第二章煤層氣的基本概念與性質(zhì)

1、第二章煤層氣的基本概念與性質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 煤層氣的基本概念煤層氣的基本概念 1 1、煤型氣（煤成氣）、煤型氣（煤成氣） 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)。于煤層和其它巖層內(nèi)。 過去認(rèn)為天然氣和油氣田息息相關(guān)，后來發(fā)現(xiàn)了煤成過去認(rèn)為天然氣和油氣田息息相關(guān)，后來發(fā)現(xiàn)了煤成氣，并成為天然氣的一個(gè)重要類型。地殼中的天然氣可以氣，并成為天然氣的一個(gè)重要類型。地殼中的天然氣可以分為油成氣、煤成氣和它成氣三大類。分為油成氣、煤成氣和

2、它成氣三大類。 煤成氣和油成氣的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)：煤成氣和油成氣的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)： 1、氣源不同、氣源不同 煤成氣來自煤系和煤層；油成氣來自煤成氣來自煤系和煤層；油成氣來自生油巖系。生油巖系。 2、干酪根類型不同、干酪根類型不同 煤成氣以腐植型為主；油成氣以腐煤成氣以腐植型為主；油成氣以腐泥型和過渡型為主。泥型和過渡型為主。 3、甲烷碳同位素比值（、甲烷碳同位素比值（13C1）不同）不同 煤成氣煤成氣 13C1 =-20-30，偏重；油成氣，偏重；油成氣13C1 =-30-55，偏輕。，偏輕。 煤成氣可分為煤系氣和煤層氣兩大類型。煤系氣屬常規(guī)天然煤成氣可分為煤系氣和煤層氣兩大類型。煤系氣

3、屬常規(guī)天然氣，氣源來自煤系地層，一般均經(jīng)過較大規(guī)模的運(yùn)移，氣，氣源來自煤系地層，一般均經(jīng)過較大規(guī)模的運(yùn)移， CH4含量含量相對(duì)偏低；煤層氣屬非常規(guī)天然氣，氣源來自煤層，一般未經(jīng)長(zhǎng)相對(duì)偏低；煤層氣屬非常規(guī)天然氣，氣源來自煤層，一般未經(jīng)長(zhǎng)距離運(yùn)移，距離運(yùn)移， CH4含量相對(duì)偏高。含量相對(duì)偏高。 煤系氣和煤層氣都可分為兩大部分，即：留存在生氣母巖（煤煤系氣和煤層氣都可分為兩大部分，即：留存在生氣母巖（煤系或煤層）中，基本上未經(jīng)運(yùn)移的那部分煤成氣，稱為煤中氣；從系或煤層）中，基本上未經(jīng)運(yùn)移的那部分煤成氣，稱為煤中氣；從生氣母巖運(yùn)移出去的那部分煤成氣，稱為煤出氣。生氣母巖運(yùn)移出去的那部分煤成氣，稱為煤出

4、氣。 煤出氣又可分為兩部分，即：已經(jīng)分散的失去工業(yè)價(jià)值的煤煤出氣又可分為兩部分，即：已經(jīng)分散的失去工業(yè)價(jià)值的煤出氣稱為煤散氣，它占煤出氣的大部分；聚集在一起形成煤氣田，出氣稱為煤散氣，它占煤出氣的大部分；聚集在一起形成煤氣田，可供開采利用的煤出氣稱為煤聚氣，它占煤出氣的小部分?？晒╅_采利用的煤出氣稱為煤聚氣，它占煤出氣的小部分。 由此可知，煤層實(shí)質(zhì)上是固體的煤和煤中氣共生的礦層由此可知，煤層實(shí)質(zhì)上是固體的煤和煤中氣共生的礦層固氣態(tài)礦層。固氣態(tài)礦層。煤型氣煤型氣coal-type gas 或稱或稱煤成氣煤成氣coal generated gas 在含煤巖系（簡(jiǎn)稱煤系）形成與演化過程中，在含煤巖系

