煤層氣組成與性質(zhì)

1、煤層氣的物質(zhì)組成與性質(zhì)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)煤層氣的物理性質(zhì) 五、煤層氣對環(huán)境的影響煤層氣對環(huán)境的影響二、 煤層氣的組成及化學(xué)組分煤層氣的組成及化學(xué)組分一、 煤層氣的形成及成因類型煤層氣的形成及成因類型12基本概念基本概念一、煤層氣的形成及成因類型一、煤層氣的形成及成因類型天然氣天然氣非常規(guī)天然氣非常規(guī)天然氣1、天然氣狹義的天然氣狹義的天然氣目前僅限于地殼上部存在的各種天然氣體，目前僅限于地殼上部存在的各種天然氣體，包括烴類氣體和非烴類氣體。包括烴類氣體和非烴類氣體。廣義的天然氣廣義的天然氣指存在于自然界的

2、一切氣體。指存在于自然界的一切氣體。根據(jù)其存在環(huán)境，可分根據(jù)其存在環(huán)境，可分8 8類：類：大氣；地表沉積物中氣；沉積巖中的氣；海洋中溶解氣；大氣；地表沉積物中氣；沉積巖中的氣；海洋中溶解氣；變質(zhì)巖中氣；巖漿巖中氣；地幔排出氣；宇宙氣。變質(zhì)巖中氣；巖漿巖中氣；地幔排出氣；宇宙氣。（1）（2）（一）基本概念（一）基本概念2 2、非常規(guī)天然氣、非常規(guī)天然氣目前主要指煤層氣、頁巖裂縫中的氣、淺層生物氣（沼氣）目前主要指煤層氣、頁巖裂縫中的氣、淺層生物氣（沼氣）和盆地中心氣包括深盆氣。和盆地中心氣包括深盆氣。煤型氣煤型氣 是指煤系地層中煤和分散有機質(zhì)，在成巖和煤化過程中是指煤系地層中煤和分散有機質(zhì)，在成

3、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的煤型氣稱為煤層氣煤層氣或或煤層甲烷煤層甲烷，賦存在圍巖中的煤型氣，賦存在圍巖中的煤型氣稱為稱為煤成氣煤成氣。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氣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，往往將其簡稱為煤層甲烷體，其成

4、分以甲烷為主，往往將其簡稱為煤層甲烷。瓦斯氣瓦斯氣是賦存在煤層中的煤層氣與采動影響帶中的煤成（層）氣、是賦存在煤層中的煤層氣與采動影響帶中的煤成（層）氣、采空區(qū)的煤型氣及采掘活動過程中新生成的各種氣體的總稱。采空區(qū)的煤型氣及采掘活動過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泥炭植物死亡植物死亡褐煤褐煤煙煤煙煤（二）煤層氣的形成及成因類型（二）煤層氣的形成及成因類型階段五無煙煤無煙煤埋藏堆積及泥炭化作用埋藏堆積及泥炭化作用煤化作用煤化作用煤化作用煤化作用煤化作用煤化作用 氣體氣體1 1、成氣過程、成氣過程生物成因氣生物成因氣 是由各類微生物經(jīng)過一系列復(fù)雜作用過程導(dǎo)致有機質(zhì)發(fā)生降解

5、而形是由各類微生物經(jīng)過一系列復(fù)雜作用過程導(dǎo)致有機質(zhì)發(fā)生降解而形成的。可形成于煤化作用早期階段成的。可形成于煤化作用早期階段( (泥炭泥炭- -褐煤褐煤) )以及煤層形成以后的構(gòu)以及煤層形成以后的構(gòu)造抬升階段，因此可分為造抬升階段，因此可分為早期早期( (原生原生) )生物成因氣生物成因氣與與晚期晚期( (次生次生) )生物成生物成因氣因氣。 2、成因類型、成因類型熱成因氣熱成因氣 是指隨著煤化作用的進行，伴隨溫是指隨著煤化作用的進行，伴隨溫 度升高、煤分子結(jié)構(gòu)與度升高、煤分子結(jié)構(gòu)與成分的變化而形成的烴類氣體。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（二）煤層氣的形成及成因類型生

