰； 油型气：δ13C2 ＜-28.8‰, δ13C3 ＜-25.5‰； -25.1 ‰ ＜ δ13C2 ＞-28.8‰和 -23.2 ‰ ＜ δ13C3 ＞-25.5 ‰，在二者区间内，大部分为煤层气，但也包括部分混合气。 3）煤化作用早、中（ Ro,max=0.5~1.3%）以成气作用为主，成油作用为辅的是煤层气4）煤成油具明显的姥鲛烷优势，姥鲛烷/植烷（Pr/Ph ）=0.68~11.6，其中绝大多数大于2.1，而Ⅰ、Ⅱ型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43，煤层气为姥植均势 5）煤层气的汞含量比油型气高，煤型气含汞80mg/m³，油型气7mg/m³ •不同成因的煤层甲烷其碳同位素不同，可以用甲烷同位素来区分煤层甲烷的成因通常生物成因甲烷δ13 C1值为-55‰~-90‰；而热成因甲烷的•δ13 C1值一般>-50‰（图2-6）图2-6 煤层气中甲烷和二氧化碳的同位素特征 δ13 C1（PDB) 第三节第三节 煤层气地球化学组成的地质控制煤层气地球化学组成的地质控制• 世界各地煤层气组分和同位素组成差异很大，煤层气组成主要受煤岩组分（母质）、煤级、生气过程、埋深及煤岩组分（母质）、煤级、生气过程、埋深及相应的温压条件等因素相应的温压条件等因素的影响此外，水动力条件和次生作用（如混合、氧化作用）等也影响煤层气的地球化学组成 •一、煤岩组分 煤岩组分是煤的基本成分，是煤层气的生气母质，所以是影响煤层气组成的首要因素。 大多数煤归类为腐殖型干酪根，其煤岩组分以镜质组为主，并含有少量的壳质组和惰性组壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力（赵师庆，1991）有机岩石学和地球化学最新研究已证明：镜质组和III型干酪根的热演化途径一致，主要生成甲烷和其它气体，镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃（赵师庆，1991；姚素娟，1996）；惰性组的产气量比相同煤级的壳质组和镜质组低三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性组最低（傅家谟，1990） 在中等变质煤（高挥发份烟煤至中挥发份烟煤）中，腐泥型煤（I、II型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组）能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤（III型干酪根，主要含镜质组）则生成较干的气体对于高变质煤，煤层气主要成分是甲烷，由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成一般地说，含富氧干酪根的煤（镜质组为主）生成的煤层气和含富氢干酪根的煤（壳质组和富氢镜质组为主）生成的煤层气相比，在成熟度相同的条件下，前者比后者δ13 C1值较大，而前者甲烷和乙烷的δ13 C1值的分布范围比后者窄这是因为脂肪族烃热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢干酪根的煤层生成的气体中占优势，芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位（Law，1993）。 