煤层气组成与性质

1、目录 三、 煤层气地球化学组成的地质控制煤层气地球化学组成的地质控制 四、煤层气的物理性质煤层气的物理性质 五、煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响 二、 煤层气的组成及化学组分煤层气的组成及化学组分 一、 煤层气的形成及成因类型煤层气的形成及成因类型 1 2 基本概念基本概念 一、煤层气的形成及成因类型一、煤层气的形成及成因类型 天然气天然气 非常规天然气非常规天然气 1、天然气 狭义的天然气狭义的天然气目前仅限于地壳上部存在的各种天然气体，目前仅限于地壳上部存在的各种天然气体， 包括烃类气体和非烃类气体。包括烃类气体和非烃类气体。 广义的天然气广义的天然气指存在于自然界的一切气体。指存在于

2、自然界的一切气体。 根据其存在环境，可分根据其存在环境，可分8 8类：类： 大气；地表沉积物中气；沉积岩中的气；海洋中溶解气；大气；地表沉积物中气；沉积岩中的气；海洋中溶解气； 变质岩中气；岩浆岩中气；地幔排出气；宇宙气。变质岩中气；岩浆岩中气；地幔排出气；宇宙气。 （1） （2） （一）基本概念（一）基本概念 2 2、非常规天然气、非常规天然气 目前主要指煤层气、页岩裂缝中的气、浅层生物气（沼气）目前主要指煤层气、页岩裂缝中的气、浅层生物气（沼气） 和盆地中心气包括深盆气。和盆地中心气包括深盆气。 煤型气煤型气 是指煤系地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中是指煤系地层中煤和分散有机质，在

3、成岩和煤化过程中 形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于 煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主 的煤型气称为的煤型气称为煤层气煤层气或或煤层甲烷煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气，赋存在围岩中的煤型气 称为称为煤成气煤成气。 煤层气煤层气 是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗 粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的气粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的气 体，其成分以甲烷为主，往往将其简称

4、为煤层甲烷体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。 瓦斯气瓦斯气 是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、 采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。 阶段一阶段二阶段三阶段四 泥炭泥炭 植物死亡植物死亡褐煤褐煤 烟煤烟煤 （二）煤层气的形成及成因类型（二）煤层气的形成及成因类型 阶段五 无烟煤无烟煤 埋藏堆积及泥炭化作用埋藏堆积及泥炭化作用 煤化作用煤化作用 煤化作用煤化作用 煤化作用煤化作用 气体气体 1 1、成气过程、成气过程 生物成因气生物成因气 是由

5、各类微生物经过一系列复杂作用过程导致有机质发生降解而形是由各类微生物经过一系列复杂作用过程导致有机质发生降解而形 成的。可形成于煤化作用早期阶段成的。可形成于煤化作用早期阶段( (泥炭泥炭- -褐煤褐煤) )以及煤层形成以后的构以及煤层形成以后的构 造抬升阶段，因此可分为造抬升阶段，因此可分为早期早期( (原生原生) )生物成因气生物成因气与与晚期晚期( (次生次生) )生物成生物成 因气因气。 2、成因类型、成因类型 热成因气热成因气 是指随着煤化作用的进行，伴随温是指随着煤化作用的进行，伴随温 度升高、煤分子结构与度升高、煤分子结构与 成分的变化而形成的烃类气体。成分的变化而形成的烃类气体

6、。 （二）煤层气的形成及成因类型（二）煤层气的形成及成因类型 生物成因和热成因煤层气产生的阶段生物成因和热成因煤层气产生的阶段 煤层气产生阶段镜质组反射率（%） 原生生物成因甲烷0.50 早期热成因0.500.80 最大量的湿气生成0.600.80 强热成因甲烷开始产生0.801.00 凝析油开始裂解成甲烷1.001.35 最大量的热成因甲烷生成1.202.00 大量湿气生成的最后阶段1.80 大量热成因甲烷生成的最后阶段3.00 次生生物成因甲烷0.301.50 具体的生气阶段和生气类型：具体的生气阶段和生气类型： 早期生物气早期生物气（泥炭泥炭褐煤阶段，褐煤阶段，Ro,max0.4%Ro0

7、.4%时，煤层进入热解生时，煤层进入热解生 气阶段。气阶段。 生物气早期生气演化模式生物气早期生气演化模式 总体来说：总体来说： 生物气的形成应满足两个条件：生物气的形成应满足两个条件： 一是要有一是要有丰富的有机质提供产气的物质基础丰富的有机质提供产气的物质基础； 二是二是具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。 研究表明：研究表明： 在厌氧环境、低在厌氧环境、低SO42-、低温、低温(通常通常50C以下以下)、高、高PH值、值、 丰富的有机质、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气丰富的有机质、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气 会大量形成，但由于埋藏浅，原生

