煤層氣的物質(zhì)組成與性質(zhì)ppt課件

1、 第二章第二章 煤層氣煤層氣 的物質(zhì)組成與性質(zhì)的物質(zhì)組成與性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 煤層氣的形成煤層氣的形成第二節(jié)第二節(jié) 煤層氣的化學(xué)組分煤層氣的化學(xué)組分第三節(jié)第三節(jié) 煤層氣地球化學(xué)組成煤層氣地球化學(xué)組成 和變化的地質(zhì)控制和變化的地質(zhì)控制第四節(jié)第四節(jié) 煤層氣的物理性質(zhì)煤層氣的物理性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 煤層氣的形成煤層氣的形成一、三個(gè)基本概念一、三個(gè)基本概念 1、煤層氣、煤層氣 是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在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，往往將其煤層水

2、中的烴類氣體，其成分以甲烷為主，往往將其簡稱為煤層甲烷。簡稱為煤層甲烷。 2、瓦斯、瓦斯 是賦存在煤層中的煤層氣與采動(dòng)影響帶中的煤成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。各種氣體的總稱。 3、煤型氣、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，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

3、煤型氣稱為煤層氣或煤層甲烷，賦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。存在圍巖中的煤型氣稱為煤成氣。三、主要生氣階段和產(chǎn)率三、主要生氣階段和產(chǎn)率 （1褐煤至長焰煤階段褐煤至長焰煤階段 生氣生氣38168m3/t，CO2占占7292%， 烴類烴類20%以甲烷為主，重以甲烷為主，重?zé)N氣烴氣4% （2長焰煤至焦煤階段長焰煤至焦煤階段 生氣生氣168270m3/t，烴類氣體迅，烴類氣體迅速增加，占速增加，占7080%， CO2下降至下降至10%左右。烴類氣左右。烴類氣體以體以CH4為主，重?zé)N可為主，重?zé)N可 占占1020%，如殼質(zhì)組含量多，如殼質(zhì)組含量多，則油和濕氣含

4、量也多。則油和濕氣含量也多。 （3瘦煤至無煙煤階段瘦煤至無煙煤階段 生氣生氣270422m3/t，烴類氣體，烴類氣體占占70%，其中，其中CH4占絕對(duì)占絕對(duì) 優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)(9799%)，幾乎沒有重?zé)N。，幾乎沒有重?zé)N。 顯微組分對(duì)煤成氣的貢獻(xiàn)：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)組的鏡質(zhì)組的產(chǎn)氣率為惰質(zhì)組的4.34.3倍，殼質(zhì)組為惰質(zhì)組的倍，殼質(zhì)組為惰質(zhì)組的1111倍。倍。煤類煤類產(chǎn)氣量產(chǎn)氣量m3/t吸附能力吸附能力m3/t褐煤褐煤38688長焰煤長焰煤13816889氣煤氣煤182212911肥煤肥煤199230 1114焦煤焦煤2402701820瘦煤瘦煤2572871418貧煤貧煤29

5、53302024無煙煤無煙煤3464222436不同煤類的產(chǎn)氣量和吸附能力不同煤類的產(chǎn)氣量和吸附能力四、煤層氣的成因四、煤層氣的成因 1 1、生物降解煤層氣、生物降解煤層氣 泥炭泥炭 褐煤階段褐煤階段 Ro,max0.5% Ro,max0.5% 2 2、熱解型煤層氣、熱解型煤層氣 褐煤褐煤 瘦煤階段瘦煤階段 Ro,maxRo,max介于介于0.52.0%0.52.0% 3 3、裂解型煤層氣、裂解型煤層氣 瘦煤階段瘦煤階段 二號(hào)無二號(hào)無煙煤煙煤 2.0%Ro,max3.7%2.0%Ro,max3.7% 4 4、次生生物成因煤層氣、次生生物成因煤層氣 0.3%Ro,max1.5%0.3%Ro,ma