6、物成因和熱成因煤層氣產(chǎn)生的階段生物成因和熱成因煤層氣產(chǎn)生的階段 煤層氣產(chǎn)生階段鏡質(zhì)組反射率（%）原生生物成因甲烷0.50早期熱成因0.500.80最大量的濕氣生成0.600.80強熱成因甲烷開始產(chǎn)生0.801.00凝析油開始裂解成甲烷1.001.35最大量的熱成因甲烷生成1.202.00大量濕氣生成的最后階段1.80大量熱成因甲烷生成的最后階段3.00次生生物成因甲烷0.301.50具體的生氣階段和生氣類型：具體的生氣階段和生氣類型： 早期生物氣早期生物氣（泥炭泥炭褐煤階段，褐煤階段，Ro,max0.4%Ro0.4%時，煤層進入熱解生時，煤層進入熱解生氣階段。氣階段。 生物氣早期生氣演化模式生

7、物氣早期生氣演化模式總體來說：總體來說：生物氣的形成應(yīng)滿足兩個條件：生物氣的形成應(yīng)滿足兩個條件： 一是要有一是要有豐富的有機質(zhì)提供產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)豐富的有機質(zhì)提供產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)； 二是二是具備有利于甲烷菌繁殖的環(huán)境條件具備有利于甲烷菌繁殖的環(huán)境條件。研究表明：研究表明： 在厭氧環(huán)境、低在厭氧環(huán)境、低SO42-、低溫、低溫(通常通常50C以下以下)、高、高PH值、值、豐富的有機質(zhì)、適宜的孔隙空間和快速沉積等條件下，生物氣豐富的有機質(zhì)、適宜的孔隙空間和快速沉積等條件下，生物氣會大量形成，但由于埋藏淺，原生生物氣在煤層中保存甚少，會大量形成，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

8、探對象。不是煤層氣的主要勘探對象。熱解型煤層氣（褐煤熱解型煤層氣（褐煤瘦煤階段，瘦煤階段，Ro,max0.52.0%） 從烴源巖的角度，該階段屬于煤演化的成熟階段。主要在熱力作用下，有機從烴源巖的角度，該階段屬于煤演化的成熟階段。主要在熱力作用下，有機質(zhì)中各種官能團和側(cè)鏈分別按活化能的大小，依次發(fā)生分解，轉(zhuǎn)化為具有不同分子質(zhì)中各種官能團和側(cè)鏈分別按活化能的大小，依次發(fā)生分解，轉(zhuǎn)化為具有不同分子結(jié)構(gòu)的烴類，按反應(yīng)進程可分為早、中、晚三期。結(jié)構(gòu)的烴類，按反應(yīng)進程可分為早、中、晚三期。早期早期(0.60.8%)：以：以含氧官能團的斷裂含氧官能團的斷裂為主，產(chǎn)生為主，產(chǎn)生CO2，芳烴結(jié)構(gòu)上的，芳烴結(jié)構(gòu)

9、上的烷烴支鏈部烷烴支鏈部分斷裂分斷裂形成少量的形成少量的CH4和和C2H6以上的重?zé)N，以上的重?zé)N，H/C變化不大，變化不大，O/C由由1.23急劇至急劇至0.12。中期中期(0.81.3%)：有機質(zhì)演化主要：有機質(zhì)演化主要通過樹脂、孢子和角質(zhì)等穩(wěn)定組分的降解初期所通過樹脂、孢子和角質(zhì)等穩(wěn)定組分的降解初期所形成瀝青的轉(zhuǎn)化，以及芳核結(jié)構(gòu)上的烷烴支鏈的斷裂，形成富含重?zé)N的氣體形成瀝青的轉(zhuǎn)化，以及芳核結(jié)構(gòu)上的烷烴支鏈的斷裂，形成富含重?zé)N的氣體，該階，該階段相當(dāng)于生油巖高峰生油期。段相當(dāng)于生油巖高峰生油期。H/C從從1.76降至降至0.89，O/C由由0.12至至0.05，CH4生成生成量大于量大于CO