8、生物气在煤层中保存甚少，会大量形成，但由于埋藏浅，原生生物气在煤层中保存甚少， 不是煤层气的主要勘探对象。不是煤层气的主要勘探对象。 热解型煤层气（褐煤热解型煤层气（褐煤瘦煤阶段，瘦煤阶段，Ro,max0.52.0%） 从烃源岩的角度，该阶段属于煤演化的成熟阶段。主要在热力作用下，有机从烃源岩的角度，该阶段属于煤演化的成熟阶段。主要在热力作用下，有机 质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小，依次发生分解，转化为具有不同分子质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小，依次发生分解，转化为具有不同分子 结构的烃类，按反应进程可分为早、中、晚三期。结构的烃类，按反应进程可分为早、中、晚三期。 早期早期(

9、0.60.8%)：以：以含氧官能团的断裂含氧官能团的断裂为主，产生为主，产生CO2，芳烃结构上的，芳烃结构上的烷烃支链部烷烃支链部 分断裂分断裂形成少量的形成少量的CH4和和C2H6以上的重烃，以上的重烃，H/C变化不大，变化不大，O/C由由1.23急剧至急剧至0.12。 中期中期(0.81.3%)：有机质演化主要：有机质演化主要通过树脂、孢子和角质等稳定组分的降解初期所通过树脂、孢子和角质等稳定组分的降解初期所 形成沥青的转化，以及芳核结构上的烷烃支链的断裂，形成富含重烃的气体形成沥青的转化，以及芳核结构上的烷烃支链的断裂，形成富含重烃的气体，该阶，该阶 段相当于生油岩高峰生油期。段相当于生

10、油岩高峰生油期。H/C从从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CO2。 晚期晚期(1.32.0%)：沥青质、液态残余烃等较大分子：沥青质、液态残余烃等较大分子烃类裂解、芳核支链进一烃类裂解、芳核支链进一 步断裂步断裂形成形成CH4较多的气体，较多的气体，H/C由由0.79降至降至0.48，O/C由由0.05降至降至0.04趋于平稳。趋于平稳。 裂解型煤层气（瘦煤裂解型煤层气（瘦煤二号无烟煤，二号无烟煤，2.0%Ro,max3.7%） 由于有机质芳核结构支链上的大部分烷烃在成熟阶段已消耗，该阶段由于有机质芳核结构支链上的大部分烷烃在成熟阶段已消耗

11、，该阶段 主要以主要以裂解的方式裂解的方式及及芳香核缩合芳香核缩合为主，并由此产生大量为主，并由此产生大量CH4，有机质的芳香，有机质的芳香 度从度从0.85增高到增高到0.97，C原子几乎集中到芳香结构上。原子几乎集中到芳香结构上。 次生生物成因煤层气（次生生物成因煤层气（0.3%Ro,max1.5%） 在煤层经过初步埋藏变质阶段，后期发生抬升，煤层中的温度等环境在煤层经过初步埋藏变质阶段，后期发生抬升，煤层中的温度等环境 条件适于微生物生存，通过位于补给区的煤层露头微生物有大气降水带入，条件适于微生物生存，通过位于补给区的煤层露头微生物有大气降水带入， 在相对低温条件在相对低温条件(56C

12、)代谢湿气、正烷烃和其它有机化合物，生成代谢湿气、正烷烃和其它有机化合物，生成CH4和和 CO2。 在含煤盆地中，次生生物作用活跃并影响气体成分的深度间隔称作在含煤盆地中，次生生物作用活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀蚀 变带变带，一般位于盆地边沿或中浅部；不发生蚀变的气体一般位于盆地深部，一般位于盆地边沿或中浅部；不发生蚀变的气体一般位于盆地深部， 称为称为原始气带原始气带。 蚀变带和原始气带特征及其控制因素蚀变带和原始气带特征及其控制因素 次生生物气形成时间一般较晚次生生物气形成时间一般较晚( (几万至几百万年前几万至几百万年前) )，煤层中存留的，煤层中存留的 生物成因气大部分属于次生生