5、（簡(jiǎn)稱煤系）形成與演化過程中， 煤系地層（包括煤層和巖層）里的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)出的煤系地層（包括煤層和巖層）里的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)出的 以甲烷為主的天然氣。以甲烷為主的天然氣。煤系內(nèi)其他巖層也可能賦存有煤型氣，煤系內(nèi)其他巖層也可能賦存有煤型氣，但極少成為有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的儲(chǔ)氣層。但極少成為有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的儲(chǔ)氣層。煤型氣可能賦存到煤系以外的儲(chǔ)氣層內(nèi)，煤型氣可能賦存到煤系以外的儲(chǔ)氣層內(nèi)，成為常規(guī)天然氣氣藏。成為常規(guī)天然氣氣藏。 2 2、煤層氣、煤層氣 是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆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粒表面為主并部分游離于

6、煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。由于其成分以甲烷為主，往往將其簡(jiǎn)稱為煤層甲烷。體。由于其成分以甲烷為主，往往將其簡(jiǎn)稱為煤層甲烷。 煤層氣就是儲(chǔ)存在煤層內(nèi)的煤型氣。煤層氣常被稱為煤層氣就是儲(chǔ)存在煤層內(nèi)的煤型氣。煤層氣常被稱為“自自生自儲(chǔ)生自儲(chǔ)”的非常規(guī)天然氣。的非常規(guī)天然氣。 應(yīng)該從廣義上理解此觀點(diǎn)，應(yīng)該從廣義上理解此觀點(diǎn)， 氣體氣體在煤層內(nèi)一直處于運(yùn)移的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，現(xiàn)今的在煤層內(nèi)一直處于運(yùn)移的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，現(xiàn)今的“煤層氣煤層氣”不一定就是原地生成的。不一定就是原地生成的。 應(yīng)用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)看待煤層氣十分重要！應(yīng)用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)看待煤層氣十分重要！ 由一個(gè)含煤巖系生成的由一個(gè)含煤巖系生成的“煤成

7、（型）氣煤成（型）氣”中，現(xiàn)中，現(xiàn)今儲(chǔ)集在煤層內(nèi)的今儲(chǔ)集在煤層內(nèi)的“煤層氣煤層氣”是其很少部分，是其很少部分， 能夠聚能夠聚集成常規(guī)天然氣藏的更是少部分，大部分氣體逸散。集成常規(guī)天然氣藏的更是少部分，大部分氣體逸散。 3 3、瓦斯、瓦斯 是指煤礦生產(chǎn)過程中，從煤層、巖層和采空區(qū)放出的各種有害是指煤礦生產(chǎn)過程中，從煤層、巖層和采空區(qū)放出的各種有害氣體的總稱。氣體的總稱。 在陳述煤層氣的地質(zhì)問題時(shí)，在陳述煤層氣的地質(zhì)問題時(shí)， 煤層氣與瓦斯兩個(gè)術(shù)語是同義詞；煤層氣與瓦斯兩個(gè)術(shù)語是同義詞； 在陳述煤礦巷道里的在陳述煤礦巷道里的“瓦斯瓦斯”時(shí)，時(shí)， 二者又不能完全看成同義詞。二者又不能完全看成同義詞。

8、煤層氣煤層氣coalbed gas賦存在煤層里的天然氣。賦存在煤層里的天然氣。煤層甲烷煤層甲烷 coalbed methane煤層氣中的甲烷。煤層氣中的甲烷。 “瓦斯瓦斯”我國(guó)采煤界習(xí)慣用的術(shù)語。我國(guó)采煤界習(xí)慣用的術(shù)語。 “瓦斯”一詞來自日語“（瓦斯）”。 “瓦斯瓦斯”常用含義有以下兩種：常用含義有以下兩種： 1, 煤礦井下工程里的甲烷（煤礦井下工程里的甲烷（CH4），又稱沼氣），又稱沼氣； 2，賦存在煤層和巖層里，尚未涌入礦井的天然氣賦存在煤層和巖層里，尚未涌入礦井的天然氣。 瓦斯和煤中氣的概念相似，但不完全相同！瓦斯和煤中氣的概念相似，但不完全相同！ 頂?shù)装鍘r層中的瓦斯和采空區(qū)的瓦斯都來自