6、x95% 或或 C1% 95% 濕氣富氣）：濕氣富氣）： CH45% C1/ C15值大于值大于99%，為特別，為特別干的氣體，干的氣體， 95%99%為干氣，為干氣， 85%95%為濕氣，為濕氣， 小于小于85%，為特別濕，為特別濕的氣體。的氣體。2、非烴類氣體、非烴類氣體 有氮?dú)?、二氧化碳、有氮?dú)?、二氧化碳?一氧化碳、硫化氫、一氧化碳、硫化氫、氫氫 及微量的惰性氣體。及微量的惰性氣體。二、控制煤層氣成分的主要因素二、控制煤層氣成分的主要因素 1、煤的顯微組分、煤的顯微組分,特別是富氫組分的豐度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；、儲(chǔ)層壓力，它影響煤的吸附能力； 3、

7、煤化作用程度，即煤階、煤化作用程度，即煤階/煤級(jí)；煤級(jí)； 4、煤層氣解吸階段、煤層氣解吸階段 5、水文地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件氣樣類型氣樣類型氣體組分變化范圍氣體組分變化范圍/%CH4C2H6CO2N2非烴非烴鉆井排采氣鉆井排采氣98.1699.550.0070.0290.020.290.921.63微量微量鉆井煤芯解鉆井煤芯解吸氣吸氣83.4799.430.122.10015.88微量微量礦井煤巖解礦井煤巖解吸氣吸氣66.3599.850.010.470.020.384.6330.87微量微量沁水盆地不同類型氣樣組分變化對(duì)比表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三、煤層氣的

8、同位素特征 1 1、煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素分布、煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素分布 煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布2、天然氣的成因鑒別標(biāo)志、天然氣的成因鑒別標(biāo)志 1相同成熟度相同成熟度 Ro,max=0.502.5% 13C1-43是煤型氣，是煤型氣， 13C1 -43%-55是油型氣。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層氣比油型氣的甲烷同系物的同位素重 煤型氣：煤型氣：13C2 -25.1, 13C3-23.2 混合氣：混合氣： -25.1 13C2 -28.8 -23.2 13C3 -25.5 油型氣：油型氣：13C2 -28.8, 13C3 -25

9、.5 3煤化作用早、中期（煤化作用早、中期（ Ro,max =0.51.3%）以）以 成氣作用為主，成油作用為輔的是煤型層氣成氣作用為主，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)，姥鮫烷煤成氣具明顯的姥鮫烷優(yōu)勢(shì)，姥鮫烷/植烷植烷 （Pr/Ph ）=0.6811.6，其中絕大多數(shù)大于，其中絕大多數(shù)大于2.1， 而而、型干酪根生成原油的型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43， 為姥植均勢(shì)。為姥植均勢(shì)。 5煤型層氣的汞含量比油型氣高，煤型氣含汞煤型層氣的汞含量比油型氣高，煤型氣含汞8 萬微克萬微克/m3，油型氣，油型氣7千微克千微克/m3。 1 1、 煤級(jí)煤級(jí)中國煤層氣甲烷碳同位素組成中

10、國煤層氣甲烷碳同位素組成 含煤時(shí)代含煤時(shí)代 13C1平均值，平均值， 褐煤褐煤長焰煤長焰煤氣煤氣煤肥煤肥煤新生界下第三系新生界下第三系-63.1/1 -63.1/1 -49.2/6 -49.2/6 -43.3/2 -43.3/2 -47.7/2-47.7/2中生界侏羅白堊系中生界侏羅白堊系 -57.3/1 -57.3/1 -59.1/4 -59.1/4 -56.2/2 -56.2/2 上古生界石炭二疊系上古生界石炭二疊系-58.4/30-58.4/30-56.2/27-56.2/27焦煤焦煤 瘦煤瘦煤 貧煤貧煤 無煙煤無煙煤 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/

