煤層氣組成與性質(zhì)課件

煤層氣的物質(zhì)組成與性質(zhì)

目錄三、煤層氣地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制四、煤層氣的物理性質(zhì)

五、煤層氣對(duì)環(huán)境的影響二、煤層氣的組成及化學(xué)組分一、煤層氣的形成及成因類型12基本概念一、煤層氣的形成及成因類型天然氣非常規(guī)天然氣2、非常規(guī)天然氣目前主要指煤層氣、頁(yè)巖裂縫中的氣、淺層生物氣（沼氣）和盆地中心氣包括深盆氣。煤型氣是指煤系地層中煤和分散有機(jī)質(zhì)，在成巖和煤化過(guò)程中形成的天然氣，以游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)賦存于煤層和其它巖層內(nèi)。其中賦存在煤層中，成分以甲烷為主的煤型氣稱為煤層氣或煤層甲烷，賦存在圍巖中的煤型氣稱為煤成氣。煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的氣體，其成分以甲烷為主，往往將其簡(jiǎn)稱為煤層甲烷。瓦斯氣是賦存在煤層中的煤層氣與采動(dòng)影響帶中的煤成（層）氣、采空區(qū)的煤型氣及采掘活動(dòng)過(guò)程中新生成的各種氣體的總稱。階段一階段二階段三階段四泥炭植物死亡褐煤煙煤（二）煤層氣的形成及成因類型階段五無(wú)煙煤埋藏堆積及泥炭化作用煤化作用煤化作用煤化作用氣體1、成氣過(guò)程生物成因氣是由各類微生物經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜作用過(guò)程導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解而形成的?？尚纬捎诿夯饔迷缙陔A段(泥炭-褐煤)以及煤層形成以后的構(gòu)造抬升階段，因此可分為早期(原生)生物成因氣與晚期(次生)生物成因氣。2、成因類型熱成因氣

是指隨著煤化作用的進(jìn)行，伴隨溫度升高、煤分子結(jié)構(gòu)與成分的變化而形成的烴類氣體。（二）煤層氣的形成及成因類型具體的生氣階段和生氣類型：

·早期生物氣（泥炭~褐煤階段，Ro,max<0.5%）

埋藏淺，溫度低，熱力作用不足以使有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分變化主要是由于各類微生物參與下的生物化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。

過(guò)程實(shí)質(zhì)是通過(guò)微生物的作用，使復(fù)雜的不溶有機(jī)質(zhì)發(fā)酵變?yōu)榭扇苡袡C(jī)質(zhì)，可溶有機(jī)質(zhì)在產(chǎn)酸菌和產(chǎn)氫菌的作用下，變?yōu)閾]發(fā)性有機(jī)酸、H2和CO2；H2和CO2在甲烷菌作用下最后生CH4，因此生物成因氣實(shí)質(zhì)是微生物成因氣．亦稱細(xì)菌氣。在現(xiàn)代泥炭沼澤環(huán)境中，通過(guò)CO2還原或甲基發(fā)酵都可生成生物氣，但根據(jù)氣體化學(xué)成分和同位素成分組成分析，大部分古代的生物氣是通過(guò)CO2還原產(chǎn)生的。總體來(lái)說(shuō)：生物氣的形成應(yīng)滿足兩個(gè)條件：

一是要有豐富的有機(jī)質(zhì)提供產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)；二是具備有利于甲烷菌繁殖的環(huán)境條件。研究表明：

在厭氧環(huán)境、低SO42-、低溫(通常50oC以下)、高PH值、豐富的有機(jī)質(zhì)、適宜的孔隙空間和快速沉積等條件下，生物氣會(huì)大量形成，但由于埋藏淺，原生生物氣在煤層中保存甚少，不是煤層氣的主要勘探對(duì)象。·裂解型煤層氣（瘦煤~二號(hào)無(wú)煙煤，2.0%<Ro,max<3.7%）由于有機(jī)質(zhì)芳核結(jié)構(gòu)支鏈上的大部分烷烴在成熟階段已消耗，該階段主要以裂解的方式及芳香核縮合為主，并由此產(chǎn)生大量CH4，有機(jī)質(zhì)的芳香度從0.85增高到0.97，C原子幾乎集中到芳香結(jié)構(gòu)上?！ご紊锍梢蛎簩託猓?.3%<Ro,max<1.5%）

