煤层气组成与性质

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。daf(cf/t)三、主要生气阶段和产率（1）褐煤至长焰煤阶段生气38~168m3/t，CO2占72~92%，烃类＜20%以甲烷为主，重烃气＜4%（2）长焰煤至焦煤阶段生气168~270m3/t，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，重烃可占10~20%，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270~422m3/t，烃类气体占70%，其中CH4占绝对优势(97~99%)，几乎没有重烃。显微组分对煤成气的贡献壳质组∶镜质组∶惰质组为3∶1∶0.8，镜质组的产气率为惰质组的4.3倍，壳质组为惰质组的11倍。煤类产气量m3/t吸附能力m3/t褐煤38~688长焰煤138~1688~9气煤182~2129~11肥煤199~23011~14焦煤240~27018~20瘦煤257~28714~18贫煤295~33020~24无烟煤346~42224~36不同煤类的产气量和吸附能力四、煤层气的成因1、生物降解煤层气泥炭~褐煤阶段Ro,max0.5%2、热解型煤层气褐煤~瘦煤阶段Ro,max介于0.5~2.0%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%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%湿气（富气）：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。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、水文地质条件气样类型气体组分变化范围/%CH4C2H6CO2N2非烃钻井排采气98.16～99.550.007～0.0290.02～0.290.92～1.63微量钻井煤芯解吸气83.47～99.43——0.12～2.100～15.88微量矿井煤岩解吸气66.35～99.850.01～0.470.02～0.384.63～30.87微量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Ro,max=0.50~2.5%δ13C1＞-43‰是煤型气，δ13C1≤-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：δ13C2＞-25.1‰,δ13C3＞-23.2‰混合气：-25.1‰＜δ13C2＞-28.8‰-23.2‰＜δ13C3＞-25.5‰油型气：δ13C2＜-28.8‰,δ13C3＜-25.5‰3）煤化作用早、中期（Ro,max=0.5~1.3%）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）=0.68~11.6，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，为姥植均势。5）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含煤时代δ13C1平均值，‰褐煤长焰煤气煤肥煤新生界古近系-63.1/1-49.2/6-43.3/2-47.7/2中生界侏罗－白垩系-57.3/1-59.1/4-56.2/2上古生界石炭－二叠系-58.4/30-56.2/27焦煤瘦煤贫煤无烟煤-55.0/7-55.3/2-41.8/4-36.7/7第三节煤层气地球化学组成的地质控制盆地甲烷稳定同位素特征-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樊庄潘庄寺河李雅庄阳泉矿区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）样品编号组分含量/%同位素δ13C、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、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样品编号矿区煤层组分含量/%同位素δ13C、δD1/‰H-L-1李雅庄煤矿2CH4C2H6N2CO2δ13C1δ13C2δ13CCO2δD1K-H-Li-294.720.0224.630.30-59.1-8.7-228K-H-Li-399.350.0170.38-56.3-11.9-244K-H-Li-470.870.01128.670.06-61.7-22.4-13.6-215J-S-2寺河煤矿368.350.01030.870.37-61.5-20.5-16.4-228J-S-385.530.47113.520.28-35.6-13.6-15.6-182J-S-4-199.850.0100.13-30.8-9.8-197J-S-593.160.0136.720.02-35.3-12.8-12.8-171H-L-194.470.0165.410.03-35.6-12.5-10.7-184甲烷碳同位素（13C1）煤层气δ13C1变化于-78～-13‰乙烷碳同位素（13C2）煤层气δ13C2变化于-25～-12‰氢同位素（1H）煤层气δ1H变化于-228～-171‰CO2的δ13C分布范围为-17‰～+28‰主要集中于-10.7‰～15.8‰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242413121213COCHCOCHCCCC使煤层中的13C1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香味，在大气压0.101325MPa，温度0°C的标准状态下，每立方米重0.716Kg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。0.071.572.271.191.520.970.554相对比重无有有有无有无毒性4~74.2%4.3~45.5%不爆12.5~75%5~16%爆炸性微溶极易溶易溶易溶易溶微溶难溶水溶性无褐红色无无无无无色无有刺激味酸味硫磺味臭味略带酸味微有甜无味H2NO2SO2H2SCO2COCH4气体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CH4H2ON2CO2C2H6H2SH2分子量16.0421828.01344.01030.07034.0702.016分子直径／nm0.33~0.420.290.32~0.380.33~0.470.44~0.55临界温度／℃-82.57374.1-126.231.0632.37100.39-239.90临界压力／MPa4.60421.833.3997.3844.8809.051.297平均自由程／nm53.074.683.9沸点／℃-161.49100-195.80-78.50-88.60-60.33-252.70动力粘度／×10-5Pa·s1.0841.7651.466偏心因子0.0080.3440.0400.225液态密度0.4250.9980.777绝对密度(15.5℃)0.6771.001.1821.8581.2691.48相对密度(15.5℃)0.5540.9671.5191.0381.1780.069热值/KJ·m-337.62不可燃不可燃65.9023.7312.07溶解系数m3/m3·atm0.0330.0160.870.0472.58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，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/m3·atm）。温度/℃020406080100120温度/℃溶解度m3/m33.4MPa6.8MPa10.2MPa1.50.502.52.01.03.4MPa6.8MPa10.2MPa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=20℃T=40℃T=60℃T=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=20℃T=40℃T=60℃T=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=20℃T=40℃T=60℃T=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=20℃T=40℃T=60℃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25~30倍。据估算，大气中甲烷浓度每增加1ppm，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