第二章 煤层气的基本概念与性质

煤层气coalbed gas——赋存在煤层里的天然气。
煤层甲烷 coalbed methane——煤层气中的甲烷。
“瓦斯”——我国采煤界习惯用的术语。 “瓦斯”一词来自日语“ガス（瓦
斯）”。 “瓦斯”——常用含义有以下两种： 1, 煤矿井下工程里的甲烷（CH4），又称沼气； 2，赋存在煤层和岩层里，尚未涌入矿井的天然气。
生物成因气与热成因气的 地球化学特征有较大差异。 首先，生物成因气主要由 CH4组成，而热成因气普
遍含重烃；
其次，生物成因气碳同位 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。
2、煤的组成
煤的组成不仅对煤层气的湿度有较大的影响，而且也会影
响煤层气的同位素特征。富氧干酪根（多数为镜质组）生成的 气体在热成熟度相同的条件下，δ13C1值比富氢干酪根（壳质组
确定“瓦斯风化带”的下部边界 应该用甲烷及重烃浓度之和 ≥80 %（按体积）为指标。
煤矿实测瓦斯成分的资料往往不足，
难以勾画出“瓦斯风化带”下界。 采煤人员用相对瓦斯涌出量（＜2m3/t.d）， 或瓦斯压力（＜0.15MPa）， 或瓦斯含量(烟煤2～3m3/t，无烟煤5～7 m3/t)等指标
划定“瓦斯风化带”下界。
同位素δ13C、δD(‰)
δ13C1 -32.20 δ13C2 20.80 δ13CCO2 28.40 δD1 -193
FZ012
98.16
0.029
0.15
-30.20
23.70
24.80 21.90
-17.00
-154
FZ016
98.50
0.021
0.15
-32.00
-15.80
-145
HUNH
贫煤 -41.8/4
沁水盆地及外围甲烷稳定同位素分布 盆地甲烷稳定同位素特征
0 -10 -20 -30.2 -32 -31.9 -30.8 -31.2 -32.2 -33 -32.5 32.6 -30 -35.3 -35.6 -35.6 -40 -50 -60 -70 樊庄 潘庄 寺河 李雅庄 阳泉 矿区 -50.5 -56.3 -59.1 -61.5 -61.7 -35.5 -38.2
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中国东部煤层气中湿气比例随镜质组反射率的演化
煤层气δ13C1与煤层现今的埋藏深度有
一定的关系，随着煤层埋深的增加，煤 层气δ13C1逐渐增加。
前联邦德国上石炭统煤层气中CH4碳同位素δ13C1随 深度的变化规律（不同符号代表不同样点）
第三节 煤层气 地球化学特征的影响因素
1、 煤级
中国煤层气甲烷碳同位素组成
由一个含煤岩系生成的“煤成（型）气”中，
现今储集在煤层内的“煤层气”是其很少部分， 能够聚集成常规天然气藏的更是少部分，大部分 气体逸散。
3、瓦斯 是指煤矿生产过程中，从煤层、岩层和采空区放出的各 种有害气体的总称。 在陈述煤层气的地质问题时， 煤层气与瓦斯两个术语是同义词； 在陈述煤矿巷道里的“瓦斯”时， 二者又不能完全看成同义词。
13C
2
、δ D1/‰
δ
13C CO2
李 94.72 雅 K-H-Li-3 庄 2 99.35 煤 K-H-Li-4 矿 70.87
K-H-Li-2 J-S-2 68.35
δ
13C
δ D1 -228 -244 -215 -228
-59.1 -56.3 -61.7 -61.5 -22.4 -20.5
可以分为油成气、煤成气和它成气三大类。
煤成气和油成气的主要区别有以下几点： 1、气源不同 自生油岩系。 煤成气来自煤系和煤层；油成气来
2、干酪根类型不同 气以腐泥型和过渡型为主。
煤成气以腐植型为主；油成
3、甲烷碳同位素比值（δ13C1）不同
煤成气
δ13C1
=-20～-30‰，偏重；油成气δ13C1 =-30～-55‰，偏轻。