11、4-41.8/4-36.7/7-36.7/7 第三節(jié)第三節(jié) 煤層氣煤層氣 地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制盆地甲烷穩(wěn)定同位素特征盆地甲烷穩(wěn)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樊莊樊莊潘莊潘莊寺河寺河李雅莊李雅莊陽泉陽泉礦區(qū)沁水盆地及外圍甲烷穩(wěn)定同位素分布沁水盆地及外圍甲烷穩(wěn)定同位素分布2 2、 埋深與解吸埋深與解吸/ /分散分散沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表無煙煤）沁水盆地

12、煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表無煙煤） 樣品樣品編號(hào)編號(hào) 組分含量組分含量/%/% 同位素同位素1313C C、D() D() CH4C2H6CO213C113C213CCO2D1FZ00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159P00399.120.

13、0080.13-32.60-18.5023.20-172P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-1523 3、煤層氣成分與同位素組成、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)果煤礦采掘面煤巖解吸氣分析結(jié)果 樣品編號(hào)樣品編號(hào)礦礦區(qū)區(qū)煤煤層層組分含量組分含量/%同位素同位素1313C C 、DD1 1/ H-L-1H-L-1李李雅雅莊莊煤煤礦礦2CHCH4 4C C2 2H H6 6N N2 2COCO2 21313C C1 11313C C2 21313C CCO2CO2DD1 1K-H-Li-2K-H-Li-294.7294.720.0220.022

14、4.634.630.300.30-59.1-59.1 -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寺寺河河煤煤礦礦368.3568.350.0100.01030.8730.870.370.37-61.5-61.5-20.5-20.5-16.4-16.4-228

15、-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

16、-12.5-12.5-10.7-10.7-184-184甲烷碳同位素甲烷碳同位素13C113C1） 煤層氣煤層氣13C113C1變化于變化于-78-78-13-13乙烷碳同位素乙烷碳同位素13C213C2） 煤層氣煤層氣13C213C2變化于變化于-25-25-12-12氫同位素氫同位素1H1H） 煤層氣煤層氣1H1H變化于變化于-228-228-171-171CO2CO2的的13C13C 分布范圍為分布范圍為-17-17+28+28 主要集中于主要集中于-10.7 -10.7 15.8 15.8 4 4、煤的顯微組分、煤的顯微組分 腐泥型煤腐泥型煤I I、IIII型干酪根生成濕氣和型干酪根生

17、成濕氣和液態(tài)烴液態(tài)烴 腐殖型煤腐殖型煤IIIIII型干酪根則生成較干的型干酪根則生成較干的氣體。氣體。 5 5、煤層氣的成因、煤層氣的成因 生物成因、熱成因、次生作用生物成因、熱成因、次生作用/ /水文地質(zhì)水文地質(zhì)作用作用6 6、CH4CH4和和CO2CO2的碳同位素交換平衡效應(yīng)的碳同位素交換平衡效應(yīng)242413121213COCHCOCHCCCC使煤層中的使煤層中的13 C113 C1大幅度降低，大幅度降低，導(dǎo)致煤層氣中導(dǎo)致煤層氣中CH4CH4碳同素變輕碳同素變輕 第四節(jié)、煤層氣的物理性質(zhì)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)層中往往含甲烷為無色、無味、無溴、無

18、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，在大氣壓大氣壓0.101325 MPa，溫度，溫度0C的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方米重的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方米重0.716 Kg與空氣比較，其比重約為與空氣比較，其比重約為0.554比空氣輕。當(dāng)空氣中混有比空氣輕。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)到濃度的甲烷，遇火即可燃燒或爆炸。甲烷濃度達(dá)到43%，人，人感到呼吸短促；甲烷濃度達(dá)到感到呼吸短促；甲烷濃度達(dá)到57%，人處于昏迷狀態(tài)，甲烷濃度，人處于昏迷狀態(tài)，甲烷濃度達(dá)到達(dá)到9.5%，

