煤层气组成与性质.ppt

煤层气的物质组成与性质煤层气的物质组成与性质 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     是是指指赋赋存存在在煤煤层层中中以以甲甲烷烷为为主主要要成成分分、、以以吸吸附附在在煤煤基基质质颗颗粒粒表表面面为为主主并并部部分分游游离离于于煤煤孔孔隙隙中中或或溶溶解解于于煤煤层层水水中中的的烃烃类类气气体体，，其其成成分分以以甲甲烷烷为为主主，，往往往往将将其其简称为煤层甲烷简称为煤层甲烷 2 2、瓦斯、瓦斯 是是赋赋存存在在煤煤层层中中的的煤煤层层气气与与采采动动影影响响带带中中的的煤煤成成（（层层））气气、、采采空空区区的的煤煤型型气气及及采采掘掘活活动动过过程程中中新新生生成成的各种气体的总称的各种气体的总称生物质结构生物质结构煤的结构煤的结构   3、煤型气、煤型气        是是指指含含煤煤地地层层中中煤煤和和分分散散有有机机质质，，在在成成岩岩和和煤煤化化过过程程中中形形成成的的天天然然气气，，以以游游离离状状态态、、吸吸附附状状态态和和溶溶解解状状态态赋赋存存于于煤煤层层和和其其它它岩岩层层内内。

其其中中赋赋存存在在煤煤层层中中，，成成分分以以甲甲烷烷为为主主的的煤煤型型气气称称为为煤煤层层气气或或煤煤层层甲甲烷烷，，赋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daf(cf/t)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38~168m3/t，，CO2占占72~92%，，                    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168~270m3/t，，烃类气体迅速增加，占烃类气体迅速增加，占70~80%，，                  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10~20%，如壳质组含量多，则油和湿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270~422m3/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(97~99%)，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 壳质组壳质组∶∶镜质组镜质组∶∶惰质组为惰质组为3∶∶1∶∶0.8，， 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倍煤类煤类产产气量气量m3/t吸附能力吸附能力m3/t褐煤褐煤38~68<8长焰煤长焰煤138~1688~9气煤气煤182~2129~11肥煤肥煤199~230 11~14焦煤焦煤240~27018~20瘦煤瘦煤257~28714~18贫煤贫煤295~33020~24无烟煤无烟煤346~42224~36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,max<0.5%         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0.5~2.0% 3 3、裂解型煤层气、裂解型煤层气                 瘦煤阶段瘦煤阶段~三号无烟煤三号无烟煤       2.0%

