1、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

2、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(zhǎng)焰煤階段 生氣38168m3/t，CO2占7292%， 烴類20%以甲烷為主，重?zé)N氣4% （2）長(zhǎng)焰煤至焦煤階段 生氣168270m3/t，烴類氣體迅速增加，占7080%， CO2下降至10%左右。烴類氣體以CH4為主，重?zé)N可 占1020%，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270422m3/t，烴類氣體占70%，其中CH4占絕對(duì) 優(yōu)勢(shì)(9799%)，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

3、，殼質(zhì)組為惰質(zhì)組的11倍。,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,max0.5% 2、熱解型煤層氣 褐煤瘦煤階段 Ro,max介于0.52.0% 3、裂解型煤層氣 瘦煤階段二號(hào)無煙煤 2.0%Ro,max3.7% 4、次生生物成因煤層氣 0.3%Ro,max1.5%,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）：CH495% 或 C1% 95% 濕氣（富氣）： CH45% C1/ C15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

4、氣體。,2、非烴類氣體 有氮?dú)?、二氧化碳?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,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=0.502.5% 13C1-43是煤型氣， 13C1 -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：13C2 -25.1

5、, 13C3-23.2 混合氣： -25.1 13C2 -28.8 -23.2 13C3 -25.5 油型氣：13C2 -28.8, 13C3 -25.5,3）煤化作用早、中期（ Ro,max =0.51.3%）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 ）=0.6811.6，其中絕大多數(shù)大于2.1， 而、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(guó)煤層氣甲烷碳同位素組成,第三節(jié) 煤層氣 地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制,沁水盆

6、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）,3、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,甲烷碳同位素（13C1） 煤層氣13C1變化于-78-13 乙烷碳同位素（13C2） 煤層氣13C2變化于-25-12 氫同位素（1H） 煤層氣1H變化于-228-171 CO2的13C 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

7、換平衡效應(yīng),使煤層中的13 C1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0.101325 MPa，溫度0C的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方米重0.716 Kg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

8、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/m3atm）。,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2530倍。據(jù)估算，

9、大氣中甲烷濃度每增加1 ppm，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，其溫室效應(yīng)是CO2的2530倍。據(jù)估算，大氣中甲烷濃度每增加1 ppm，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