10、2。 晚期晚期(1.32.0%)：瀝青質(zhì)、液態(tài)殘余烴等較大分子：瀝青質(zhì)、液態(tài)殘余烴等較大分子烴類裂解、芳核支鏈進一烴類裂解、芳核支鏈進一步斷裂步斷裂形成形成CH4較多的氣體，較多的氣體，H/C由由0.79降至降至0.48，O/C由由0.05降至降至0.04趨于平穩(wěn)。趨于平穩(wěn)。裂解型煤層氣（瘦煤裂解型煤層氣（瘦煤二號無煙煤，二號無煙煤，2.0%Ro,max3.7%） 由于有機質(zhì)芳核結(jié)構(gòu)支鏈上的大部分烷烴在成熟階段已消耗，該階段由于有機質(zhì)芳核結(jié)構(gòu)支鏈上的大部分烷烴在成熟階段已消耗，該階段主要以主要以裂解的方式裂解的方式及及芳香核縮合芳香核縮合為主，并由此產(chǎn)生大量為主，并由此產(chǎn)生大量CH4，有機質(zhì)的

11、芳香，有機質(zhì)的芳香度從度從0.85增高到增高到0.97，C原子幾乎集中到芳香結(jié)構(gòu)上。原子幾乎集中到芳香結(jié)構(gòu)上。次生生物成因煤層氣（次生生物成因煤層氣（0.3%Ro,max1.5%） 在煤層經(jīng)過初步埋藏變質(zhì)階段，后期發(fā)生抬升，煤層中的溫度等環(huán)境在煤層經(jīng)過初步埋藏變質(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，通過位于補給區(qū)的煤層露頭微生物有大氣降水帶入，條件適于微生物生存，通過位于補給區(qū)的煤層露頭微生物有大氣降水帶入，在相對低溫條件在相對低溫條件(56C)代謝濕氣、正烷烴和其它有機化合物，生成代謝濕氣、正烷烴和其它有機化合物，生成CH4和和CO2。 在含煤盆地中，次生生物作用活躍并

12、影響氣體成分的深度間隔稱作在含煤盆地中，次生生物作用活躍并影響氣體成分的深度間隔稱作蝕蝕變帶變帶，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，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，稱為稱為原始氣帶原始氣帶。 蝕變帶和原始氣帶特征及其控制因素蝕變帶和原始氣帶特征及其控制因素 次生生物氣形成時間一般較晚次生生物氣形成時間一般較晚( (幾萬至幾百萬年前幾萬至幾百萬年前) )，煤層中存留的，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，對煤層氣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，對煤層氣勘探開發(fā)和生產(chǎn)具有重要意義。勘探開發(fā)和生

13、產(chǎn)具有重要意義。 次生生物氣的生成和保存條件（見下圖）：次生生物氣的生成和保存條件（見下圖）： 煤級：為褐煤煤級：為褐煤焦煤，煤層所在區(qū)域發(fā)生過隆起焦煤，煤層所在區(qū)域發(fā)生過隆起 ( (抬升抬升) )作用；作用； 滲透性：煤層有適宜的滲透性；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；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：有細菌運移到煤層中，具備缺氧環(huán)境；微生物條件：有細菌運移到煤層中，具備缺氧環(huán)境； 圈閉條件：煤層具有較高的儲層壓力和能儲存大量氣體的圈閉條件。圈閉條件：煤層具有較高的儲層壓力和能儲存大量氣體的圈閉條件。 晚期生物氣生成低溫環(huán)境缺

14、氧環(huán)境低硫酸鹽環(huán)境有機質(zhì)孔隙空間水文地質(zhì)條件次生生物氣的生成和保存條件次生生物氣的生成和保存條件褐煤準噶爾盆地盆緣晚期生物氣成藏模式準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給，形成了淺部煤系地層接受天山雪融水的補給，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低礦化度的地層水，在地質(zhì)歷史上利于甲烷菌的生長，煤層生物降解產(chǎn)生甲烷氣，在承壓地層水和蓋長，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。層的共同作用下保存成藏。（三）主要生氣階段和產(chǎn)率（三）主要生氣階段和產(chǎn)率 褐煤至長焰煤階段褐煤至長焰煤階段1長焰煤至焦煤階段長焰煤至焦煤階段瘦煤至無煙煤階