三、 煤层气成因 如前所述，煤层气成因有生物成因和热成因两个过程由于生物成因气和热成因气在形成时间、生成温压、母质和生气机理（有无细菌活动等）等方面的差异所以这两个过程所生成的煤层气组成也有较大差异 •二、煤化程度对气体生成的影响二、煤化程度对气体生成的影响 煤化程度是控制气体生成量和组分的重要因素，同时也影响着煤层气的同位素形成一般而言，煤变质程度越高，生成的气体量也越多低变质煤 （亚煤~中挥发分烟煤）生成的热成因气以二氧化碳为主，而高变质煤（低挥发分烟煤以及以上煤阶煤）生成的气体主要成分是甲烷 ； 中国、澳大利亚、美国等地煤层气的研究表明：煤层气中的甲烷的δ13 C1 值和煤阶有一定关系通常，低变质程度煤生成的煤层气中的甲烷的δ13 C1值较小，高变质煤生成的煤层气中的δ13 C1值较大 对于未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，相应煤层气中的甲烷富集氘和13C（B.E.Law，1993） 生物成因煤层气特点： 通常由于生物体对12C的富集，所以生物成因气的δ13 C1值比较小，甲烷的δ13 C1值一般介于-55‰~-90‰之间，甚至更轻。 生物成因气通过二氧化碳还原作用和有机酸发酵作用而生成，这两种不同的生气机制所生成的生物气的同位素也有明显差异通常，由二氧化碳还原作用生成的甲烷同位素较轻 •热成因煤层气特征： ① 重烃一般出现在高中挥发份烟煤及煤化程度更高的煤中； ② 随着煤化程度的提高，重同位素13C 在甲烷和乙烷中富集（甲烷δ13 C1 值大于-55‰），这是因为在热成因成气过程中，随着煤化程度的提高，气体分子中的12C-12C 键比12C-13C 键更频繁地断开，致使残留气体中富集13C，所以热成因气体的δ13 C1值随之增大； ③ 随着煤化程度的提高，甲烷也相对富集氘（B.E.Law，1993） 四、四、 煤层埋深对煤层气的影响煤层埋深对煤层气的影响 煤层埋藏深度和煤层气甲烷δ13 C1 值有一定关系一般来说，随煤层埋藏深度的增加，煤层甲烷的δ13 C1 值呈增大的趋势，与深层煤层气相比，浅层煤层气为较干气体且所含甲烷的δ13 C1 值低从世界各地的资料看，在煤阶相同或相近的情况下，δ13 C1 值较小的煤层气的赋存深度一般也较浅，随着煤层埋藏深度的增加，煤层气的组分也发生着变化。 华北聚气期煤层气碳同位素与煤层埋深之间的相关关系图 Ⅰ解吸带 Ⅱ过渡带 Ⅲ原声带 五、煤层气的解吸和扩散 煤层后期抬升，煤储层压力场发生变化，煤层气出现解吸和扩散结构简单、分子量小、质量轻的甲烷比结构复杂、分子量大且较重的重烃气容易解吸且速度快在同为甲烷分子中，12C1由于极性弱，比重的和极性强的13C1容易解吸且速度快因此，煤层埋藏深度的增加，煤层甲烷的δ13 C1值亦呈增大趋势 六、煤层气的次生作用 煤层气的次生作用，是指对早期已生成气体的改造作用主要是生物成因气和热成因气的混合和湿气组分的氧化作用次生作用影响煤层气的组成尤其是对应于浅层煤层气而言更是如此 在浅部，煤层通常为细菌繁盛的含水层细菌影响煤层气的组成的方式有三种：①厌氧菌活动导致大量生物成因气的生成并和以前生成的热成因气混合，这种混合作用可以解释某些地区浅层煤层气组分的变化（B.E.Law，1993）②喜氧菌能够优先和湿气组分起作用，使湿气大部分受到破坏，从而使残留湿气组分的δ13 C1 值也比预期的要高这种细菌对湿气组分的改造也可用来解释煤层气组分的变化；③喜氧菌的活动造成甲烷的氧化和消耗，使残留甲烷的δ13 C1 和δD 值增大 （B.E.Law，1993）。 七、水文地质条件对煤层气的影响 有些地区水动力条件对煤层气组成的影响十分明显，如美国圣胡安盆地，盆地北部超高压区煤层气为富二氧化碳干气，南部低压区煤层气则为贫二氧化碳湿气（A.R.Scott，1993）在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，大气降水进入可渗透煤层中，细菌随流水也一起迁移到煤层中，在细菌的降解和自身代谢活动作用下生成了次生生物成因气他是煤层气的一个补充来源并有可能使煤层气井形成异常高的气体产量 八 、甲烷和二氧化碳的同位素交换平衡效应 煤在成烃过程中形成的煤层中的甲烷和二氧化碳的含量均较多甲烷和二氧化碳的碳同位素交换平衡效应使煤层气中的13C1大幅降低，导致煤层气中的甲烷碳同位素变轻其反应如下： 13CH4 + 12CO2→ 12CH4+13CO2 甲烷和二氧化碳同位素交换平衡效应使δ13C1变轻的作用，发生在煤层气形成后期，因为此时煤层气中甲烷和二氧化碳含量均较高，而后期二氧化碳被大量溶解，甲烷含量占绝对优势而二氧化碳含量很低，交换平衡对δ13C1变轻作用影响不大 第四节第四节 煤层气的物理性质煤层气的物理性质 煤层气的成分以甲烷为主，含量一般在80%以上，重烃含量一般比较低，还有少量氮气、二氧化碳、氢气、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢以及氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体及有害气体。 