在煤層經(jīng)過(guò)初步埋藏變質(zhì)階段，后期發(fā)生抬升，煤層中的溫度等環(huán)境條件適于微生物生存，通過(guò)位于補(bǔ)給區(qū)的煤層露頭微生物有大氣降水帶入，在相對(duì)低溫條件(56oC)代謝濕氣、正烷烴和其它有機(jī)化合物，生成CH4和CO2。在含煤盆地中，次生生物作用活躍并影響氣體成分的深度間隔稱作蝕變帶，一般位于盆地邊沿或中淺部；不發(fā)生蝕變的氣體一般位于盆地深部，稱為原始?xì)鈳А?/p>

蝕變帶和原始?xì)鈳卣骷捌淇刂埔蛩?/p>

次生生物氣形成時(shí)間一般較晚(幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)年前)，煤層中存留的生物成因氣大部分屬于次生生物成因氣，在煤層中普遍存在，對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有重要意義。

次生生物氣的生成和保存條件（見(jiàn)下圖）：煤級(jí)：為褐煤~焦煤，煤層所在區(qū)域發(fā)生過(guò)隆起(抬升)作用；滲透性：煤層有適宜的滲透性；水文條件：沿盆地邊緣有流水回灌到盆地煤層中；微生物條件：有細(xì)菌運(yùn)移到煤層中，具備缺氧環(huán)境；圈閉條件：煤層具有較高的儲(chǔ)層壓力和能儲(chǔ)存大量氣體的圈閉條件。次生生物氣的生成和保存條件褐煤準(zhǔn)噶爾盆地盆緣晚期生物氣成藏模式

淺部煤系地層接受天山雪融水的補(bǔ)給，形成了低礦化度的地層水，在地質(zhì)歷史上利于甲烷菌的生長(zhǎng)，煤層生物降解產(chǎn)生甲烷氣，在承壓地層水和蓋層的共同作用下保存成藏。（三）主要生氣階段和產(chǎn)率

褐煤至長(zhǎng)焰煤階段1長(zhǎng)焰煤至焦煤階段瘦煤至無(wú)煙煤階段32煤類產(chǎn)氣量m3/t吸附能力m3/t褐煤38~68<8長(zhǎng)焰煤138~1688~9氣煤182~2129~11肥煤199~23011~14焦煤240~27018~20瘦煤257~28714~18貧煤295~33020~24無(wú)煙煤346~42224~36不同煤類的產(chǎn)氣量和吸附能力2、控制煤層氣化學(xué)組成的主要因素（1）煤的顯微組分,特別是富氫組分的豐度

殼質(zhì)組通常相對(duì)富氫，是煤成油的主要顯微組分，具有很高的生烴能力；鏡質(zhì)組主要生成甲烷和其它氣體，其富氫的某些組分亦可生成液態(tài)烴；惰性組的產(chǎn)氣量比相同煤級(jí)的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組低。三種煤巖組分的烴氣產(chǎn)率，以殼質(zhì)組最高，鏡質(zhì)組次之，惰性組最低。（2）儲(chǔ)層壓力它影響煤的吸附能力，隨著壓力的增加，吸附量增大。（3）煤化作用程度，即煤階/煤級(jí)由于不同煤化階段，溫度和壓力不同，煤生氣或生油的程度也不同。（4）煤層氣解吸階段吸附性弱或濃度高的組分先解吸，也會(huì)對(duì)煤的組成產(chǎn)生影響。（5）水文地質(zhì)條件部分地區(qū)水動(dòng)力條件對(duì)煤層氣組成的影響十分明顯，如美國(guó)圣胡安盆地，盆地北部超高壓區(qū)煤層氣為富CO2的干氣，南部低壓區(qū)煤層氣則為貧CO2的濕氣。在區(qū)域抬升后又遭受剝蝕的盆地邊緣，雨水?dāng)y帶微生物進(jìn)入可滲透煤層中，在細(xì)菌的降解和自身代謝活動(dòng)作用下，次生生物成因氣含量增加，從而影響煤層氣的化學(xué)組成。（二）煤層氣的同位素特征1、同位素的分布特征