19、遇明火爆炸最為猛烈。，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。出可使人窒息。0.071.572.271.191.520.970.554相相對(duì)對(duì)比比重重?zé)o無有有有有有有無無有有無無毒毒性性474.2%4.345.5%不不爆爆12.575%516%爆爆炸炸性性微微溶溶極極易易溶溶易易溶溶易易溶溶易易溶溶微微溶溶難難溶溶水水溶溶性性無無褐褐紅紅色色無無無無無無無無無無色色無無有有刺刺激激味味酸酸味味硫硫磺磺味味臭臭味味略略帶帶酸酸味味微微有有甜甜無無味味H2NO2SO2H2SCO2COCH4氣氣體體煤

20、煤層層氣氣的的物物理理性性質(zhì)質(zhì)表 2-2 煤中吸附介質(zhì)分子直徑、沸點(diǎn)和分子自由程（0， 0101325MPa） 吸附介質(zhì) CH4 H2O N2 CO2 C2H6 H2S H2 分子量 16.042 18 28.013 44.010 30.070 34.070 2.016 分子直徑nm 0.330.42 0.29 0.320.38 0.330.47 0.440.55 臨界溫度 -82.57 374.1 -126.2 31.06 32.37 100.39 -239.90 臨界壓力MPa 4.604 21.83 3.399 7.384 4.880 9.05 1.297 平均自由程nm 53.0 74

21、.6 83.9 沸點(diǎn) -161.49 100 -195.80 -78.50 -88.60 -60.33 -252.70 動(dòng)力粘度10-5Pas 1.084 1.765 1.466 偏心因子 0.008 0.344 0.040 0.225 液態(tài)密度 0.425 0.998 0.777 絕對(duì)密度(15.5) 0.677 1.00 1.182 1.858 1.269 1.48 相對(duì)密度(15.5) 0.554 0.967 1.519 1.038 1.178 0.069 熱值/KJm-3 37.62 不可燃 不可燃 65.90 23.73 12.07 溶解系數(shù) m3/m3atm 0.033 0.016

22、 0.87 0.047 2.58 臨界溫度臨界溫度 是指氣相純物質(zhì)維持液相的最高溫度，是指氣相純物質(zhì)維持液相的最高溫度，高于這一溫度，氣體即不能用簡單升高壓力高于這一溫度，氣體即不能用簡單升高壓力的辦法不降低溫度使之轉(zhuǎn)化為液體；的辦法不降低溫度使之轉(zhuǎn)化為液體；臨界壓力臨界壓力 是指氣、液兩相共存的最高壓力，即在是指氣、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。能同時(shí)存在。超

23、臨界狀態(tài)超臨界狀態(tài) 只有當(dāng)溫度和壓力均超過其臨界溫度和只有當(dāng)溫度和壓力均超過其臨界溫度和臨界壓力臨界壓力 溶解度：溶解度：2020、1atm1atm下單位體積水中溶解的氣體體下單位體積水中溶解的氣體體積稱為溶解度積稱為溶解度m3m3氣氣/m3/m3水），溶解度同氣體壓力的水），溶解度同氣體壓力的比值稱為溶解系數(shù)比值稱為溶解系數(shù)m3/m3atmm3/m3atm）。）。0 20 40 60 80 100 120 溫度/ 溶 解 度 m3/m3 3.4MPa6.8MPa10.2MPa 1.5 0.5 0 2.5 2.0 1.0 溫度/ 礦化度=20mg/ml0.00.51.01.52.02.53.0

24、3.54.04.503691215182124273033壓力/MPa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)T=20T=40T=60T=80礦化度=100mg/ml0.00.51.01.52.02.53.003691215182124273033壓力/MPa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)T=20T=40T=60T=80礦化度=200mg/ml0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.803691215182124273033壓力/MPa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)T=20T=40T=60T=80礦化度=300mg/ml0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.003691215182124273033壓力/MPa甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)T=20T=40T=60煤中有機(jī)質(zhì)微粒對(duì)甲烷溶解度有重要影響。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，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