13、物成因气，在煤层中普遍存在，对煤层气生物成因气大部分属于次生生物成因气，在煤层中普遍存在，对煤层气 勘探开发和生产具有重要意义。勘探开发和生产具有重要意义。 次生生物气的生成和保存条件（见下图）：次生生物气的生成和保存条件（见下图）： 煤级：为褐煤煤级：为褐煤焦煤，煤层所在区域发生过隆起焦煤，煤层所在区域发生过隆起 ( (抬升抬升) )作用；作用； 渗透性：煤层有适宜的渗透性；渗透性：煤层有适宜的渗透性； 水文条件：沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中；水文条件：沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中； 微生物条件：有细菌运移到煤层中，具备缺氧环境；微生物条件：有细菌运移到煤层中，具备缺氧环境； 圈闭条

14、件：煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件。圈闭条件：煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件。 晚期生物 气生成 低温环境 缺氧环境 低硫酸盐 环境 有机质 孔隙空间 水文地质 条件 次生生物气的生成和保存条件次生生物气的生成和保存条件 褐煤 准噶尔盆地盆缘晚期生物气成藏模式准噶尔盆地盆缘晚期生物气成藏模式 浅部煤系地层接受天山雪融水的补给，形成了浅部煤系地层接受天山雪融水的补给，形成了 低矿化度的地层水，在地质历史上利于甲烷菌的生低矿化度的地层水，在地质历史上利于甲烷菌的生 长，煤层生物降解产生甲烷气，在承压地层水和盖长，煤层生物降解产生甲烷气，在承压地层水和盖 层的共同

15、作用下保存成藏。层的共同作用下保存成藏。 （三）主要生气阶段和产率（三）主要生气阶段和产率 褐煤至长焰煤阶段褐煤至长焰煤阶段 1 长焰煤至焦煤阶段长焰煤至焦煤阶段 瘦煤至无烟煤阶段瘦煤至无烟煤阶段 3 2 1.褐煤至长焰煤阶段褐煤至长焰煤阶段 生气生气38168m3/t，CO2占占7292%， 烃类烃类20%以甲烷为主，重烃气以甲烷为主，重烃气4% 2.长焰煤至焦煤阶段长焰煤至焦煤阶段 生气生气168270m3/t，烃类气体迅速增加，占，烃类气体迅速增加，占7080%， CO2下降至下降至10%左右。烃类气体以左右。烃类气体以CH4为主，重烃可为主，重烃可 占占1020%，如壳质组含量多，则油

16、和湿气含量也多。，如壳质组含量多，则油和湿气含量也多。 3.瘦煤至无烟煤阶段瘦煤至无烟煤阶段 生气生气270422m3/t，烃类气体占，烃类气体占70%，其中，其中CH4占绝占绝 对优势对优势(9799%)，几乎没有重烃。，几乎没有重烃。 煤类煤类产气量产气量m3/t吸附能力吸附能力m3/t 褐煤褐煤386895% 或或 C2+% 5% 湿气：湿气： CH45% 常用甲烷常用甲烷 (C(C1 1) )与总烃量与总烃量(C(C1 1C C5 5) )的比率作为确定气体的的比率作为确定气体的干度指标干度指标， 即即C1 1/C1 15 5: : C1/ C15值大于值大于99%，为，为特别干的气体

17、特别干的气体； 95%99%为为干气；干气； 85%95%为为湿气，湿气， 小于小于85%，为，为特别湿的气体特别湿的气体。 （2）非烃类气体）非烃类气体 N2、CO2、CO、HS、H2及微量的惰性气体。及微量的惰性气体。 2、控制煤层气化学组成的主要因素、控制煤层气化学组成的主要因素 （1）煤的显微组分）煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度特别是富氢组分的丰度 壳质组壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力；通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力；镜质组镜质组主主 要生成甲烷和其它气体，其富氢的某些组分亦可生成液态烃；要生成甲烷和其它气体，其富氢的某些组

18、分亦可生成液态烃；惰性组惰性组的产气量比相同煤的产气量比相同煤 级的壳质组和镜质组低。三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性级的壳质组和镜质组低。三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性 组最低。组最低。 （2）储层压力）储层压力 它影响煤的吸附能力，随着压力的增加，吸附量增大。它影响煤的吸附能力，随着压力的增加，吸附量增大。 （3）煤化作用程度，即煤阶）煤化作用程度，即煤阶/煤级煤级 由于不同煤化阶段，温度和压力不同，煤生气或生油的程度也不同。由于不同煤化阶段，温度和压力不同，煤生气或生油的程度也不同。 （4）煤层气解吸阶段）煤层气解吸阶段 吸附性弱或浓度高的组