15、段瘦煤至無煙煤階段32 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?zé)N氣以甲烷為主，重?zé)N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，烴類氣體迅速增加，占，烴類氣體迅速增加，占7080%， CO2下降至下降至10%左右。烴類氣體以左右。烴類氣體以CH4為主，重?zé)N可為主，重?zé)N可 占占1020%，如殼質(zhì)組含量多，則油和濕氣含量也多。，如殼質(zhì)組含量多，則油和濕氣含量也多。 3.瘦煤至無煙煤階段瘦煤至無煙煤階段 生氣生氣270422m3/t，烴類氣體占，烴類氣體占70%，其中，其中CH4占絕占絕 對

16、優(yōu)勢對優(yōu)勢(9799%)，幾乎沒有重?zé)N。，幾乎沒有重?zé)N。 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386895% 或或 C2+% 5% 濕氣：濕氣： CH45% 常用甲烷常用甲烷 (C(C1 1) )與總烴量與總烴量(C(C1 1C C5 5) )的比率作為確定氣體的的比率作為確定氣體的干度指標干度指標，即即C1 1/C1 15 5: : C1/ C15值大于值大于99%，為，為特別干的氣體特別干的氣體； 95%99%為為干氣；干氣； 85%95%為為濕氣，濕氣， 小于小于85%，為，為特別濕的氣體特別濕的氣體。 （2）非烴類氣體）非烴類氣體 N2、CO2、CO、HS、H2

17、及微量的惰性氣體。及微量的惰性氣體。2、控制煤層氣化學(xué)組成的主要因素、控制煤層氣化學(xué)組成的主要因素（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 殼質(zhì)組殼質(zhì)組通常相對富氫，是煤成油的主要顯微組分，具有很高的生烴能力；通常相對富氫，是煤成油的主要顯微組分，具有很高的生烴能力；鏡質(zhì)組鏡質(zhì)組主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；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；惰性組惰性組的產(chǎn)氣量比相同煤的產(chǎn)氣量比相同煤級的殼質(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，惰性級的殼質(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

18、最高，鏡質(zhì)組次之，惰性組最低。組最低。（2）儲層壓力）儲層壓力 它影響煤的吸附能力，隨著壓力的增加，吸附量增大。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）煤化作用程度，即煤階/煤級煤級 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。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）煤層氣解吸階段 吸附性弱或濃度高的組分先解吸，也會對煤的組成產(chǎn)生影響。吸附性弱或濃度高的組分先解吸，也會對煤的組成產(chǎn)生影響。 （5）水文地質(zhì)條件）水文地質(zhì)條件 部分地區(qū)水動力條件對煤層氣組成的影響十分明顯，如美國圣胡安盆地，盆地北部超部分

19、地區(qū)水動力條件對煤層氣組成的影響十分明顯，如美國圣胡安盆地，盆地北部超高壓區(qū)煤層氣為富高壓區(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帶微生物進入可滲透煤層中，在細菌的降解和自身代謝活遭受剝蝕的盆地邊緣，雨水?dāng)y帶微生物進入可滲透煤層中，在細菌的降解和自身代謝活動作用下，次生生物成因氣含量增加，從而影響煤層氣的化學(xué)組成。動作用下，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（二）煤層氣的同位素特征1 1、同位素的分布特征、同位素的分布特征 我國煤層氣的我國煤

20、層氣的1313C C1 1地域分布總體上體現(xiàn)出地域分布總體上體現(xiàn)出不同地質(zhì)時代不同地質(zhì)時代 構(gòu)造背景下煤中有機質(zhì)生烴演化的特點構(gòu)造背景下煤中有機質(zhì)生烴演化的特點。 華北和華南的煤層主要形成于晚古生代，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，煤級跨度大，生氣歷程長，景復(fù)雜，煤級跨度大，生氣歷程長，1313C C1 1變變化大；東北煤層主要形成于中一新生代，熱演化大；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簡單，煤級普遍較低化歷程及其控制因素相對簡單，煤級普遍較低，1313C C1 1分布較為集中。

21、分布較為集中。 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我國煤層甲烷碳同位素分布與煤級之間關(guān)系我國煤層甲烷碳同位素分布與煤級之間關(guān)系 就全國來看，煤層氣就全國來看，煤層氣1313C C1 1與煤級之間的關(guān)系盡管離散性較大，但規(guī)律與煤級之間的關(guān)系盡管離散性較大，但規(guī)律性仍然相當(dāng)明顯：性仍然相當(dāng)明顯： 1313C C1 1隨最大反射率增高變重，但二者之間的這種正相關(guān)關(guān)系并非是線隨最大反射率增高變重，但二者之間的這種正相關(guān)關(guān)系并非是線性的。性的。當(dāng)鏡質(zhì)組最大反射率小于當(dāng)鏡質(zhì)組最大反射率小于2.0%2.0%時時,1313C C1 1值增大的速率較快，由值增大的速率較快，由-65-6

