能源地质学-10-2-煤层气组成与性质资料

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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。
煤层气的物理性质
气体 CH4 CO CO2 H2S SO2
NO2
H2


微有 甜
略带 酸味
臭味
酸味 硫磺味
有刺激 味

无无


无无
无 褐红色
相对 比重 0.554 0.97 1.52 1.19
水溶性 难溶 微溶 易溶 易溶
爆炸性 5~16 12.5~ 不爆 4.3~4
吸气
99.85 0.47 0.38 30.87
非烃 微量 微量
微量
三、煤层气的同位素特征
1、煤层甲烷稳定碳同位素分布
煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布(据叶建平等,1998)
2、煤层气的鉴别标志
1)相同成熟度
Ro,max=0.50~2.5% δ13C1>-43‰是煤型气, δ13C1 ≤-43%~-55‰是油型气。
1.269
1.48
相对密度(15.5℃)
0.554
0.967
1.519
1.038
1.178
热值/KJ·m-3
37.62
不可燃 不可燃
65.90
23.73
溶解系数 m3/m3·atm 0.033
0.016
0.87
0.047
2.58
H2 2.016 -239.90 1.297 -252.70
0.069 12.07
同位素δ13C、δD(‰)
δ13C1 δ13C2 δ13CCO2 δD1 -32.20 -20.80 28.40 -193 -30.20 -23.70 -17.00 -154 -32.00 -24.80 -15.80 -145 -31.90 -21.90 -17.20 -157 -33.00 -19.50 -12.70 -159 -32.60 -18.50 23.20 -172 -31.20 -16.80 -12.50 -152
5、煤层气的成因
生物成因、热成因、次生作用/水文地质作用
6、CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应
C C C C 13
12
CH 4
CO 2
12
13
CH 4
CO2
使煤层中的13 C1大幅度降低,
导致煤层气中CH4碳同素变轻
第四节、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 有少量其它芳香族碳氢气体,因此常常伴着一些苹果的香味,在 大气压0.101325 MPa,温度0°C的标准状态下,每立方米重0.716 Kg与空气比较,其比重约为0.554比空气轻。当空气中混有5.3~ 16.0%浓度的甲烷,遇火即可燃烧或爆炸。甲烷浓度达到43%,人 感到呼吸短促;甲烷浓度达到57%,人处于昏迷状态,甲烷浓度达 到9.5%,遇明火爆炸最为猛烈。
温度温/℃度/℃
甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
T=20℃ T=40℃ T=60℃ T=80℃
369
矿化度=20mg/ml
12 15 18 21 24 27 30 33 压力/MPa
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
第二章 煤层气 的物质组成与性质
第一节 煤层气的形成 第二节 煤层气的化学组分 第三节 煤层气地球化学组成
和变化的地质控制
第四节 煤层气的物理性质
第一节 煤层气的形成
一、三个基本概念
1、煤层气 是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在
煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于 煤层水中的烃类气体,其成分以甲烷为主,往往将其 简称为煤层甲烷。
2)煤型(层)气比油型气的甲烷同系物的同位素重
煤型气:δ13C2 >-25.1‰, δ13C3>-23.2‰ 混合气: -25.1 ‰ < δ13C2 >-28.8‰
-23.2 ‰ < δ13C3 >-25.5 ‰
油型气:δ13C2 <-28.8‰, δ13C3 <-25.5‰
3)煤化作用早、中期( Ro,max =0.5~1.3%)以 成气作用为主,成油作用为辅的是煤型(层)气
煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果
样品编号 矿 煤
区层
H-L-1 K-H-Li-2 K-H-Li-3 K-H-Li-4
李 雅 庄2 煤 矿
CH4 94.72 99.35 7.63
0.017
0.011 28.67
CO2 0.30 0.38 0.06
同位素δ 13C 、δ D1/‰
沁水盆地不同类型气样组分变化对比表
气样类型
钻井排采气 钻井煤芯解
吸气
CH4
98.16~ 99.55
83.47~ 99.43
气体组分变化范围/%
C2H6 0.007~
0.029
——
CO2
0.02~ 0.29
0.12~ 2.10
N2
0.92~ 1.63 0~ 15.88
矿井煤岩解 66.35~ 0.01~ 0.02~ 4.63~
4)煤成气具明显的姥鲛烷优势,姥鲛烷/植烷 (Pr/Ph )=0.68~11.6,其中绝大多数大于2.1, 而Ⅰ、Ⅱ型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43, 为姥植均势。
5)煤型(层)气的汞含量比油型气高,煤型气含汞8 万微克/m3,油型气7千微克/m3。
第三节 煤层气 地球化学组成的地质控制
1、 煤级
(3)瘦煤至无烟煤阶段
生气270~422m3/t,烃类气体占70%,其中CH4占绝对 优势(97~99%),几乎没有重烃。
不同煤类的产气量和吸附能力
煤类 褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤
产气量m3/t 38~68 138~168 182~212 199~230 240~270 257~287 295~330 346~422
0
T=20℃ T=40℃ T=60℃ T=80℃
369
矿化度=200mg/ml
12 15 18 21 24 27 30 33 压力/MPa
J-S-4-1
河 煤
3
99.85
0.010
0.13 -30.8
-9.8 -197
J-S-5 矿 93.16 0.013 6.72 0.02 -35.3 -12.8 -12.8 -171
H-L-1
94.47 0.016 5.41 0.03 -35.6 -12.5 -10.7 -184
甲烷碳同位素(13C1) 煤层气δ13C1变化于-78~-13‰
2、瓦斯 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。
3、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, 成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷,赋 存在围岩中的煤型气称为煤成气。
沁水盆盆地地及甲外烷围稳甲烷定稳同定位同素位素特分征布
0
-10
-20 -30 -32.2-30.2 -32 -31.9 -33 -32.5-32.6-31.2-35.6-30.8-35.3-35.6
-35.5-38.2
-40
-50.5
-50 -60
-59.1-56.3-61.7-61.5
-70
樊庄
褐煤~瘦煤阶段
3、裂解型煤层气
Ro,max介于0.5~2.0%
瘦煤阶段~二号无烟煤 2.0%<Ro,max<3.7%
4、次生生物成因煤层气 0.3%<Ro,max<1.5%
第二节 煤层气的化学组分
一、煤层气的化学组成
1、烃类气体
甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。
干气(贫气):CH4>95% 或 C1% >95% 湿气(富气): CH4<95% 或 C2+% >5%
% 75%
5.5%
毒性 无 有 无 有
2.27 易溶