9、煤中氣，這頂?shù)装鍘r層中的瓦斯和采空區(qū)的瓦斯都來自煤中氣，這是由于采動(dòng)影響和人為的逸散到巖層和采空區(qū)中去的，但這是由于采動(dòng)影響和人為的逸散到巖層和采空區(qū)中去的，但這部分氣體既然已經(jīng)從煤層中出來，嚴(yán)格講就不再是煤中氣了，部分氣體既然已經(jīng)從煤層中出來，嚴(yán)格講就不再是煤中氣了，和前者區(qū)別，稱這部分氣體為人工煤散氣；采動(dòng)后仍保存在和前者區(qū)別，稱這部分氣體為人工煤散氣；采動(dòng)后仍保存在煤層中的瓦斯，稱為保有煤中氣。因此，人工煤散氣就是生煤層中的瓦斯，稱為保有煤中氣。因此，人工煤散氣就是生產(chǎn)上所說的礦井瓦斯；從廣義說，人工煤散氣和保有煤中氣產(chǎn)上所說的礦井瓦斯；從廣義說，人工煤散氣和保有煤中氣合稱為礦井瓦斯。保

10、有煤中氣隨時(shí)可以涌出煤層，轉(zhuǎn)化為人合稱為礦井瓦斯。保有煤中氣隨時(shí)可以涌出煤層，轉(zhuǎn)化為人工煤散氣，兩者是不可分割的。工煤散氣，兩者是不可分割的。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 一、煤層氣的化學(xué)組成一、煤層氣的化學(xué)組成 1、烴類氣體、烴類氣體 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷。 干氣（貧氣）：干氣（貧氣）：CH495% 或或 C1% 95% 濕氣（富氣）：濕氣（富氣）： CH45% C1/ C1 5值大于值大于99%，為特別干的氣體，為特別干的氣體， 95%99%為干氣，為干氣， 85%95%為濕氣，為濕氣， 小于小于85%，為特別濕的氣體。，為特別濕

11、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、氫及微量的惰性氣體。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二、控制煤層氣成分的主要因素 1 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 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 3、煤化作用程度，即煤階、煤化作用程度，即煤階/ /煤級(jí)；煤級(jí)； 中變質(zhì)煤中重?zé)N含量最高，而低、高變質(zhì)煤中重?zé)N含量最低。中變質(zhì)煤中重?zé)N含量最高，而低、高變質(zhì)煤中重?zé)N含量最低。 4 4、煤層氣解吸階段、煤層氣解吸階段 5 5、水文地

12、質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件 二氧化碳易溶于水，且易被地下水帶走，因而二氧化碳含量主要受地下水的影響。二氧化碳易溶于水，且易被地下水帶走，因而二氧化碳含量主要受地下水的影響。幾個(gè)國(guó)家煤的瓦斯成分分析表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

13、沁水盆地不同類型氣樣組分變化對(duì)比表 由此可知，組成瓦斯的成分包括：甲烷（沼氣）由此可知，組成瓦斯的成分包括：甲烷（沼氣）CH4，一，一般可占到般可占到80%以上；二氧化碳以上；二氧化碳CO2和氮和氮N2，一般占，一般占1%20%左右；重?zé)N及其化合物，包括乙烷左右；重?zé)N及其化合物，包括乙烷C2H8、丙烷、丙烷C3H8、丁烷、丁烷C4H10、戊烷、戊烷C6H12等，含量很少，一般在等，含量很少，一般在1%以下；氫以下；氫H2、一氧化碳一氧化碳CO、二氧化硫、二氧化硫SO2及硫化氫及硫化氫H2S等氣體，一般含量等氣體，一般含量和少，但危害很大；氦和少，但危害很大；氦He、氖、氖Ne、氬、氬Ar、氪、

14、氪Ke、氙、氙Xe等有等有害氣體，含量甚微。害氣體，含量甚微。 從上述看出，瓦斯成分及其復(fù)雜，它主要是由甲烷（沼氣）、從上述看出，瓦斯成分及其復(fù)雜，它主要是由甲烷（沼氣）、二氧化碳?xì)夂偷獨(dú)饨M成。其中沼氣是瓦斯的主體部分。二氧化碳?xì)夂偷獨(dú)饨M成。其中沼氣是瓦斯的主體部分。“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”早在上世紀(jì)早在上世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，年代，前蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，頓巴斯淺部瓦斯的成分有垂向分帶現(xiàn)象，頓巴斯淺部瓦斯的成分有垂向分帶現(xiàn)象，自淺部向深部一般可分四個(gè)帶，自淺部向深部一般可分四個(gè)帶，采煤界習(xí)慣將前三個(gè)帶統(tǒng)稱為采煤界習(xí)慣將前三個(gè)帶統(tǒng)稱為“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”。 淺部煤層氣成分垂向各帶氣體組成淺

