煤層氣的物質(zhì)組成與性質(zhì)

第二章煤層氣的物質(zhì)組成與性質(zhì)

第一節(jié)煤層氣的形成第二節(jié)煤層氣的化學(xué)組分第三節(jié)煤層氣地球化學(xué)組成和變化的地質(zhì)控制第四節(jié)煤層氣的物理性質(zhì)

.第一節(jié)煤層氣的形成一、三個(gè)基本概念1、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烴類氣體，其成分以甲烷為主，往往將其簡(jiǎn)稱為煤層甲烷。2、瓦斯

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)過程中新生成的各種氣體的總稱。.3、煤型氣

是指含煤地層中煤和分散有機(jī)質(zhì)，在成巖和煤化過程中形成的天然氣，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。..三、主要生氣階段和產(chǎn)率（1）褐煤至長焰煤階段

生氣38~168m3/t，CO2占72~92%，烴類＜20%以甲烷為主，重?zé)N氣＜4%（2）長焰煤至焦煤階段

生氣168~270m3/t，烴類氣體迅速增加，占70~80%，CO2下降至10%左右。烴類氣體以CH4為主，重?zé)N可占10~20%，如殼質(zhì)組含量多，則油和濕氣含量也多。

（3）瘦煤至無煙煤階段

生氣270~422m3/t，烴類氣體占70%，其中CH4占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(97~99%)，幾乎沒有重?zé)N。.顯微組分對(duì)煤成氣的貢獻(xiàn)：鏡質(zhì)組的產(chǎn)氣率為惰質(zhì)組的4.3倍，殼質(zhì)組為惰質(zhì)組的11倍。煤類產(chǎn)氣量m3/t吸附能力m3/t褐煤38~68<8長焰煤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無煙煤346~42224~36不同煤類的產(chǎn)氣量和吸附能力.四、煤層氣的成因1、生物降解煤層氣泥炭~褐煤階段

Ro,max<0.5%2、熱解型煤層氣褐煤~瘦煤階段Ro,max介于0.5~2.0%3、裂解型煤層氣瘦煤階段~二號(hào)無煙煤2.0%<Ro,max<3.7%4、次生生物成因煤層氣0.3%<Ro,max<1.5%.第二節(jié)煤層氣的化學(xué)組分

一、煤層氣的化學(xué)組成1、烴類氣體

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷。干氣（貧氣）：CH4>95%或C1%>95%濕氣（富氣）：CH4<95%或C2+%>5%C1/C1~5值大于99%，為特別干的氣體，95%~99%為干氣，85%~95%為濕氣，小于85%，為特別濕的氣體。.2、非烴類氣體有氮?dú)?、二氧化碳?/p>

一氧化碳、硫化氫、氫及微量的惰性氣體。二、控制煤層氣成分的主要因素1、煤的顯微組分,特別是富氫組分的豐度；2、儲(chǔ)層壓力，它影響煤的吸附能力；3、煤化作用程度，即煤階/煤級(jí)；4、煤層氣解吸階段5、水文地質(zhì)條件.氣樣類型氣體組分變化范圍/%CH4C2H6CO2N2非烴鉆井排采氣98.16～99.550.007～0.0290.02～0.290.92～1.63微量鉆井煤芯解吸氣83.47～99.43——0.12～2.100～15.88微量礦井煤巖解吸氣66.35～99.850.01～0.470.02～0.384.63～30.87微量沁水盆地不同類型氣樣組分變化對(duì)比表.三、煤層氣的同位素特征

1、煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素分布

煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布.2、天然氣的成因鑒別標(biāo)志

1）相同成熟度Ro,max=0.50~2.5%δ13C1＞-43‰是煤型氣，δ13C1≤-43%～-55‰是油型氣。

2）煤型（層）氣比油型氣的甲烷同系物的同位素重

煤型氣：δ13C2＞-25.1‰,δ13C3＞-23.2‰

混合氣：

-25.1‰＜δ13C2＞-28.8‰-23.2‰＜δ13C3＞-25.5‰

油型氣：δ13C2＜-28.8‰,δ13C3＜-25.5‰.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8萬微克/m3，油型氣7千微克/m3。.1、煤級(jí)中國煤層氣甲烷碳同位素組成

含煤時(shí)代

δ13C1平均值，‰

褐煤長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焦煤瘦煤貧煤無煙煤-55.0/7-55.3/2-41.8/4-36.7/7第三節(jié)煤層氣地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制.沁水盆地及外圍甲烷穩(wěn)定同位素分布.2、埋深與解吸/擴(kuò)散.沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表（無煙煤）

樣品編號(hào)

組分含量/%

同位素δ13C、δD(‰)CH4C2H6CO2δ13C1δ13C2δ13CCO2δD1FZ00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159P00399.120.0080.13-32.60-18.5023.20-172P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-1523、煤層氣成分與同位素組成.煤礦采掘面煤巖解吸氣分析結(jié)果

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.甲烷碳同位素（13C1）煤層氣δ13C1變化于-78～-13‰乙烷碳同位素（13C2）煤層氣δ13C2變化于-25～-12‰氫同位素（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‰

.4、煤的顯微組分腐泥型煤（I、II型干酪根）生成濕氣和液態(tài)烴腐殖型煤（III型干酪根）則生成較干的氣體。5、煤層氣的成因生物成因、熱成因、次生作用/水文地質(zhì)作用6、CH4和CO2的碳同位素交換平衡效應(yīng)使煤層中的13C1大幅度降低，導(dǎo)致煤層氣中CH4碳同素變輕

.第四節(jié)、煤層氣的物理性質(zhì)

甲烷為無色、無味、無溴、無毒的氣體，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，在大氣壓0.101325MPa，溫度0°C的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方米重0.716Kg與空氣比較，其比重約為0.554比空氣輕。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。二氧化碳為無色、無嗅、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，高于這一溫度，氣體即不能用簡(jiǎn)單升高壓力的辦法（不降低溫度）使之轉(zhuǎn)化為液體；臨界壓力是指氣、液兩相共存的最高壓力，即在臨界溫度時(shí)，氣體凝析所需的壓力。高于臨界溫度，無論壓力多大，氣體不會(huì)液化；高于臨界壓力，不管溫度多少，液態(tài)和氣態(tài)不能同時(shí)存在。超臨界狀態(tài)只有當(dāng)溫度和壓力均超過其臨界溫度和臨界壓力.

溶解度：20℃、1atm下單位體積水中溶解的氣體體積稱為溶解度（m3氣/m3水），溶解度同氣體壓力的比值稱為溶解系數(shù)（m3/m3·atm）。溫度/℃

.煤中有機(jī)質(zhì)微粒對(duì)甲烷溶解度有重要影響。.

甲烷對(duì)大氣的化學(xué)及輻射特性有重要影響，從體積上，其溫室效應(yīng)是CO2的25~30倍。據(jù)估算，大氣中甲烷濃度每增加1ppm，可導(dǎo)致地球表面溫度增加1℃（Donner，1980）。大氣中的CH4可與-OH、O3、H2O、HOx、H2、Cl2及其它成分發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而影響大氣中的H2O和O3的濃度及大氣中總體氧化能力。大氣中其它氣體，如CH3Cl、CH3Br、CHClF3、CH2Cl2和SO2等含量，都直接或間接地受CH4和-OH濃度的影響。所有這些氣體都影響大氣的物理性質(zhì)，增加的CH4溫室效應(yīng)。第四節(jié)煤層氣對(duì)環(huán)境的影響.

甲烷對(duì)大氣的化學(xué)及輻射特性有重要影響，從體積上，其溫室效