一、煤层气分子的大小和分子量 煤层气分子的大小介于0.32~0.55nm之间，多为近似值（表2-2）分子的偏心度或非均匀质度即偏心因子，甲烷最小（只有0.008），分子平均自由程（气体分子运动过程中与其他分子两次碰撞之间的距离）约为其分子平均直径的200倍其分子量自由组成煤层气的各种分子的百分含量累加而成，称为表观分子量 表2-2 煤中吸附介质分子直径、沸点和分子自由程（0℃，0.101325MPa） 二、煤层气的密度标准状态下（1 atm，15.55 ℃)单位体积煤层气的质量，单位为kg/m³煤层气在地下的密度随分子量和压力增大而增大、随温度升高而减小 煤层气的相对密度是指同温、同压条件下1atm,15.55℃)煤层气密度与空气密度的比值 三、煤层气的黏度 黏度是指流体运动时其内部质点沿接触面相对运动、产生内摩擦力以阻抗流体变形的性质常用动力黏度系数即流体内摩擦切应力与切应变率的比值来表示，单位泊（P）煤层气的黏度很小，在地表常压、20℃时，甲烷的动力黏度系数为1.08×10-5 MPa·s表示黏度的参数还有运动黏度系数（动力黏度与密度的比值，单位cm²／s）和相对黏度（液体的绝对黏度系数与水的绝对黏度系数的比值）。 煤层气的黏度与气体组成、温度、压力等条件有关，在正常压力下黏度随温度升高而变大，这与分子运动加速，气体分子碰撞次数增加有关，而随分子量增大而变小在较高的压力下，煤层气的黏度随压力增加而增长、随温度升高而减小、随分子量的增大而增大 四、煤层气的临界点包括临界温度、临界压力 临界温度，是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这一温度气体既不能用简单的升压的办法使之液化 临界压力，是指气液两相共存的最高压力高于临界温度，无论压力多大气体均不会被液化高于临界压力，不管温度多少液态和气态亦不能同时存在只有当温度压力均超过临界温度和临界压力时，才称为超临界状态 地层条件下，煤层甲烷超临界吸附现象是存在的但只有当煤层甲烷压力超过4.06MPa才真正出现超临界流体实际上，在我国煤矿瓦斯实测压力中超过此压力的矿井是比较少的但对于原位且处于封闭系统的煤储层而言，储层中水压等于气压，只要煤层埋深超过500m煤层甲烷就可能成为超临界流体 对于甲烷和氮气，任一埋深储层温度均高于临界温度，无论压力多大，均不会液化 对于二氧化碳当储层温度低于31.1℃时，对于乙烷当储层温度低于32.4℃而储层压力高于液化压力时，二者均可呈液态形式存在。 储层中二氧化碳和乙烷液化形态存在条件: 按照正常地温梯度３℃/100m、正常储层压力梯度0.98MPa/100m，设恒温层深度为20m、温度为10℃，则埋深500m左右时储层温度约为25℃，储层压力为4.9MPa，此时二者均低于临界温度和压力，二氧化碳和乙烷均以气态形式存在；当埋深达到800m时储层温度为34℃，高于临界温度，二氧化碳和乙烷仍为气态但当二氧化碳压力大于7.38MPa、乙烷压力大于4.98MPa时，二氧化碳和乙烷有可能成为超临界流体；只有在500~800m范围内的局部层段（封闭体系），储层温度低于临界温度、储层压力高于液化压力时，二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在 上面所述临界温度和临界压力时对单一气体组分而言的在自然条件下，煤层气通常是多种组分气体的混合物混合气体的临界温度高于最低沸点组分的临界温度、低于最高沸点的临界温度，等于组成混合气体的各个组分的绝对临界温度与相应的分子浓度的乘积之和相应地也可以计算出混合气体的临界压力这种计算出来的临界温度和临界压力叫做混合气体的拟临界温度和拟临界压力 五、 煤层气的溶解度 煤层气能不同程度地溶解于煤储层的地下水中，不通气体溶解度差别很大。 