15、部煤層氣成分垂向各帶氣體組成名 稱CH4 （體積 %）CO2 （體積 %）N2 （體積 %）瓦斯風(fēng)化帶CO2N2帶 202080N2帶 20 80N2CH4帶 80 1020 80 10 20 嚴(yán)格說，用嚴(yán)格說，用“瓦斯風(fēng)化瓦斯風(fēng)化”一詞并不確切。一詞并不確切。在所謂在所謂“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”內(nèi)，內(nèi)，煤層里發(fā)生過瓦斯與地表大氣互相交換，煤層里發(fā)生過瓦斯與地表大氣互相交換，以甲烷為主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大氣，以甲烷為主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大氣，同時(shí)大氣中的二氧化碳與氮進(jìn)入煤層同時(shí)大氣中的二氧化碳與氮進(jìn)入煤層以致煤層內(nèi)的甲烷濃度減小，二氧化碳與氮的濃度增大。以致煤層內(nèi)的甲烷濃度

16、減小，二氧化碳與氮的濃度增大。甲烷、二氧化碳與氮本身并沒有甲烷、二氧化碳與氮本身并沒有“風(fēng)化風(fēng)化”。 現(xiàn)在術(shù)語現(xiàn)在術(shù)語“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”已經(jīng)廣為流行已經(jīng)廣為流行?！巴咚癸L(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”以下的甲烷（以下的甲烷（CH4）帶的氣體成分才）帶的氣體成分才是正常的瓦斯成分。是正常的瓦斯成分。研究煤層瓦斯應(yīng)該以正常瓦斯帶，即甲烷帶為對(duì)象。研究煤層瓦斯應(yīng)該以正常瓦斯帶，即甲烷帶為對(duì)象。正常瓦斯帶氣成分中的甲烷濃度理應(yīng)不低于正常瓦斯帶氣成分中的甲烷濃度理應(yīng)不低于80。有些文獻(xiàn)作者沒有注意這一點(diǎn)，把有些文獻(xiàn)作者沒有注意這一點(diǎn)，把“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”里的里的氣體與正常甲烷帶的氣體混在一起作分析，以致在

17、討論氣體與正常甲烷帶的氣體混在一起作分析，以致在討論瓦斯成分與含量時(shí)往往發(fā)生概念不清。瓦斯成分與含量時(shí)往往發(fā)生概念不清。確定確定“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”的下部邊界的下部邊界應(yīng)該用甲烷及重?zé)N濃度之和應(yīng)該用甲烷及重?zé)N濃度之和 80 %（按體積）為指標(biāo)。（按體積）為指標(biāo)。煤礦實(shí)測(cè)瓦斯成分的資料往往不足，煤礦實(shí)測(cè)瓦斯成分的資料往往不足，難以勾畫出難以勾畫出“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”下界。下界。采煤人員用相對(duì)瓦斯涌出量（采煤人員用相對(duì)瓦斯涌出量（2m3/t.d），），或瓦斯壓力（或瓦斯壓力（0.15MPa），），或瓦斯含量或瓦斯含量(煙煤煙煤23m3/t，無煙煤，無煙煤57 m3/t)等指標(biāo)等指標(biāo)劃定劃定

18、“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”下界。下界。由于地質(zhì)條件的不同，由于地質(zhì)條件的不同，“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”的下界深度差異很大，變的下界深度差異很大，變化范圍從幾十米至幾百米。化范圍從幾十米至幾百米。我國(guó)不少煤田內(nèi)第四紀(jì)和第三紀(jì)的沖積層厚度很大，我國(guó)不少煤田內(nèi)第四紀(jì)和第三紀(jì)的沖積層厚度很大，不整合覆蓋在煤系地層之上。不整合覆蓋在煤系地層之上?！巴咚癸L(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”的下界在不整合面（基巖面）下幾十到百余米。的下界在不整合面（基巖面）下幾十到百余米。這樣的這樣的“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”是是“古瓦斯風(fēng)化帶古瓦斯風(fēng)化帶”。由于由于“瓦斯風(fēng)化帶瓦斯風(fēng)化帶”內(nèi)甲烷濃度低，瓦斯對(duì)生產(chǎn)一般不會(huì)造內(nèi)甲烷濃度低，瓦斯對(duì)