我國(guó)煤層氣的δ13C1地域分布總體上體現(xiàn)出不同地質(zhì)時(shí)代構(gòu)造背景下煤中有機(jī)質(zhì)生烴演化的特點(diǎn)。

華北和華南的煤層主要形成于晚古生代，經(jīng)歷了多階段的構(gòu)造演化，煤化作用的地質(zhì)背景復(fù)雜，煤級(jí)跨度大，生氣歷程長(zhǎng)，δ13C1變化大；東北煤層主要形成于中一新生代，熱演化歷程及其控制因素相對(duì)簡(jiǎn)單，煤級(jí)普遍較低，δ13C1分布較為集中。煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布

(a)華北地區(qū)（b)華南地區(qū)(c)東北地區(qū)不同地區(qū)甲烷穩(wěn)定碳同位素分布與煤級(jí)之間關(guān)系由上圖可以看出：華北和華南煤層氣δ13C1值與全國(guó)性規(guī)律一致，隨煤級(jí)增高而變重(圖a，圖b)。東北煤層氣δ13C1值的演化卻與此相反，煤級(jí)增高，δ13C1值變小(圖c)，暗示東北煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的分布另有重要控制因素。2、煤層氣的鑒別標(biāo)志（1）原油與煤成烴比較

原油：以腐泥型有機(jī)質(zhì)為母質(zhì)，成分以富含脂肪鏈結(jié)構(gòu)的烴類為主。熱解氣中重?zé)N分子主要源于脂肪鏈結(jié)構(gòu)的裂解。這些含脂肪鏈結(jié)構(gòu)的烴類為重?zé)N氣生成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，以致原油熱解氣的干燥系數(shù)一般較低。

煤：干酪根結(jié)構(gòu)中的脂肪型側(cè)鏈和橋鍵都比較短。在熱解時(shí)，側(cè)鏈和橋鍵形成自由基，與H相遇時(shí)，形成以CH4分子為主的氣態(tài)烴分子。煤中可溶有機(jī)質(zhì)的烷烴含量大大少于原油，芳烴和其他含脂肪型結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈也較少，熱解生成重?zé)N氣分子的量，遠(yuǎn)少于原油。3）煤化作用早、中期(Ro,max=0.5~1.3%)以成氣作用為主，成油作用為輔的是煤型(層)氣。

4）煤成氣具明顯的姥鮫烷優(yōu)勢(shì)，姥鮫烷/植烷(Pr/Ph)=0.68~11.6，其中絕大多數(shù)大于2.1，而Ⅰ、Ⅱ型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43，為姥植均勢(shì)。

5）煤型（層）氣的汞含量比油型氣高，煤型氣含汞8

萬(wàn)微克/m3，油型氣7千微克/m3。三、煤層氣地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制（一）成因的影響

煤層氣中CH4和CO2的碳同位素特征

不同成因的煤層氣的地球化學(xué)特征有較大差異：生物成因氣主要由CH4組成，熱成因氣普遍含重?zé)N(可達(dá)百分之幾或更高)；

生物成因氣的碳同位素較輕，而熱成因氣的碳同位素較重，且隨煤級(jí)增高有愈加變重趨勢(shì)。（二）煤級(jí)的影響中國(guó)煤層氣甲烷碳同位素組成

含煤時(shí)代

δ13C1平均值，‰

褐煤長(zhǎng)焰煤氣煤肥煤新生界下第三系-63.1/1-49.2/6-43.3/2-47.7/2中生界侏羅－白堊系-57.3/1-59.1/4-56.2/2上古生界石炭－二疊系-58.4/30-56.2/27焦煤瘦煤貧煤無(wú)煙煤-55.0/7-55.3/2-41.8/4-36.7/7煤層氣中甲烷的δ13C1值和煤級(jí)的關(guān)系：低變質(zhì)煤生成的煤層氣中甲烷的δ13C1值較小，高變質(zhì)煤的較大。對(duì)于未發(fā)生次生變化的原生煤層氣而言，隨著煤變質(zhì)程度的提高，相應(yīng)煤層氣中的甲烷富集氘和13C。