19、分先解吸，也会对煤的组成产生影响。吸附性弱或浓度高的组分先解吸，也会对煤的组成产生影响。 （5）水文地质条件）水文地质条件 部分地区水动力条件对煤层气组成的影响十分明显，如美国圣胡安盆地，盆地北部超部分地区水动力条件对煤层气组成的影响十分明显，如美国圣胡安盆地，盆地北部超 高压区煤层气为富高压区煤层气为富CO2的干气，南部低压区煤层气则为贫的干气，南部低压区煤层气则为贫CO2的湿气。在区域抬升后又的湿气。在区域抬升后又 遭受剥蚀的盆地边缘，雨水携带微生物进入可渗透煤层中，在细菌的降解和自身代谢活遭受剥蚀的盆地边缘，雨水携带微生物进入可渗透煤层中，在细菌的降解和自身代谢活 动作用下，次生生物成因

20、气含量增加，从而影响煤层气的化学组成。动作用下，次生生物成因气含量增加，从而影响煤层气的化学组成。 （二）煤层气的同位素特征（二）煤层气的同位素特征 1 1、同位素的分布特征、同位素的分布特征 我国煤层气的我国煤层气的13 13C C1 1地域分布总体上体现出 地域分布总体上体现出不同地质时代不同地质时代 构造背景下煤中有机质生烃演化的特点构造背景下煤中有机质生烃演化的特点。 华北和华南的煤层主要形成于晚古生代，华北和华南的煤层主要形成于晚古生代， 经历了多阶段的构造演化，煤化作用的地质背经历了多阶段的构造演化，煤化作用的地质背 景复杂，煤级跨度大，生气历程长，景复杂，煤级跨度大，生气历程长，

21、13 13C C1 1变 变 化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演 化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低 ，13 13C C1 1分布较为集中。 分布较为集中。 煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布 我国煤层甲烷碳同位素分布与煤级之间关系我国煤层甲烷碳同位素分布与煤级之间关系 就全国来看，煤层气就全国来看，煤层气13 13C C1 1与煤级之间的关系尽管离散性较大，但规律 与煤级之间的关系尽管离散性较大，但规律 性仍然相当明显：性仍然相当明显： 13 13C C1 1随最大反射率增高

22、变重，但二者之间的这种正相关关系并非是线 随最大反射率增高变重，但二者之间的这种正相关关系并非是线 性的。性的。当镜质组最大反射率小于当镜质组最大反射率小于2.0%2.0%时时,13 13C C1 1值增大的速率较快，由 值增大的速率较快，由-65-65 （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，13 13C C1 1值仍低 值仍低 于于-20-20。 (a)(a)华北地区华北地区 （b)b)华南地区华南地区 (c)(c)东北地区东北地区 不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系不同地区甲烷稳定

23、碳同位素分布与煤级之间关系 由上图可以看出：由上图可以看出： 华北和华南煤层气华北和华南煤层气13 13C C1 1值与全国性规律一致，随煤级增高而变 值与全国性规律一致，随煤级增高而变 重重( (图图a a，图，图b)b)。东北煤层气。东北煤层气13 13C C1 1值的演化却与此相反，煤级增高， 值的演化却与此相反，煤级增高， 13 13C C1 1值变小 值变小( (图图c)c)，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要 控制因素。控制因素。 2、煤层气的鉴别标志、煤层气的鉴别标志 （1 1）原油与煤成烃比较）原油与煤成烃比较 原油：原油：以

24、腐泥型有机质为母质，成分以富含脂肪链结以腐泥型有机质为母质，成分以富含脂肪链结 构的烃类为主。热解气中重烃分子主要源于脂肪链结构的构的烃类为主。热解气中重烃分子主要源于脂肪链结构的 裂解。这些含脂肪链结构的烃类为重烃气生成提供了充足裂解。这些含脂肪链结构的烃类为重烃气生成提供了充足 的物质基础，以致原油热解气的干燥系数一般较低。的物质基础，以致原油热解气的干燥系数一般较低。 煤：煤：干酪根结构中的脂肪型侧链和桥键都比较短。在干酪根结构中的脂肪型侧链和桥键都比较短。在 热解时，侧链和桥键形成自由基，与热解时，侧链和桥键形成自由基，与H H相遇时，形成以相遇时，形成以CHCH4 4 分子为主的气态