22、5（0.3%0.3%左右）增至左右）增至-25-25(2.0%(2.0%左右左右) )，到最大反射率，到最大反射率4.0%4.0%附近，附近，1313C C1 1值仍低值仍低于于-20-20。 (a)(a)華北地區(qū)華北地區(qū) （b)b)華南地區(qū)華南地區(qū) (c)(c)東北地區(qū)東北地區(qū) 不同地區(qū)甲烷穩(wěn)定碳同位素分布與煤級之間關(guān)系不同地區(qū)甲烷穩(wěn)定碳同位素分布與煤級之間關(guān)系由上圖可以看出：由上圖可以看出： 華北和華南煤層氣華北和華南煤層氣1313C C1 1值與全國性規(guī)律一致，隨煤級增高而變值與全國性規(guī)律一致，隨煤級增高而變重重( (圖圖a a，圖，圖b)b)。東北煤層氣。東北煤層氣1313C C1 1

23、值的演化卻與此相反，煤級增高，值的演化卻與此相反，煤級增高，1313C C1 1值變小值變小( (圖圖c)c)，暗示東北煤層甲烷穩(wěn)定碳同位素的分布另有重要，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。控制因素。 2、煤層氣的鑒別標志、煤層氣的鑒別標志（1 1）原油與煤成烴比較）原油與煤成烴比較 原油：原油：以腐泥型有機質(zhì)為母質(zhì)，成分以富含脂肪鏈結(jié)以腐泥型有機質(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

24、質(zhì)基礎(chǔ)，以致原油熱解氣的干燥系數(shù)一般較低。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：煤：干酪根結(jié)構(gòu)中的脂肪型側(cè)鏈和橋鍵都比較短。在干酪根結(jié)構(gòu)中的脂肪型側(cè)鏈和橋鍵都比較短。在熱解時，側(cè)鏈和橋鍵形成自由基，與熱解時，側(cè)鏈和橋鍵形成自由基，與H H相遇時，形成以相遇時，形成以CHCH4 4分子為主的氣態(tài)烴分子。煤中可溶有機質(zhì)的烷烴含量大大分子為主的氣態(tài)烴分子。煤中可溶有機質(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，遠少于原油。生成重?zé)N氣分子的量，遠少于原油。（2 2）煤層氣的鑒別標志）煤層氣的鑒別標

25、志 根據(jù)根據(jù)煤層氣組分特征煤層氣組分特征及其及其同位素特征同位素特征鑒別煤層氣。鑒別煤層氣。 1 1）相同成熟度的條件下，煤層氣的甲烷碳同位素比）相同成熟度的條件下，煤層氣的甲烷碳同位素比 油型氣偏重。油型氣偏重。 在在R Ro,maxo,max=0.50=0.502.5%2.5%之間：之間： 1313C C1 1-43-43是煤型氣；是煤型氣； 1313C C1 1 -43% -43%-55-55是油型氣是油型氣。 2 2）煤型）煤型( (層層) )氣比油型氣的甲烷同系物的同位素重。氣比油型氣的甲烷同系物的同位素重。 煤型氣煤型氣: :1313C C2 2-25.1-25.1,1313C C

26、3 3-23.2-23.2 混合氣混合氣:-25.1:-25.11313C C2 2-28.8-28.8; ; -23.2 -23.21313C C3 3-25.5-25.5 油型氣油型氣: :1313C C2 2-28.8-28.8,1313C C3 3 -25.5-25.5 3 3）煤化作用早、中期）煤化作用早、中期(R(Ro,maxo,max =0.51.3%) =0.51.3%)以成氣作用為以成氣作用為 主，成油作用為輔的是煤型主，成油作用為輔的是煤型( (層層) )氣。氣。 4 4）煤成氣具明顯的姥鮫烷優(yōu)勢，姥鮫烷）煤成氣具明顯的姥鮫烷優(yōu)勢，姥鮫烷/ /植烷植烷 (Pr/Ph)(Pr