1.57 0.07
极易溶 微溶
4~74.2 %


表 2-2 煤中吸附介质分子直径、沸点和分子自由程(0℃, 0101325M Pa)
吸附介质 分子量
CH4
H2O
N2
CO2
C2H6
H2S
16.042
18
28.013 44.010 30.070 34.070
分子直径/nm
0.33~0.42 0.29 0.32~0.38 0.33~0.47 0.44~0.55
临界温度/℃
-82.57 374.1 -126.2
31.06
32.37 100.39
临界压力/M Pa
4.604 21.83 3.399
7.384
4.880
9.05
平均自由程/nm
53.0
74.6
83.9
吸附能力m3/t <8 8~9 9~11
11~14 18~20 14~18 20~24 24~36
显微组分对煤成气的贡献 壳质组∶镜质组∶惰质组为3∶1∶0.8, 镜质组的产气率为惰质组的4.3倍,壳质组为惰质组的11倍。
四、煤层气的成因
1、生物降解煤层气
泥炭~褐煤阶段
2、热解型煤层气
Ro,max<0.5%
中国煤层气甲烷碳同位素组成
含煤时代
褐煤
δ13C1平均值,‰
长焰煤
气煤
肥煤
新生界下第三系
-63.1/1 -49.2/6 -43.3/2 -47.7/2
中生界侏罗-白垩系
-57.3/1 -59.1/4 -56.2/2
-58.4/30 -56.2/27
上古生界石炭-二叠系 焦煤 瘦煤
贫煤
无烟煤
-55.0/7 -55.3/2 -41.8/4 -36.7/7
乙烷碳同位素(13C2) 煤层气δ13C2变化于-25~-12‰
氢同位素(1H)
煤层气δ1H变化于-228~-171‰ CO2的δ13C
分布范围为-17‰~+28‰ 主要集中于-10.7 ‰~15.8 ‰
4、煤的显微组分
腐泥型煤(I、II型干酪根)生成湿气和液态烃
腐殖型煤(III型干酪根)则生成较干的气体。
潘庄
寺河
李雅庄
阳泉
矿区
2、 埋深与解吸/扩散
3、煤层气成分与同位素组成
沁水盆地煤层气井排采气分析数据表(无烟煤)
样品 编号
FZ002 FZ012 FZ016 HUNH P001 P003 P004
组分含量/%
CH4 C2H6 CO2 98.99 0.012 0.02 98.16 0.029 0.15 98.50 0.021 0.15 98.83 0.020 0.20 99.55 0.010 0.29 99.12 0.008 0.13 98.96 0.007 0.13
沸点/℃
-161.49 100 -195.80 -78.50 -88.60 -60.33
动力粘度/×10-5Pa·s 1.084
1.765
1.466
偏心因子
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
只有当温度和压力均超过其临界温度和临界压力
溶解度:20℃、1atm下单位体积水中溶解的气体
体积称为溶解度(m3气/m3水),溶解度同气体压力 的比值称为溶解系数(m3/m3·atm)。
2.5
2.0 溶
1.5 解 度 1.0 m3/m3 0.5
10.2M Pa 6.8M Pa 3.4M Pa
0 0 20 40 60 80 100 120
δ 13C1 δ 13C2 δ 13CCO2 δ D1
-59.1
-8.7 -228
-56.3
-11.9 -244
-61.7 -22.4 -13.6 -215
J-S-2
68.35 0.010 30.87 0.37 -61.5 -20.5 -16.4 -228
J-S-3 寺 85.53 0.471 13.52 0.28 -35.6 -13.6 -15.6 -182
三、主要生气阶段和产率
(1)褐煤至长焰煤阶段
生气38~168m3/t,CO2占72~92%, 烃类<20%以甲烷为主,重烃气<4%
(2)长焰煤至焦煤阶段
生气168~270m3/t,烃类气体迅速增加,占70~80%, CO2下降至10%左右。烃类气体以CH4为主,重烃可 占10~20%,如壳质组含量多,则油和湿气含量也多。
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
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;高于临界压力,不管温度 多少,液态和气态不能同时存在。
超临界状态
C1/ C1~ 5值大于99%,为特别干的气体, 95%~99%为干气, 85%~95%为湿气, 小于85%,为特别湿的气体。
2、非烃类气体
有氮气、二氧化碳、 一氧化碳、硫化氢、氢 及微量的惰性气体。
二、控制煤层气成分的主要因素
1、煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度; 2、储层压力,它影响煤的吸附能力; 3、煤化作用程度,即煤阶/煤级; 4、煤层气解吸阶段 5、水文地质条件
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