25、烃分子。煤中可溶有机质的烷烃含量大大分子为主的气态烃分子。煤中可溶有机质的烷烃含量大大 少于原油，芳烃和其他含脂肪型结构的侧链也较少，热解少于原油，芳烃和其他含脂肪型结构的侧链也较少，热解 生成重烃气分子的量，远少于原油。生成重烃气分子的量，远少于原油。 （2 2）煤层气的鉴别标志）煤层气的鉴别标志 根据根据煤层气组分特征煤层气组分特征及其及其同位素特征同位素特征鉴别煤层气。鉴别煤层气。 1 1）相同成熟度的条件下，煤层气的甲烷碳同位素比）相同成熟度的条件下，煤层气的甲烷碳同位素比 油型气偏重。油型气偏重。 在在R Ro,max o,max=0.50 =0.502.5%2.5%之间：之间： 1

26、3 13C C1 1 -43-43是煤型气；是煤型气； 13 13C C1 1 -43% -43%-55-55是油型气是油型气。 2 2）煤型）煤型( (层层) )气比油型气的甲烷同系物的同位素重。气比油型气的甲烷同系物的同位素重。 煤型气煤型气: :13 13C C2 2 -25.1-25.1,13 13C C3 3 -23.2-23.2 混合气混合气:-25.1:-25.113 13C C2 2 -28.8-28.8; ; -23.2 -23.213 13C C3 3 -25.5-25.5 油型气油型气: :13 13C C2 2 -28.8-28.8,13 13C C3 3 -25.5-

27、25.5 3 3）煤化作用早、中期）煤化作用早、中期(R(Ro,max o,max =0.51.3%) =0.51.3%)以成气作用为以成气作用为 主，成油作用为辅的是煤型主，成油作用为辅的是煤型( (层层) )气。气。 4 4）煤成气具明显的姥鲛烷优势，姥鲛烷）煤成气具明显的姥鲛烷优势，姥鲛烷/ /植烷植烷 (Pr/Ph)(Pr/Ph) =0.6811.6 =0.6811.6，其中绝大多数大于，其中绝大多数大于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，为姥植均势。，为姥植均势。 5 5）煤型（层）气的汞含量比油型气高，煤型气含汞）煤

28、型（层）气的汞含量比油型气高，煤型气含汞8 8 万微克万微克/m/m3 3，油型气，油型气7 7千微克千微克/m/m3 3。 三、煤层气地球化学组成的地质控制三、煤层气地球化学组成的地质控制 （一）（一） 成因的影响成因的影响 煤层气中煤层气中CHCH4 4和和COCO2 2的碳同位素特征的碳同位素特征 不同成因的煤层气的地不同成因的煤层气的地 球化学特征有较大差异：球化学特征有较大差异： 生物成因气主要由生物成因气主要由CHCH4 4组组 成，热成因气普遍含重烃成，热成因气普遍含重烃( (可可 达百分之几或更高达百分之几或更高) )； 生物成因气的碳同位素较轻，而热成因气的碳同位素较重，且随

29、煤生物成因气的碳同位素较轻，而热成因气的碳同位素较重，且随煤 级增高有愈加变重趋势。级增高有愈加变重趋势。 （二）煤级的影响（二）煤级的影响 中国煤层气甲烷碳同位素组成中国煤层气甲烷碳同位素组成 含煤时代含煤时代 13C1平均值，平均值， 褐煤褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤 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 中生界侏罗白垩系中生界侏罗白垩系 -57.3/1 -57.3/1 -59.1/4 -59.1/4 -56.2/2 -56.2/2 上古生界石炭二叠系上古生界石炭二叠系

30、-58.4/30-58.4/30-56.2/27-56.2/27 焦煤焦煤 瘦煤瘦煤 贫煤贫煤 无烟煤无烟煤 -55.0/7-55.0/7-55.3/2-55.3/2-41.8/4-41.8/4-36.7/7-36.7/7 煤层气中甲烷的煤层气中甲烷的13C1值和煤级的关系：值和煤级的关系： 低变质煤生成的煤层气中甲烷的低变质煤生成的煤层气中甲烷的13C1值较小，高变质煤的较大。对于值较小，高变质煤的较大。对于 未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，相应煤层气未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，相应煤层气 中的甲烷富集氘和中的甲烷富集氘和13C。 原因在于：原

31、因在于： 碳同位素随煤级的变化，可用碳同位素随煤级的变化，可用同位素动力学效应同位素动力学效应解释。由于同位素质解释。由于同位素质 量不同，量不同，13 13C C的化学活性比 的化学活性比12 12C C低， 低，-C-C-C-C-键的稳定性也有差别，其顺序如下键的稳定性也有差别，其顺序如下 - -13 13C- C-13 13C- C- -13 13C- C-12 12C- C- -12 12C- C-12 12C- C- 因此，在相同温度条件下，煤分子结构中因此，在相同温度条件下，煤分子结构中- -12 12C- C-12 12C- C-断裂速度较断裂速度较- -13 13C- C-12