27、/Ph) =0.6811.6 =0.6811.6，其中絕大多數(shù)大于，其中絕大多數(shù)大于2.12.1，而，而、型干型干 酪根生成原油的酪根生成原油的Pr/Ph=1.43Pr/Ph=1.43，為姥植均勢。，為姥植均勢。 5 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 8 萬微克萬微克/m/m3 3，油型氣，油型氣7 7千微克千微克/m/m3 3。三、煤層氣地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制三、煤層氣地球化學(xué)組成的地質(zhì)控制（一）（一） 成因的影響成因的影響 煤層氣中煤層氣中CHCH4 4和和COCO2 2的碳同位素特征的碳同位素特征 不同成因的煤層氣的地不同成因的

28、煤層氣的地球化學(xué)特征有較大差異：球化學(xué)特征有較大差異： 生物成因氣主要由生物成因氣主要由CHCH4 4組組成，熱成因氣普遍含重?zé)N成，熱成因氣普遍含重?zé)N( (可可達百分之幾或更高達百分之幾或更高) )； 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，且隨煤級增高有愈加變重趨勢。級增高有愈加變重趨勢。（二）煤級的影響（二）煤級的影響中國煤層氣甲烷碳同位素組成中國煤層氣甲烷碳同位素組成 含煤時代含煤時代 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/

29、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 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/4-41.8/4-36.7/7-36.7/7煤層氣中甲烷的煤層氣中甲烷的13C1值和煤級的關(guān)系：值和煤級的關(guān)系： 低變質(zhì)煤生成的煤層氣中甲烷的低變質(zhì)煤生成的煤層氣中甲烷的13C1

30、值較小，高變質(zhì)煤的較大。對于值較小，高變質(zhì)煤的較大。對于未發(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中的甲烷富集氘和13C。 原因在于：原因在于： 碳同位素隨煤級的變化，可用碳同位素隨煤級的變化，可用同位素動力學(xué)效應(yīng)同位素動力學(xué)效應(yīng)解釋。由于同位素質(zhì)解釋。由于同位素質(zhì)量不同，量不同，1313C C的化學(xué)活性比的化學(xué)活性比1212C C低，低，-C-C-C-C-鍵的穩(wěn)定性也有差別，其順序如下鍵的穩(wěn)定性也有差別，其順序如下 - -1313C-C-1313C-C- -1313C-C-1212C-C-

31、-1212C-C-1212C-C- 因此，在相同溫度條件下，煤分子結(jié)構(gòu)中因此，在相同溫度條件下，煤分子結(jié)構(gòu)中- -1212C-C-1212C-C-斷裂速度較斷裂速度較- -1313C-C-1212C-C-和和- -1313C-C-1313C-C-快，由此低溫條件下形成的烴類氣體相對富集快，由此低溫條件下形成的烴類氣體相對富集1212C C，而在較高溫，而在較高溫度下形成的烴類氣體中度下形成的烴類氣體中1313C C較高。較高。（三）埋深的影響（三）埋深的影響（四）煤層氣成分的影響（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（無煙煤）沁水盆地煤層氣井排采氣分析數(shù)據(jù)表（無煙煤）樣品編號樣

32、品編號 組分含量組分含量/% /% 同位素同位素1313C C、D(D() ) CH4C2H6CO213C113C213CCO2D1FZ00298.990.0120.02-32.20-20.8028.40-193FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159P00399.120.0080.13-32.60-18.5023

33、.20-172P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-152樣品編號樣品編號礦礦區(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2 2CHCH4 4C C2 2H H6 6N N2 2COCO2 21313C C1 11313C C2 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-399.3599.350.0

34、170.017 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3 368.3568.350.0100.01030.8730.870.370.37-61.5-61.5-20.5-20.5-16.4-16.4-228-228J-S-3J-S-385.5385.530.4710.47113.5213.520.280.28-35.6-35.6-13.6-13

35、.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-194.4794.470.0160.0165.415.410.030.03-35.6-35.6-12.5-12.5-10.7-10.7-184-184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)果甲烷的甲烷的13C113C1