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/m3·atm） 1、甲烷溶解度随压力的增加而增加； 2、温度对溶解度的影响较复杂，温度＜80℃时，随温度升高溶解度降低；＞80℃时，溶解度随温度升高而增加； 3、甲烷溶解度随矿化度的增加而减少 所以在高温高压的地下水中溶解气明显增加 图2-8 甲烷在水中的溶解度与温度的关系10.2MPa6.8MPa3.4MPa 图2-9不同温度不同矿化度条件下的甲烷溶解度与压力的关系 六、 主要气体组分的性质 甲烷为无色、无味、无臭、无毒气体（表2-3)，但煤储层中往往含有少量其他芳香族碳氢气体，因此常常伴有一些苹果香味在大气压力为0.101325MPa，温度为0℃的标准状态下，甲烷的分子量为16.043，分子大小约为0.33~0.42nm；其密度为0.677kg/m³，相对密度为0.554（比空气轻），当空气中混有5.3%~16.0%浓度的甲烷时遇火即可燃烧或爆炸；动力粘度系数为1.084×10-5Pa·s；临界温度为 －82.57，临界压力4.604MPa；热值约为37.62KJ/m³。 氮气是一种无色无臭无味的气体，微溶于水，0℃时1L水仅能溶解0.023ml氮气在1atm，15.55℃，其密度为1.182kg/m³，相对密度为0.967 二氧化碳为无色无臭略具酸味的气体在大气压力为0.101325MPa、温度为0℃的标准状态下，二氧化碳的分子量为44.010，分子大小约为0.33~0.47nm；密度为1.858kg/m³，相对密度1.519（比空气重），突然喷出可使人窒息，其动力粘度系数为1.466×10-5Pa·s；其临界温度为31.06℃、临界压力为7.384MPa 表2-3 煤层气成分的物理性质 第五节第五节 煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响 甲烷是大气中主要的温室气体之一，对红外线的吸收能力很强根据对包裹在冰核中气泡的气体成分的研究，过去200~300年来，大气中甲烷浓度已增加一倍，从工业革命以来的0.6ppm~0.7ppm增至现在的1.7ppm（S.C.Tyler，1991） 甲烷对大气的化学特性和辐射特性有重要影响，在体积上其温室效应是二氧化碳的20多倍据估算，大气中甲烷浓度每增加1mg/m³，可导致地球表面温度增加1℃。 大气中的甲烷可以与-OH、O3、H2O、HOx、H2、Cl2及其他成分发生一系列化学反应，从而影响大气中的H2O和O3浓度以及大气的总体氧化能力大气中其他气体，如CH3Cl、CH3Br、CHF3、CH2Cl2和SO2等含量，都直接或间接地受甲烷和-OH浓度影响所有这些气体都影响大气的物理性质，并增加CH4的温室效应 第六节第六节 煤层气的利用煤层气的利用 甲烷的临界温度为-82.57℃，这就是说，只要温度比-82.57℃高，不管将压力增加到多大，都不可能使甲烷变成液体；当温度等于-82.57℃，压力升高到4.6MPa时，甲烷才开始变为液体这意味着在一般温度条件（即大气温度）下，是不可能将甲烷液化的因此，在常温下煤层气不能用作液化天然气（LNG）工业的原料，但却是优质的压缩天然气（CNG）工业的原料低温条件下天然气的液化（LNG）是一项重大的先进技术，液化后的体积只有同量气态天然气的1/625，从而极大地方便了煤层气的储存、运输和使用，已被许多国家和地区广泛采用 煤层甲烷的最佳利用方案随地区不同而变化，取决于气体的数量和质量以及当地的能源市场总之，煤层气的就地使用非常适合我国的国情。 