32、 12C- C- 和和- -13 13C- C-13 13C- C-快，由此低温条件下形成的烃类气体相对富集快，由此低温条件下形成的烃类气体相对富集12 12C C，而在较高温 ，而在较高温 度下形成的烃类气体中度下形成的烃类气体中13 13C C较高。 较高。 （三）埋深的影响（三）埋深的影响 （四）煤层气成分的影响（四）煤层气成分的影响 沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤）沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤） 样品编号样品编号 组分含量组分含量/% /% 同位素同位素13 13C C、 、D(D() ) CH4C2H6CO213C113C213CCO2D1 FZ00298.99

33、0.0120.02-32.20-20.8028.40-193 FZ01298.160.0290.15-30.20-23.70-17.00-154 FZ01698.500.0210.15-32.00-24.80-15.80-145 HUNH98.830.0200.20-31.90-21.90-17.20-157 P00199.550.0100.29-33.00-19.50-12.70-159 P00399.120.0080.13-32.60-18.5023.20-172 P00498.960.0070.13-31.20-16.80-12.50-152 样品编号样品编号矿矿 区区 煤煤 层层 组分

34、含量组分含量/%/%同位素同位素13 13C C 、DD1 1/ / H-L-1H-L-1 李李 雅雅 庄庄 煤煤 矿矿 2 2 CHCH4 4C C2 2H H6 6N N2 2COCO2 213 13C C1 1 13 13C C2 2 13 13C CCO2 CO2DD1 1 K-H-Li-2K-H-Li-294.7294.720.0220.0224.634.630.300.30-59.1-59.1 -8.7-8.7-228-228 K-H-Li-3K-H-Li-399.3599.350.0170.017 0.380.38-56.3-56.3 -11.9-11.9-244-244 K-H

35、-Li-4K-H-Li-470.8770.870.0110.01128.6728.670.060.06-61.7-61.7-22.4-22.4-13.6-13.6-215-215 J-S-2J-S-2 寺寺 河河 煤煤 矿矿 3 3 68.3568.350.0100.01030.8730.870.370.37-61.5-61.5-20.5-20.5-16.4-16.4-228-228 J-S-3J-S-385.5385.530.4710.47113.5213.520.280.28-35.6-35.6-13.6-13.6-15.6-15.6-182-182 J-S-4-1J-S-4-199.85

36、99.850.0100.010 0.130.13-30.8-30.8 -9.8-9.8-197-197 J-S-5J-S-593.1693.160.0130.0136.726.720.020.02-35.3-35.3-12.8-12.8-12.8-12.8-171-171 H-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 煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果 甲烷的甲烷的13C113C1 煤层气煤层气13C113C1变化于变化于-78-78-13-13 乙

37、烷的乙烷的13C213C2 煤层气煤层气13C213C2变化于变化于-25-25-12-12 氢的同位素（氢的同位素（1H1H） 煤层气煤层气1H1H变化于变化于-228-228-171-171 CO2CO2的的13C13C 分布范围为分布范围为-17-17+28+28 主要集中于主要集中于-10.7 -10.7 15.8 15.8 （五）显微组分的影响（五）显微组分的影响 一般地说，一般地说，含富氧干酪根含富氧干酪根的煤的煤( (镜质组为主镜质组为主) ) 和和含富氢干含富氢干 酪根酪根的煤的煤( (壳质组和富氢镜质组为主壳质组和富氢镜质组为主) )生成的煤层气相比，在成熟度相生成的煤层气相

38、比，在成熟度相 同的条件下，前者比后者同的条件下，前者比后者13 13 C C1 1值较大，并且甲烷和乙烷的值较大，并且甲烷和乙烷的13 13 C C值值 的分布范围比后者窄。的分布范围比后者窄。 原因在于：原因在于： 脂肪族烃热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢脂肪族烃热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢 干酪根的煤层生成的气体中占优势，芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同干酪根的煤层生成的气体中占优势，芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同 位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位。位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位。 （六）（六）CHCH4 4和和COCO