19、生產(chǎn)一般不會(huì)造成大的威脅。成大的威脅。當(dāng)通風(fēng)不良和停風(fēng)時(shí)可能因二氧化碳和氮的局部富集產(chǎn)生當(dāng)通風(fēng)不良和停風(fēng)時(shí)可能因二氧化碳和氮的局部富集產(chǎn)生窒息危險(xiǎn)；或因甲烷局部富集產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。窒息危險(xiǎn)；或因甲烷局部富集產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。三、煤層氣的同位素特征三、煤層氣的同位素特征 煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布（據(jù)葉建平等，煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的地域分布（據(jù)葉建平等，1998）我國(guó)不同地區(qū)、不同時(shí)代和不我國(guó)不同地區(qū)、不同時(shí)代和不同煤級(jí)中同煤級(jí)中1313C C1 1的分布特征差異的分布特征差異較大。較大。從區(qū)域上看，華北煤層氣從區(qū)域上看，華北煤層氣1313C C1 1為為-78 -78 -28 -28 ，華南煤層

20、氣，華南煤層氣1313C C1 1為為-68 -68 -25 -25 ，東北，東北煤層氣煤層氣1313C C1 1為為-68 -68 -49 -49 。上述特征總體體現(xiàn)了不同地質(zhì)時(shí)代、上述特征總體體現(xiàn)了不同地質(zhì)時(shí)代、不同構(gòu)造背景下煤中有機(jī)質(zhì)生烴演不同構(gòu)造背景下煤中有機(jī)質(zhì)生烴演化的特點(diǎn)。化的特點(diǎn)。加拿大和美國(guó)煤層氣濕氣比例隨鏡質(zhì)組反射率的演化規(guī)律加拿大和美國(guó)煤層氣濕氣比例隨鏡質(zhì)組反射率的演化規(guī)律煤層氣的濕度及煤層氣的濕度及1313C C1 1隨煤級(jí)或埋藏深度等的隨煤級(jí)或埋藏深度等的變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。低煤級(jí)和高煤級(jí)氣體較干，低煤級(jí)和高煤級(jí)氣體較干，中煤級(jí)氣體較濕。中煤級(jí)氣

21、體較濕。美國(guó)和加拿大氣體濕度美國(guó)和加拿大氣體濕度最大的位置在最大的位置在R Ro o=0.6%=0.6%0.8%0.8%。中國(guó)東部煤層氣中濕氣比例隨鏡質(zhì)組反射率的演化中國(guó)東部煤層氣中濕氣比例隨鏡質(zhì)組反射率的演化從中國(guó)各時(shí)代煤層氣的成分來看，淺部從中國(guó)各時(shí)代煤層氣的成分來看，淺部生產(chǎn)礦井的煤層氣全為干氣，而中深部生產(chǎn)礦井的煤層氣全為干氣，而中深部礦井煤層氣及熱解試驗(yàn)氣在中煤級(jí)變濕礦井煤層氣及熱解試驗(yàn)氣在中煤級(jí)變濕。中國(guó)氣體濕度最大的位置在中國(guó)氣體濕度最大的位置在R Ro o=1.25%=1.25%1.35%1.35%。前聯(lián)邦德國(guó)上石炭統(tǒng)煤層氣中前聯(lián)邦德國(guó)上石炭統(tǒng)煤層氣中CH4碳同位素碳同位素13

22、C1隨深度的變化規(guī)律隨深度的變化規(guī)律（不同符號(hào)代表不同樣點(diǎn)）（不同符號(hào)代表不同樣點(diǎn)）煤層氣煤層氣13C1與煤層現(xiàn)今的埋藏深度有一定的關(guān)與煤層現(xiàn)今的埋藏深度有一定的關(guān)系，隨著煤層埋深的增加，系，隨著煤層埋深的增加，煤層氣煤層氣13C1逐漸增加。逐漸增加。1 1、 煤級(jí)煤級(jí)中國(guó)煤層氣甲烷碳同位素組成中國(guó)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(zhǎng)焰煤長(zhǎng)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