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷              干气（贫气）：干气（贫气）：CH4>95%   或或 C2+%  <5%               湿气（富气）：湿气（富气）： CH4<95%   或或   C2+% >5%                 C1/ C1~ 5值大于值大于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HP5889色谱仪色谱仪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98.16～～99.550.007～～0.0290.02～～0.290.92～～1.63微量微量钻井煤芯解钻井煤芯解吸气吸气83.47～～99.43——0.12～～2.100～～15.88微量微量矿井煤岩解矿井煤岩解吸气吸气66.35～～99.850.01～～0.470.02～～0.384.63～～30.87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 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、煤层气的鉴别标志      1）相同成熟度）相同成熟度                 Ro,max=0.50~2.5%                δ13C1＞＞-43‰是煤型气，是煤型气，                                                                      δ13C1 ≤-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：δ13C2 ＞＞-25.1‰,      δ13C3＞＞-23.2‰               混合气：混合气： -25.1 ‰ ＜＜ δ13C2 ＞＞-28.8‰‰                                 -23.2 ‰ ＜＜ δ13C3 ＞＞-25.5 ‰                  油型气：油型气：δ13C2 ＜＜-28.8‰,     δ13C3 ＜＜-25.5‰     3）煤化作用）煤化作用早、中期（早、中期（ Ro,max =0.5~1.3%））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 ））=0.68~11.6，，其中绝大多数大于其中绝大多数大于2.1，，             而而Ⅰ、、Ⅱ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 含煤时代含煤时代 δ13C1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古近系新生界古近系-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 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/4-41.8/4-36.7/7-36.7/7 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沁水沁水盆地及外围甲烷稳定同位素分布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/%/% 同位素同位素δδ1313C C、、δD(‰) δD(‰) CH4C2H6CO2δ13C1δ13C2δ13CCO2δD1FZ00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159P00399.120.0080.13-32.60-18.5023.20-172P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-1523 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/%同位素同位素δδ1313C C 、、δDδD1 1/‰/‰ H-L-1H-L-1李李雅雅庄庄煤煤矿矿2CHCH4 4C C2 2H H6 6N N2 2COCO2 2δδ1313C C1 1δδ1313C C2 2δδ1313C CCO2CO2δDδD1 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-470.8770.870.0110.01128.6728.670.060.06-61.7-61.7-22.4-22.4-13.6-13.6-215-215J-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 -9.8-9.8-197-197J-S-5J-S-593.1693.160.0130.0136.726.720.020.02-35.3-35.3-12.8-12.8-12.8-12.8-171-171H-L-1H-L-194.4794.470.0160.0165.415.410.030.03-35.6-35.6-12.5-12.5-10.7-10.7-184-184甲烷碳同位素（甲烷碳同位素（1313C C1 1）） 煤层气煤层气δδ1313C 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δδ1313C 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δδ1 1H H变化于变化于-228-228～～-171‰-171‰COCO2 2的的δδ1313C C 分布范围为分布范围为-17‰-17‰～～+28‰+28‰ 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、无嗅、无毒的气体，但煤储层中往往含甲烷为无色、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0°C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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，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/m3·atm）。

温度/℃ 3.4MPa6.8MPa10.2MPa       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        甲甲烷烷对对大大气气的的化化学学及及辐辐射射特特性性有有重重要要影影响响，，从从体体积积上上，，其其温温室室效效应应是是CO2的的25~30倍倍据据估估算算，，大大气气中中甲甲烷烷浓浓度度每每增增加加1  ppm，，可可导导致致地地球球表表面面温温度度增增加加1℃（（Donner，，1980）      大大气气中中的的CH4可可与与-OH、、O3、、H2O、、HOx、、H2、、Cl2及及其其它它成成分分发发生生一一系系列列化化学学反反应应，，从从而而影影响响大大气气中中的的H2O和和O3的的浓浓度度及及大大气气中中总总体体氧氧化化能能力力大大气气中中其其它它气气体体，，如如CH3Cl、、CH3Br、、CHClF3、、CH2Cl2和和SO2等等含含量量，，都都直直接接或或间间接接地地受受CH4和和-OH浓浓度度的的影影响响所所有有这这些些气气体都影响大气的物理性质，增加的体都影响大气的物理性质，增加的CH4温室效应温室效应第四节第四节 煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响         甲甲烷烷对对大大气气的的化化学学及及辐辐射射特特性性有有重重要要影影响响，，从从体体积积上上，，其其温温室室效效应应是是CO2的的25~30倍倍。

据据估估算算，，大大气气中中甲甲烷烷浓浓度度每每增增加加1  ppm，，可可导导致致地地球球表表面面温温度度增增加加1℃（（Donner，，1980）        大大气气中中的的CH4可可与与-OH、、O3、、H2O、、HOx、、H2、、Cl2及及其其它它成成分分发发生生一一系系列列化化学学反反应应，，从从而而影影响响大大气气中中的的H2O和和O3的的浓浓度度及及大大气气中中总总体体氧氧化化能能力力大大气气中中其其它它气气体体，，如如CH3Cl、、CH3Br、、CHClF3、、CH2Cl2和和SO2等等含含量量，，都都直直接接或或间间接接地地受受CH4和和-OH浓浓度度的的影影响响所所有有这这些些气气体都影响大气的物理性质，增加的体都影响大气的物理性质，增加的CH4温室效应温室效应第四节第四节 煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响。