39、2 2的碳同位素交换平衡效应的碳同位素交换平衡效应 煤的热模拟试验表明，原始形成的煤层气中煤的热模拟试验表明，原始形成的煤层气中COCO2 2和和CHCH4 4含量均较多，含量均较多， 两者之间会发生碳同位素交换平衡反应：两者之间会发生碳同位素交换平衡反应： 2424 13121213 COCHCOCH CCCC 这种交换过程使得煤层这种交换过程使得煤层CHCH4 4的的13 13C C1 1大幅度降低，导致煤层气中 大幅度降低，导致煤层气中CHCH4 4碳碳 同素变轻。主要发生在煤层气形成早期，此时煤层中同素变轻。主要发生在煤层气形成早期，此时煤层中CHCH4 4和和COCO2 2含量均较含

40、量均较 高，而后期高，而后期COCO2 2大量被溶解变得很少，交换平衡对大量被溶解变得很少，交换平衡对13 13C C1 1变轻影响不大。 变轻影响不大。 四、煤层气的物理性质四、煤层气的物理性质 甲烷为无色、无味、无溴、无毒的气体，但煤储层中往往含有少量甲烷为无色、无味、无溴、无毒的气体，但煤储层中往往含有少量 其它芳香族碳氢气体，因此常常伴着一些苹果的香味。在标准大气压，温其它芳香族碳氢气体，因此常常伴着一些苹果的香味。在标准大气压，温 度度0C的标准状态下，的标准状态下，0.716 Kg/m3,与空气比较，其比重约为与空气比较，其比重约为0.554。当空。当空 气中混有气中混有5.3 1

41、6.0%浓度的甲烷，遇火即可燃烧或爆炸。浓度的甲烷，遇火即可燃烧或爆炸。甲烷浓度达到甲烷浓度达到 43%43%，人感到呼吸短促；甲烷浓度达到，人感到呼吸短促；甲烷浓度达到57%57%，人处于昏迷状态，甲烷浓度，人处于昏迷状态，甲烷浓度 达到达到9.5%9.5%，遇明火爆炸最为猛烈。，遇明火爆炸最为猛烈。 二氧化碳为无色、无嗅、略具酸味气体，比空气重，突然喷出可使人二氧化碳为无色、无嗅、略具酸味气体，比空气重，突然喷出可使人 窒息。窒息。 表 2-2 煤中吸附介质分子直径、沸点和分子自由程（0， 0101325MPa） 吸附介质 CH4 H2O N2 CO2 C2H6 H2S H2 分子量 16

42、.042 18 28.013 44.010 30.070 34.070 2.016 分子直径nm 0.330.42 0.29 0.320.38 0.330.47 0.440.55 临界温度 -82.57 374.1 -126.2 31.06 32.37 100.39 -239.90 临界压力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 沸点 -161.49 100 -195.80 -78.50 -88.60 -60.33 -252.70 动力粘度10-5Pas 1.084 1.765 1.466 偏心因子

43、 0.008 0.344 0.040 0.225 液态密度 0.425 0.998 0.777 绝对密度(15.5) 0.677 1.00 1.182 1.858 1.269 1.48 相对密度(15.5) 0.554 0.967 1.519 1.038 1.178 0.069 热值/KJm-3 37.62 不可燃 不可燃 65.90 23.73 12.07 溶解系数 m3/m3atm 0.033 0.016 0.87 0.047 2.58 临界温度临界温度 是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这一温度，气体即是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这一温度，气体即 不能用简单升高压力的办法（

44、不降低温度）使之转化为液体；不能用简单升高压力的办法（不降低温度）使之转化为液体； 临界压力临界压力 是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度时，气体凝析所是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度时，气体凝析所 需的压力。高于临界温度，无论压力多大，气体不会液化；高于临界需的压力。高于临界温度，无论压力多大，气体不会液化；高于临界 压力，不管温度多少，液态和气态不能同时存在。压力，不管温度多少，液态和气态不能同时存在。 超临界状态超临界状态 当温度和压力均超过其临界温度和临界压力，且在临界点附近当温度和压力均超过其临界温度和临界压力，且在临界点附近 的状态。的状态。 溶解度溶解度: :20

45、、1atm下单位体积水中溶解的气体体积称为溶下单位体积水中溶解的气体体积称为溶 解度（解度（m3气气/m3水），溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（水），溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（ m3/m3atm）。）。 3.4MPa 6.8MPa 10.2MPa 1.5 0.5 0 2.5 2.0 1.0 溶解度 甲烷在水中的溶解度与温度的关系甲烷在水中的溶解度与温度的关系 0 20 40 60 80 100 120 度/ 矿化度=20mg/ml 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 03691215182124273033 压力/MPa 甲烷溶解度(m

46、 3甲烷/m3 水) T=20 T=40 T=60 T=80 矿化度=100mg/ml 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 03691215182124273033 压力/MPa 甲烷溶解度(m 3甲烷/m3 水) T=20 T=40 T=60 T=80 矿化度=200mg/ml 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 03691215182124273033 压力/MPa 甲烷溶解度(m 3甲烷/m3 水) T=20 T=40 T=60 T=80 矿化度=300mg/ml 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.