23、/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 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/4-41.8/4-36.7/7-36.7/7 第三節(jié)第三節(jié) 煤層氣煤層氣 地球化學(xué)特征的影響因素地球化學(xué)特征的影響因素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)定同位素分布生物成因氣與熱成因氣的地球化生物成因氣與熱成因氣的地球化學(xué)特征有較大差異。學(xué)特征有較大差異。首先，生物成因氣主要由首先，

24、生物成因氣主要由CH4CH4組組成，而熱成因氣普遍含重?zé)N；成，而熱成因氣普遍含重?zé)N；其次，生物成因氣碳同位素其次，生物成因氣碳同位素較輕，而熱成因氣的碳同位較輕，而熱成因氣的碳同位素較重，且隨煤級(jí)增高有愈素較重，且隨煤級(jí)增高有愈加變重趨勢(shì)。加變重趨勢(shì)。2 2、煤的組成、煤的組成 煤的組成不僅對(duì)煤層氣的濕度有較大的影響，而且也會(huì)影響煤層氣的同位素煤的組成不僅對(duì)煤層氣的濕度有較大的影響，而且也會(huì)影響煤層氣的同位素特征。富氧干酪根（多數(shù)為鏡質(zhì)組）生成的氣體在熱成熟度相同的條件下，特征。富氧干酪根（多數(shù)為鏡質(zhì)組）生成的氣體在熱成熟度相同的條件下，13C1值比富氫干酪根（殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組）高，并且值比

25、富氫干酪根（殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組）高，并且CH4和和C2H6的的13C1值分布范圍狹窄。這種差異是由于富氫干酪根生成的脂肪型結(jié)構(gòu)經(jīng)值分布范圍狹窄。這種差異是由于富氫干酪根生成的脂肪型結(jié)構(gòu)經(jīng)熱解產(chǎn)生的熱解產(chǎn)生的CH4同位素值較低，而富氧干酪根生成的芳香型結(jié)構(gòu)經(jīng)熱解同位素值較低，而富氧干酪根生成的芳香型結(jié)構(gòu)經(jīng)熱解生成的生成的CH4同位素值較重。同位素值較重。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.

26、0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表（無煙煤）沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表（無煙煤） 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 C

27、2 21313C CCO2CO2DD1 1K-H-Li-2K-H-Li-294.7294.720.0220.0224.634.630.300.30-59.1-59.1 -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368.3568.350.010

28、0.01030.8730.870.370.37-61.5-61.5-20.5-20.5-16.4-16.4-228-228J-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-593.1693.160.0130.0136.726.720.020.02-35.3-35.3-12.8-12.8-12.8-12.8-171-17

29、1H-L-1H-L-194.4794.470.0160.0165.415.410.030.03-35.6-35.6-12.5-12.5-10.7-10.7-184-184甲烷碳同位素（甲烷碳同位素（1313C C1 1） 煤層氣煤層氣1313C C1 1變化于變化于-78-78-13-13乙烷碳同位素（乙烷碳同位素（1313C C2 2） 煤層氣煤層氣1313C C2 2變化于變化于-25-25-12-12氫同位素（氫同位素（1 1H H） 煤層氣煤層氣1 1H H變化于變化于-228-228-171-171COCO2 2的的1313C C 分布范圍為分布范圍為-17-17+28+28 主要集

30、中于主要集中于-10.7 -10.7 15.8 15.8 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）生成濕氣和液態(tài)烴型干酪根）生成濕氣和液態(tài)烴 腐植型煤（腐植型煤（IIIIII型干酪根）則生成較干的氣體。型干酪根）則生成較干的氣體。 3 3、 次生生物成因氣的形成次生生物成因氣的形成在較淺的埋藏深度在較淺的埋藏深度, , 微生物活動(dòng)可以三種方式影響煤層氣的成分微生物活動(dòng)可以三種方式影響煤層氣的成分: : 其一其一, , 大量晚期生物成因的大量晚期生物成因的CH4CH4能夠與前期形成的熱成因氣體混合或能夠與前期形成的熱成因氣體混合或充填脫氣煤層充填脫氣煤層; ; 其