瓦斯和煤中气的概念相似，但不完全相同！ 顶底板岩层中的瓦斯和采空区的瓦斯都来自煤中气， 这是由于采动影响和人为的逸散到岩层和采空区中去的， 但这部分气体既然已经从煤层中出来，严格讲就不再是煤 中气了，和前者区别，称这部分气体为人工煤散气；采动 后仍保存在煤层中的瓦斯，称为保有煤中气。因此，人工 煤散气就是生产上所说的矿井瓦斯；从广义说，人工煤散 气和保有煤中气合称为矿井瓦斯。保有煤中气随时可以涌 出煤层，转化为人工煤散气，两者是不可分割的。
第二章 煤层气 的基本概念与性质
第一节 煤层气的基本概念
第二节 煤层气的化学组分
第三节 煤层气地球化学特征的影响因素 第四节 煤层气的物理性质
第一节 煤层气的基本概念
1、煤型气（煤成气）
是指含煤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。 过去认为天然气和油气田息息相关，后来发现了煤 成气，并成为天然气的一个重要类型。地壳中的天然气
二氧化碳易溶于水，且易被地下水带走，因而二氧化碳含量主要受地下水的 影响。
几个国家煤的瓦斯成分分析表
沁水盆地不同类型气样组分变化对比表
气样类型 CH4 钻井排采气 气体组分变化范围/% C2H6 0.007 ～ 0.029 —— 0.01～ 0.47 CO2 N2 非烃 微量
98.16～ 99.55
98.83
0.020
0.20
-31.90
-17.20
-157
煤矿采掘面煤岩解吸气分析结果
样品编号
H-L-1
矿 煤 区 层
组分含量/%
CH4 C2H6 0.022 0.017 0.011 0.010 N2 4.63 CO2 0.30 0.38 28.67 0.06 30.87 0.37
δ
同位素δ
13C 1
> 80
< 10
< 20
严格说，用“瓦斯风化”一词并不确切。
在所谓“瓦斯风化带”内， 煤层里发生过瓦斯与地表大气互相交换， 以甲烷为主要成分的瓦斯中的部分甲烷散入大气， 同时大气中的二氧化碳与氮进入煤层 以致煤层内的甲烷浓度减小，二氧化碳与氮的浓度增大。
甲烷、二氧化碳与氮本身并没有“风化”。
现在术语“瓦斯风化带”已经广为流行。
氢H2、一氧化碳CO、二氧化硫SO2及硫化氢H2S等气体，
一般含量和少，但危害很大；氦He、氖Ne、氩Ar、氪Ke、 氙Xe等有害气体，含量甚微。 从上述看出，瓦斯成分及其复杂，它主要是由甲烷（沼 气）、二氧化碳气和氮气组成。其中沼气是瓦斯的主体部
分。
“瓦斯风化带”
早在上世纪50年代，前苏联学者发现， 顿巴斯浅部瓦斯的成分有垂向分带现象， 自浅部向深部一般可分四个带，
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；
中变质煤中重烃含量最高，而低、高变质煤中重烃含量最低。
4、煤层气解吸阶段 5、水文地质条件
煤成气可分为煤系气和煤层气两大类型。煤系气属常规 天然气，气源来自煤系地层，一般均经过较大规模的运移， CH4含量相对偏低；煤层气属非常规天然气，气源来自煤层 ，一般未经长距离运移， CH4含量相对偏高。
煤系气和煤层气都可分为两大部分，即：留存在生气母 岩（煤系或煤层）中，基本上未经运移的那部分煤成气，称 为煤中气；从生气母岩运移出去的那部分煤成气，称为煤出 气。
煤出气又可分为两部分，即：已经分散的失去工业价值 的煤出气称为煤散气，它占煤出气的大部分；聚集在一起形 成煤气田，可供开采利用的煤出气称为煤聚气，它占煤出气 的小部分。
由此可知，煤层实质上是固体的煤和煤中气共生的矿 层——固气态矿层。
煤型气coal-type gas 或称 煤成气coal generated gas——
“瓦斯风化带”以下的甲烷（CH4）带的气体成分才 是正常的瓦斯成分。 研究煤层瓦斯应该以正常瓦斯带，即甲烷带为对象。 正常瓦斯带气成分中的甲烷浓度理应不低于80％。 有些文献作者没有注意这一点，把“瓦斯风化带” 里的气体与正常甲烷带的气体混在一起作分析，以致 在讨论瓦斯成分与含量时往往发生概念不清。
采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。
浅部煤层气成分垂向各带气体组成 名 称 CH4 （体积 %） CO2 （体积 %） N2 （体积 %）
CO2—N2 带
瓦斯 风化带 N2带 N2—CH4 带