36、 煤層氣煤層氣13C113C1變化于變化于-78-78-13-13乙烷的乙烷的13C213C2 煤層氣煤層氣13C213C2變化于變化于-25-25-12-12氫的同位素（氫的同位素（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 （五）顯微組分的影響（五）顯微組分的影響 一般地說，一般地說，含富氧干酪根含富氧干酪根的煤的煤( (鏡質(zhì)組為主鏡質(zhì)組為主) ) 和和含富氫干含富氫干酪根酪根的煤的煤( (殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組為主殼質(zhì)組和

37、富氫鏡質(zhì)組為主) )生成的煤層氣相比，在成熟度相生成的煤層氣相比，在成熟度相同的條件下，前者比后者同的條件下，前者比后者1313 C C1 1值較大，并且甲烷和乙烷的值較大，并且甲烷和乙烷的1313 C C值值的分布范圍比后者窄。的分布范圍比后者窄。原因在于：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，芳香族烴熱裂解生成甲烷的碳同干酪根的煤層生成的氣體中占優(yōu)勢，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。位素較重，它在含富氧干酪根的煤層生成的氣體中占主

38、導(dǎo)地位。（六）（六）CHCH4 4和和COCO2 2的碳同位素交換平衡效應(yīng)的碳同位素交換平衡效應(yīng) 煤的熱模擬試驗表明，原始形成的煤層氣中煤的熱模擬試驗表明，原始形成的煤層氣中COCO2 2和和CHCH4 4含量均較多，含量均較多，兩者之間會發(fā)生碳同位素交換平衡反應(yīng)：兩者之間會發(fā)生碳同位素交換平衡反應(yīng)：242413121213COCHCOCHCCCC 這種交換過程使得煤層這種交換過程使得煤層CHCH4 4的的1313C C1 1大幅度降低，導(dǎo)致煤層氣中大幅度降低，導(dǎo)致煤層氣中CHCH4 4碳碳同素變輕。主要發(fā)生在煤層氣形成早期，此時煤層中同素變輕。主要發(fā)生在煤層氣形成早期，此時煤層中CHCH4

39、4和和COCO2 2含量均較含量均較高，而后期高，而后期COCO2 2大量被溶解變得很少，交換平衡對大量被溶解變得很少，交換平衡對1313C C1 1變輕影響不大。變輕影響不大。 四、煤層氣的物理性質(zhì)四、煤層氣的物理性質(zhì) 甲烷為無色、無味、無溴、無毒的氣體，但煤儲層中往往含有少量甲烷為無色、無味、無溴、無毒的氣體，但煤儲層中往往含有少量其它芳香族碳氫氣體，因此常常伴著一些蘋果的香味。在標準大氣壓，溫其它芳香族碳氫氣體，因此常常伴著一些蘋果的香味。在標準大氣壓，溫度度0C的標準狀態(tài)下，的標準狀態(tài)下，0.716 Kg/m3,與空氣比較，其比重約為與空氣比較，其比重約為0.554。當(dāng)空。當(dāng)空氣中混有

40、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。甲烷濃度達到甲烷濃度達到43%43%，人感到呼吸短促；甲烷濃度達到，人感到呼吸短促；甲烷濃度達到57%57%，人處于昏迷狀態(tài)，甲烷濃度，人處于昏迷狀態(tài)，甲烷濃度達到達到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、無嗅、略具酸味氣體，比空氣重，突然噴出可使人二氧化碳為無色、無嗅、略具酸味氣體，比空氣重，突然噴出可使人窒息。窒息。表 2-2 煤中吸附介質(zhì)分子直徑、沸點和分子自由程（0， 0101325MPa） 吸附介質(zhì) CH4 H2O N2 CO2 C2H6 H2S H2 分

41、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 74.6 83.9 沸點 -161.49 100 -195.80 -78.50 -88.60 -60.33 -252.70 動力粘度10-5Pas 1.084 1.765 1.466

42、 偏心因子 0.008 0.344 0.040 0.225 液態(tài)密度 0.425 0.998 0.777 絕對密度(15.5) 0.677 1.00 1.182 1.858 1.269 1.48 相對密度(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 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，高于這一溫度，氣體即是指氣相純物質(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的辦法（不降低溫度）使之轉(zhuǎn)化為液體；不能用簡單升高壓力的辦法（不降低溫度）使之