47、7 0.8 0.9 1.0 03691215182124273033 压力/MPa 甲烷溶解度(m 3甲烷/m3 水) T=20 T=40 T=60 不同温度和矿化度条件下的甲烷溶解度与压力的关系不同温度和矿化度条件下的甲烷溶解度与压力的关系 五、五、 煤层气对环境的影响煤层气对环境的影响 甲烷对大气的化学及辐射特性有重要影响，从体积甲烷对大气的化学及辐射特性有重要影响，从体积 上，其温室效应是上，其温室效应是COCO2 2的的2020余倍。据估算，大气中甲烷余倍。据估算，大气中甲烷 浓度每增加浓度每增加1ppm1ppm，可导致地球表面温度增加，可导致地球表面温度增加11。 大气中的大气中的C

48、HCH4 4可与可与-OH-OH、O O3 3、H H2 2O O、HOHOx x、H H2 2、ClCl2 2及其及其 它成分发生一系列化学反应，从而影响大气中的它成分发生一系列化学反应，从而影响大气中的H H2 2O O和和 O O3 3的浓度及大气中总体氧化能力。大气中其它气体，如的浓度及大气中总体氧化能力。大气中其它气体，如 CHCH3 3ClCl、CHCH3 3BrBr、CHClFCHClF3 3、CHCH2 2ClCl2 2和和SOSO2 2等含量，都直接或等含量，都直接或 间接地受间接地受CHCH4 4和和-OH-OH浓度的影响。所有这些气体都影响大浓度的影响。所有这些气体都影响

49、大 气的物理性质，增加的气的物理性质，增加的CHCH4 4温室效应。温室效应。 谢谢大家 晚期生物 气生成 低温环境 缺氧环境 低硫酸盐 环境 有机质 孔隙空间 水文地质 条件 次生生物气的生成和保存条件次生生物气的生成和保存条件 褐煤 准噶尔盆地盆缘晚期生物气成藏模式准噶尔盆地盆缘晚期生物气成藏模式 浅部煤系地层接受天山雪融水的补给，形成了浅部煤系地层接受天山雪融水的补给，形成了 低矿化度的地层水，在地质历史上利于甲烷菌的生低矿化度的地层水，在地质历史上利于甲烷菌的生 长，煤层生物降解产生甲烷气，在承压地层水和盖长，煤层生物降解产生甲烷气，在承压地层水和盖 层的共同作用下保存成藏。层的共同作

50、用下保存成藏。 (a)(a)华北地区华北地区 （b)b)华南地区华南地区 (c)(c)东北地区东北地区 不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系 由上图可以看出：由上图可以看出： 华北和华南煤层气华北和华南煤层气13 13C C1 1值与全国性规律一致，随煤级增高而变 值与全国性规律一致，随煤级增高而变 重重( (图图a a，图，图b)b)。东北煤层气。东北煤层气13 13C C1 1值的演化却与此相反，煤级增高， 值的演化却与此相反，煤级增高， 13 13C C1 1值变小 值变小( (图图c)c)，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要，暗示

51、东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重要 控制因素。控制因素。 2、煤层气的鉴别标志、煤层气的鉴别标志 （1 1）原油与煤成烃比较）原油与煤成烃比较 原油：原油：以腐泥型有机质为母质，成分以富含脂肪链结以腐泥型有机质为母质，成分以富含脂肪链结 构的烃类为主。热解气中重烃分子主要源于脂肪链结构的构的烃类为主。热解气中重烃分子主要源于脂肪链结构的 裂解。这些含脂肪链结构的烃类为重烃气生成提供了充足裂解。这些含脂肪链结构的烃类为重烃气生成提供了充足 的物质基础，以致原油热解气的干燥系数一般较低。的物质基础，以致原油热解气的干燥系数一般较低。 煤：煤：干酪根结构中的脂肪型侧链和桥键都比较短。在干酪根结构中的脂肪型侧链和桥键都比较短。在 热解时，侧链和桥键形成自由基，与热解时，侧链和桥键形成自由基，与H H相遇时，形成以相遇时，形成以CHCH4 4 分子为主的气态烃分子。煤中可溶有机质的烷烃含量大大分子为主的气态烃分子。煤中