< 10
< 20 < 80
> 20
< 10～20 < 10～20
20～80
> 80 < 80
甲烷带
CH4带
当通风不良和停风时可能因二氧化碳和氮的局部富集 产生窒息危险；或因甲烷局部富集产生爆炸危险。
三、煤层气的同位素特征
我国不同地区、不同时代 和不同煤级中δ 13C1的分布 特征差异较大。 从区域上看，华北煤层气 δ 13C1为-78 ‰ ～-28 ‰ ， 华南煤层气δ 13C1为-68 ‰ ～-25 ‰ ，东北煤层 气δ 13C1为-68 ‰ ～-49 ‰ 。上述特征总体体现了 不同地质时代、不同构造 背景下煤中有机质生烃演 化的特点。
和富氢镜质组）高，并且CH4和C2H6的δ13C1值分布范围狭窄。
这种差异是由于富氢干酪根生成的脂肪型结构经热解产生的 CH4同位素值较低，而富氧干酪根生成的芳香型结构经热解生 成的CH4同位素值较重。
沁水盆地煤层气井排采气分析数据表（无烟煤）
样品 编号
FZ002
组分含量/%
CH4 98.99 C2H6 0.012 CO2 0.02
煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布（据叶建平等，1998）
煤层气的湿度及 δ 13C1随煤级或埋藏 深度等的变化呈现出 一定规律性。 低煤级和高煤级气体 较干，中煤级气体较 湿。 美国和加拿大气体湿 度最大的位置在 Ro=0.6%～0.8%。
加拿大和美国煤层气湿气比例随镜质组反射率的演化规律
从中国各时代煤层气的成分来看， 浅部生产矿井的煤层气全为干气， 而中深部矿井煤层气及热解试验气 在中煤级变湿。 中国气体湿度最大的位置在 Ro=1.25%～1.35%。
第二节
1、烃类气体
煤层气的化学组分
一、煤层气的化学组成
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% 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。
在含煤岩系（简称煤系）形成与演化过程中， 煤系地层（包括煤层和岩层）里的有机质产出的 以甲烷为主的天然气。
煤系内其他岩层也可能赋存有煤型气， 但极少成为有经济价值的储气层。
煤型气可能赋存到煤系以外的储气层内， 成为常规天然气气藏。
2、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。由于其成分以甲烷为主，往往将其简 称为煤层甲烷。 煤层气就是储存在煤层内的煤型气。煤层气常被称 为“自生自储”的非常规天然气。 应该从广义上理解 此观点， 气体在煤层内一直处于运移的动态平衡状态， 现今的“煤层气”不一定就是原地生成的。 应用动态的观点看待煤层气十分重要！
由于地质条件的不同，“瓦斯风化带”的下界深度差异 很大，变化范围从几十米至几百米。 我国不少煤田内第四纪和第三纪的冲积层厚度很大， 不整合覆盖在煤系地层之上。 “瓦斯风化带”的下界在不整合面（基岩面）下几十到 百余米。 这样的“瓦斯风化带”是“古瓦斯风化带”。
由于“瓦斯风化带”内甲烷浓度低，瓦斯对生产一般 不会造成大的威胁。
含煤时代 新生界下第三系 中生界侏罗－白垩系 上古生界石炭－二叠 系 δ13C1平均值，‰
褐煤
-63.1/1
长焰煤
-49.2/6 -57.3/1
气煤
-43.3/2 -59.1/4 -58.4/30
肥煤
-47.7/2 -56.2/2 -56.2/27 无烟煤 -36.7/7
焦煤 -55.0/7
瘦煤 -55.3/2
0.02～ 0.29
0.12～ 2.10 0.02～ 0.38
0.92～ 1.63
0～ 15.88 4.63～ 30.87
钻井煤芯解 83.47～ 99.43 吸气 矿井煤岩解 66.35～ 99.85 吸气
微量 微量
由此可知，组成瓦斯的成分包括：甲烷（沼气）CH4， 一般可占到80%以上；二氧化碳CO2和氮N2，一般占1%～ 20%左右；重烃及其化合物，包括乙烷C2H8、丙烷C3H8、 丁烷C4H10、戊烷C6H12等，含量很少，一般在1%以下；