矿大煤层气地质学2、煤层气的物质组成与性质概论
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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、瓦斯
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 C2+% <5% 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。
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
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
daf (cf/t)
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。
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。
生物质结构
煤的结构
3、煤型气
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。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。
运移作用
δ 13C1 (‰, PDB) II型干酪根 III型干酪根
混合成因
-110
热成因
波兰上西里西亚盆地和卢布林盆地
-90
二氧化碳
还原
-70
鄂尔多斯1号盆煤样地东缘保德地区
2号煤样 3号煤样
乙酸发酵
-50
-30
-10 -100
热降解 热裂解
昭通盆地褐煤生气物理模拟实验
-150 -200 -250 -300 -350 -400 δD (‰, SMOW)
0.4
0.5
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%
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~三号无烟煤 2.0%<Ro,max<3.7%
4、次生生物成因煤层气 0.3%<Ro,max<1.5%
次生生物成因
运移作用 氧化作用
-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
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。
-100
δDCH4 (‰ ，SMOW)
-150 次生生物气
-200
-250
-300 -85 -75 -65
混合气
热裂解气
热降解气
Байду номын сангаас
李雅庄 恩洪 新集 沁水 宝积山
-55 -45 -35 -25 -15
δ 13 CCH4 (‰ ，PDB)
（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。
H/C(原子比)
1.6 腐泥煤
1.4 0.5
1.2
1
0.8
0.25 0.35
0.6
1.25 0.6 0.45
1.9
0.4
2.3
0.2
0
0
0.1
0.2
0.3
O/C(原子比)
腐植煤 RO（%）
中国煤层甲烷平均浓度区域分布示意图
>95％ 90～95％ 85～90％ 80～85％
100
100
组分浓度 (%) 组分浓度 (%)
10
10
1
1
0.1
0.1
0.01
B502孔 32号 煤 层
CH4
C2-C3
0.01 志成煤矿6号煤层
CH4
C2-C3
0.001
N2
CO2
N2
CO2
0.001
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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～
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
第三节 煤层气 地球化学组成的地质控制
1、 煤级
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
新生界古近系
-63.1/1 -49.2/6 -43.3/2
中生界侏罗－白垩系
-57.3/1 -59.1/4
肥煤 -47.7/2 -56.2/2
上古生界石炭－二叠系
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。
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‰
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
气样序号
气样序号
组分浓度随解吸过程发生变化： ─ 分阶段解吸：四大阶段，密集取样 ─ 系统测试：组分(常规/稀有)，同位素(C/H/O/N/Ar) ─ 变化规律隐含成因信息
HP5889色谱仪
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。
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、瓦斯
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 C2+% <5% 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。
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
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
daf (cf/t)
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。
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。
生物质结构
煤的结构
3、煤型气
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。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。
运移作用
δ 13C1 (‰, PDB) II型干酪根 III型干酪根
混合成因
-110
热成因
波兰上西里西亚盆地和卢布林盆地
-90
二氧化碳
还原
-70
鄂尔多斯1号盆煤样地东缘保德地区
2号煤样 3号煤样
乙酸发酵
-50
-30
-10 -100
热降解 热裂解
昭通盆地褐煤生气物理模拟实验
-150 -200 -250 -300 -350 -400 δD (‰, SMOW)
0.4
0.5
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%
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~三号无烟煤 2.0%<Ro,max<3.7%
4、次生生物成因煤层气 0.3%<Ro,max<1.5%
次生生物成因
运移作用 氧化作用
-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
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。
-100
δDCH4 (‰ ，SMOW)
-150 次生生物气
-200
-250
-300 -85 -75 -65
混合气
热裂解气
热降解气
Байду номын сангаас
李雅庄 恩洪 新集 沁水 宝积山
-55 -45 -35 -25 -15
δ 13 CCH4 (‰ ，PDB)
（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。
H/C(原子比)
1.6 腐泥煤
1.4 0.5
1.2
1
0.8
0.25 0.35
0.6
1.25 0.6 0.45
1.9
0.4
2.3
0.2
0
0
0.1
0.2
0.3
O/C(原子比)
腐植煤 RO（%）
中国煤层甲烷平均浓度区域分布示意图
>95％ 90～95％ 85～90％ 80～85％
100
100
组分浓度 (%) 组分浓度 (%)
10
10
1
1
0.1
0.1
0.01
B502孔 32号 煤 层
CH4
C2-C3
0.01 志成煤矿6号煤层
CH4
C2-C3
0.001
N2
CO2
N2
CO2
0.001
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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～
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
第三节 煤层气 地球化学组成的地质控制
1、 煤级
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
新生界古近系
-63.1/1 -49.2/6 -43.3/2
中生界侏罗－白垩系
-57.3/1 -59.1/4
肥煤 -47.7/2 -56.2/2
上古生界石炭－二叠系
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。
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‰
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
气样序号
气样序号
组分浓度随解吸过程发生变化： ─ 分阶段解吸：四大阶段，密集取样 ─ 系统测试：组分(常规/稀有)，同位素(C/H/O/N/Ar) ─ 变化规律隐含成因信息
HP5889色谱仪
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。