31、二其二, , 需氧細(xì)菌活動(dòng)可導(dǎo)致需氧細(xì)菌活動(dòng)可導(dǎo)致CH4 CH4 的氧化和消耗的氧化和消耗, , 但這一過程對(duì)淺部煤層氣地球但這一過程對(duì)淺部煤層氣地球化學(xué)特征影響不大化學(xué)特征影響不大; ; 其三其三, , 厭氧細(xì)菌能優(yōu)先破壞大多數(shù)濕氣組分厭氧細(xì)菌能優(yōu)先破壞大多數(shù)濕氣組分, , 以造成以造成CH4 CH4 富集。富集。4 4、 煤層氣的解吸與擴(kuò)散煤層氣的解吸與擴(kuò)散 煤層抬升后煤層抬升后, , 為煤層氣的強(qiáng)烈解吸與擴(kuò)散創(chuàng)造了極為有利的條件為煤層氣的強(qiáng)烈解吸與擴(kuò)散創(chuàng)造了極為有利的條件. . 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子小、重量輕的甲烷比結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、分子大且重的重?zé)N氣解吸容易、速單、分子小、重量輕的甲烷比結(jié)構(gòu)

32、較復(fù)雜、分子大且重的重?zé)N氣解吸容易、速度快度快, , 在同為甲烷分子中輕的在同為甲烷分子中輕的1212C C 甲烷由于極性弱，比重的甲烷由于極性弱，比重的1313C C 甲烷甲烷( (極性強(qiáng)極性強(qiáng)) ) 解吸容易且速度快解吸容易且速度快. . 煤層發(fā)生強(qiáng)烈解吸煤層發(fā)生強(qiáng)烈解吸擴(kuò)散而貧或無重?zé)N氣的地?cái)U(kuò)散而貧或無重?zé)N氣的地帶稱之為解吸帶帶稱之為解吸帶, , 其下的原生帶解吸作用較弱其下的原生帶解吸作用較弱, , 解吸出的氣體主要解吸出的氣體主要是是1212C C 為主的為主的CH4 , CH4 , 這些氣體向解吸帶運(yùn)移這些氣體向解吸帶運(yùn)移, , 一部分進(jìn)入解吸帶煤層中一部分進(jìn)入解吸帶煤層中, ,

33、就造就造成后者煤層氣變干變輕。成后者煤層氣變干變輕。5 5、 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) 煤的熱模擬實(shí)驗(yàn)表明煤的熱模擬實(shí)驗(yàn)表明, , 原始形成的煤層氣中原始形成的煤層氣中CO2 CO2 和和CH4 CH4 含量均較多。含量均較多。 CH4 CH4 和和CO2 CO2 的碳同位素交換平衡效應(yīng)的碳同位素交換平衡效應(yīng), , 使煤層中甲烷使煤層中甲烷13C 13C 大幅度降低大幅度降低, , 導(dǎo)致煤層氣導(dǎo)致煤層氣甲烷碳同位素變輕甲烷碳同位素變輕. . 其反應(yīng)如下其反應(yīng)如下: : CH4 CH4 和和CO2 CO2 的碳同位素交換平衡使的碳同位素交換平衡使1

34、3C 13C 變輕作用變輕作用, , 主要發(fā)生在煤層氣形主要發(fā)生在煤層氣形成后的早期成后的早期, , 因?yàn)榇藭r(shí)煤層氣中因?yàn)榇藭r(shí)煤層氣中CH4 CH4 和和CO2 CO2 含量均較高含量均較高, , 而到后期由于而到后期由于CO2 CO2 大大量被溶解量被溶解, CH4 , CH4 含量就占優(yōu)勢(shì)而含量就占優(yōu)勢(shì)而CO2 CO2 含量很少或沒有含量很少或沒有, , 交換平衡對(duì)交換平衡對(duì)13C 13C 變輕變輕作用影響不大。作用影響不大。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)層中往往含有少量其它芳甲烷為無色、無味、無溴、無毒的氣體，但煤儲(chǔ)層中往往含

35、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，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比空氣比空氣輕。當(dāng)空氣中混有輕。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。濃度的甲烷，遇火即可燃燒或爆炸。甲烷濃度達(dá)甲烷濃度達(dá)到到43%43%，人感到呼吸短促；甲烷濃度達(dá)到，人感到呼吸短促；甲烷濃度達(dá)到57%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%9.5%，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、