目前，统一的管道基础设施的缺乏制约了煤层气的大规模利用 煤层气作为一种洁净能源代替褐煤、硬煤和焦炉煤气等，不仅环境性能好，而且热效率高甲烷的热值为36.72KJ／m3 按热值计算，大致1000m3甲烷相当于1t标准煤1250m3甲烷相当于1t石油，1m3高浓度甲烷可发3度电 1、化工原料、化工原料 煤层气中的甲烷浓度很高，可与天然气混输，用于制造化工产品，如甲醛，甲醇、甲胺、尿素和碳黑等甲醇用途最广，不仅是重要的化工原料，又是廉价的汽车燃料，“中国一号” 甲醇汽车被誉为“绿色汽车工程”，是我国汽车工业的一次革命另外，甲醇可制成甲醇电池，应用于其它基础行业2、合成油、合成油 煤层气合成油（GTL）由合成气、费—托合成和产品精制三部分组成通过费—托法工艺将煤层气合成转化成含硫量小于1ug/g，芳香烃小于1%（体积百分比）、十六烷值大于70的柴油燃料 3、工业与民用燃料、工业与民用燃料 煤层气可用于发电、汽车燃料和居民生活用气等多个方面煤层气经压缩后可由天然气管道系统输送目前，我国已铺设的天然气管道达5902km，主要分布在四川、广东、河北等。 另外，“西气东输” 管道、陕西延安到北京的天然气管道都为煤层气开发预留了入口从总体上看，中国绝大多数矿区都缺乏完整的天然气管道系统目前主要通过汽车短距离运输供给附近用户，如晋城地区将煤层气压缩到20MPa，每车约装4500m3标准气运送到城市用户因此，中国适合于建设地方性管道系统将煤层气供给居民，附近的工厂和公用事业单位，从而实现矿区的煤气化，改善当地的环境质量在建造管道运输工程时，应考虑煤层气的输送成本、产地与市场的距离以及资源的开采年限 我国煤矿使用的电主要由燃煤电厂提供，矸石电厂只提供少量电力煤矿供热也主要以煤为能源煤层气代替煤发电、供热不仅能减轻环境污染，而且能提高热效率实用的煤层气发电技术可分为以下四种： 往复式发动机； 燃气轮机； 汽轮机； 联合循环系统 1）往复式发动机 包括火花点火式四冲程发动机和狄塞尔双燃料发动机这种发动机热效率高，燃料气的入口压力低，但一次性投资高，维修费用昂贵2）燃气轮机 燃气轮机的燃料必须使用高压煤层气，高压煤层气可直接取自高压主管道或通过外部煤层气压缩机来提供。 燃气轮机的工作效率高达30％英国的拉斯顿TB5000燃气轮机，完全能燃用煤层气燃气轮机排放气体中的大量余热可通过废热锅炉加以利用以满足供暖需要燃气轮机的缺点是需要将燃气加压到1.8MPa以上，煤层气的甲烷浓度应在40％以上 3）汽轮机 汽轮机技术与其它技术相比，热动力效率较低，但该设备的运行十分可靠，服务年限长在常压下，使用标准锅炉燃用煤层气来生产蒸汽，这种锅炉对煤层气的质量要求不高4）联合循环系统 联合循环是煤层气能源动力转换效率最高的一种方式燃气轮机的排放气体温度高，含氧丰富，可直接送到预热锅炉生产蒸汽来驱动蒸汽轮机，这种联合循环系统可获得大约45％的热效率 汽车是造成大气污染的重要污染源，它们排放CO、碳氢化合物和氮氧化物柴油车辆还排放颗粒物随着车辆在中国的不断增加，作为主要燃料的石油将会变得越来越短缺使用煤层气能减少车辆排出的污染物因此，使用压缩甲烷作为燃料的经济和环境效益十分明显 煤层气的民用主要包括矿区居民的炊事和供热以及矿区食堂、幼儿园、学校的公用事业用气与人工煤气相比，煤层气的民用具有投资少和效益高的特点，它不需另建气源厂。 供民用的煤层气一般含甲烷35%~40％，不含其他干馏有害杂质，无需复杂的净化工艺因此，煤层气的民用已在各矿区迅速推行 •思考题：思考题：•1. 概念：（概念：（1）煤层气、煤型气、煤成气、瓦斯；）煤层气、煤型气、煤成气、瓦斯；• （（2）生物成因气、热成因气、原生生物气、次生生物气；）生物成因气、热成因气、原生生物气、次生生物气；• （（3）煤层气的密度、黏度、临界点、临界温度、临界压力；）煤层气的密度、黏度、临界点、临界温度、临界压力；•2. 分析说明生物成因气和热成因气的机理分析说明生物成因气和热成因气的机理•3. 简述煤层甲烷的同位素分布特征简述煤层甲烷的同位素分布特征•4. 煤层气的鉴别标志为何？煤层气的鉴别标志为何？•5. 列表简述煤层气地球化学组成和变化的地质控制列表简述煤层气地球化学组成和变化的地质控制 。