原因在于：

碳同位素隨煤級(jí)的變化，可用同位素動(dòng)力學(xué)效應(yīng)解釋。由于同位素質(zhì)量不同，13C的化學(xué)活性比12C低，-C-C-鍵的穩(wěn)定性也有差別，其順序如下

-13C-13C-＞-13C-12C-＞-12C-12C-

因此，在相同溫度條件下，煤分子結(jié)構(gòu)中-12C-12C-斷裂速度較-13C-12C-和-13C-13C-快，由此低溫條件下形成的烴類氣體相對(duì)富集12C，而在較高溫度下形成的烴類氣體中13C較高。（三）埋深的影響（四）煤層氣成分的影響沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表（無(wú)煙煤）樣品編號(hào)

組分含量/%同位素δ13C、δD(‰)CH4C2H6CO2δ13C1δ13C2δ13CCO2δD1FZ00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159P00399.120.0080.13-32.60-18.5023.20-172P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-152樣品編號(hào)礦區(qū)煤層組分含量/%同位素δ13C、δD1/‰H-L-1李雅莊煤礦2CH4C2H6N2CO2δ13C1δ13C2δ13CCO2δD1K-H-Li-294.720.0224.630.30-59.1

-8.7-228K-H-Li-399.350.017

0.38-56.3

-11.9-244K-H-Li-470.870.01128.670.06-61.7-22.4-13.6-215J-S-2寺河煤礦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-4-199.850.010

0.13-30.8

-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煤礦采掘面煤巖解吸氣分析結(jié)果·甲烷的δ13C1

煤層氣δ13C1變化于-78～-13‰乙烷的δ13C2

煤層氣δ13C2變化于-25～-12‰氫的同位素（1H）煤層氣δ1H變化于-228～-171‰CO2的δ13C

分布范圍為-17‰～+28‰

主要集中于-10.7‰～15.8‰（五）顯微組分的影響

一般地說(shuō)，含富氧干酪根的煤(鏡質(zhì)組為主)和含富氫干酪根的煤(殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組為主)生成的煤層氣相比，在成熟度相同的條件下，前者比后者δ13C1值較大，并且甲烷和乙烷的δ13C值的分布范圍比后者窄。原因在于：脂肪族烴熱裂解生成的甲烷同位素較輕，這種甲烷在含富氫干酪根的煤層生成的氣體中占優(yōu)勢(shì)，芳香族烴熱裂解生成甲烷的碳同位素較重，它在含富氧干酪根的煤層生成的氣體中占主導(dǎo)地位。（六）CH4和CO2的碳同位素交換平衡效應(yīng)

煤的熱模擬試驗(yàn)表明，原始形成的煤層氣中CO2和CH4含量均較多，兩者之間會(huì)發(fā)生碳同位素交換平衡反應(yīng)：

這種交換過(guò)程使得煤層CH4的13C1大幅度降低，導(dǎo)致煤層氣中CH4碳同素變輕。主要發(fā)生在煤層氣形成早期，此時(shí)煤層中CH4和CO2含量均較高，而后期CO2大量被溶解變得很少，交換平衡對(duì)13C1變輕影響不大。

四、煤層氣的物理性質(zhì)

甲烷為無(wú)色、無(wú)味、無(wú)溴、無(wú)毒的氣體，但煤儲(chǔ)層中往往含有少量其它芳香族碳?xì)錃怏w，因此常常伴著一些蘋果的香味。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度0oC的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0.716Kg/m3,與空氣比較，其比重約為0.554。當(dāng)空氣中混有5.3~16.0%濃度的甲烷，遇火即可燃燒或爆炸。甲烷濃度達(dá)到43%，人感到呼吸短促；甲烷濃度達(dá)到57%，人處于昏迷狀態(tài)，甲烷濃度達(dá)到9.5%，遇明火爆炸最為猛烈。二氧化碳為無(wú)色、無(wú)嗅、略具酸味氣體，比空氣重，突然噴出可使人窒息。臨界溫度

是指氣相純物質(zhì)維持液相的最高溫度，高于這一溫