瓦斯地质学ppt 第四章 煤层瓦斯赋存与煤层物性特征
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斯
ห้องสมุดไป่ตู้力↓温度↑ 压力↑温度↓
游 离瓦
斯
4.3 煤层瓦斯吸附特征
吸附平衡 在一个封闭系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两 种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而 成吸附气相； 被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增 加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游 离气相。 当这两种作用的速度相等（即单位时间内被固体颗粒表面吸 留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的 气体分子数目就维持在某一个定量，此时称为吸附平衡。这 是一种动态平衡，所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态 时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。
m3 气/m3 储层
30
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较（据Kuuskvaa等，
1989）
1—圣胡安盆地高挥发分烟煤；2—黑勇士盆地中挥发分烟煤；3—常规砂岩储
层（孔隙度Φ=25%，水饱和度为30%）；4—圣胡安盆地中挥发分烟煤；5—常规
砂岩储层（孔隙度Φ=22.5%，水饱和度为35%）。
4.3 煤层瓦斯吸附特征
V=a·b·p
(4-5)
式（4-5）被称为亨利（Henry）公式
2：气体平衡压力很高时，Langmuir方程分母中的1相对
于b·p项可以忽略不计，即V＝a，这就是饱和吸附，它反
映了a值的物理意义。
V abP 1 bP
4.3 煤层瓦斯吸附特征
2．多分子层吸附理论—BET方程
在单分子层吸附理论基础上，Brunauer、Emmett和Teller等 人于1938年提出 除上述Langmuir单分子层模型中的前3项假设（即吸附是动态 平衡，固体表面是均匀的，被吸附分子间无相互作用力）外， 还补充了以下假设：
①被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力，发生多层 吸附； ②第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热 相同； ③吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。虽然吸附是多 分子层的，但不是第一层吸附满时才进行第二层吸附，而是每一层都可能 有“空着”的吸附位，层是不连续的。
n
Qy fi.VpKi
i
式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；fi为第i气体摩尔分数，V 为单位质量煤的孔隙体积（cm3/g）；p为气体压力（MPa）；Ki 为第i气体的压缩系数。
4.2 瓦斯赋存状态
提示：煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态和游 离态，还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是， 由于吸附态和游离态瓦斯所占的比例在85％以上， 正常情况下，整体所表现出的特征仍是吸附和游 离状态瓦斯的赋存特征。
4.2 瓦斯赋存状态
（二）游离态瓦斯
存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子
服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力
煤中游离瓦斯的含量不大。埋深在300～1 200 m范围内的中 变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%～12%。
游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、压力和瓦 斯成分及其压缩系数
4.1 煤层瓦斯地球化学特征
二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素
煤岩组分（母质） 煤化程度（煤阶） 瓦斯成因（生气过程） 埋藏深度及相应的温压条件 水动力条件和次生作用
4.2 瓦斯赋存状态
瓦斯在煤体内赋存状态
瓦斯在煤体内存在状态
游离瓦斯 10-20%
吸附瓦斯 80-90%
以自由气 体分子存在于 煤体或围岩的 较大裂隙、孔 隙和空洞之中
4.3 煤层瓦斯吸附特征
吸附类型
a
I
a
a
P/P0
1
a
P/P0 a
1 V
P/P0
1
P/P0
1
P/P0
1
吸附等温线的5种类型
4.3 煤层瓦斯吸附特征
（二）煤的瓦斯吸附理论 1．单分子层吸附理论—Langmuir方程和Henry公式
朗缪尔方程的基本假设条件是：①吸附平衡是动态平衡； ②固体表面是均匀的；③被吸附分子间无相互作用力；④吸附 作用仅形成单分子层。
瓦斯地质学
第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征
4.1 煤层瓦斯地球化学特征
一、瓦斯的化学组分 烃类气体:甲烷及其同系物 非烃类气体:二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫
化氢和稀有气体氦、氩等。 （一）烃类气体 主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烃类气
体含量极少。 （二）非烃类气体
非烃类气体含量通常小于20%
4.3 煤层瓦斯吸附特征
一、煤的吸附特征 （一）吸附类型 煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具 有吸附气体的能力。 吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一 种过程。 吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是由范德华力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱； 物理吸附是快速、可逆的。化学吸附是由共价键引起的，气体和固体之间 的结合力很强；化学吸附是缓慢、不可逆的。
。
吸着状态
在与颗粒固 体在分子之间引 力作用下，被吸 着在煤体孔隙的 内表面上。
吸收状 态
瓦斯分子 进入煤体颗粒 结构内部，与 煤体固体分子 相结合。
图例 瓦斯在煤层内存在状态
1 - 游离瓦斯；2 - 吸收瓦斯；3 - 吸着瓦斯
4.2 瓦斯赋存状态
4.2 瓦斯赋存状态
(一)吸附态瓦斯 煤层瓦斯以吸附方式储存于煤层中。 吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%～90%。 煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。
煤对气体的吸附以物理吸附为主体。
4.3 煤层瓦斯吸附特征
瓦斯吸附与解吸
(1)瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸； (2)瓦斯由游离状态转化为吸附状态的现象，称为吸附； (3)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态； (4)外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平
衡状态；
吸 附瓦
其数学表达式为 V a b P 1 bP
Langmuir方程的另一种表达方式是
V VL P PL P
4.3 煤层瓦斯吸附特征
讨论：
1：吸附剂的内表面积最多有10%被气体分子覆盖时，即 气体平衡压力较低时，Langmuir方程分母中的b·p项与1 相比，可以忽略不计，此时的吸附量与压力成正比。即：
ห้องสมุดไป่ตู้力↓温度↑ 压力↑温度↓
游 离瓦
斯
4.3 煤层瓦斯吸附特征
吸附平衡 在一个封闭系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两 种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而 成吸附气相； 被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增 加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游 离气相。 当这两种作用的速度相等（即单位时间内被固体颗粒表面吸 留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的 气体分子数目就维持在某一个定量，此时称为吸附平衡。这 是一种动态平衡，所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态 时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。
m3 气/m3 储层
30
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1
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美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较（据Kuuskvaa等，
1989）
1—圣胡安盆地高挥发分烟煤；2—黑勇士盆地中挥发分烟煤；3—常规砂岩储
层（孔隙度Φ=25%，水饱和度为30%）；4—圣胡安盆地中挥发分烟煤；5—常规
砂岩储层（孔隙度Φ=22.5%，水饱和度为35%）。
4.3 煤层瓦斯吸附特征
V=a·b·p
(4-5)
式（4-5）被称为亨利（Henry）公式
2：气体平衡压力很高时，Langmuir方程分母中的1相对
于b·p项可以忽略不计，即V＝a，这就是饱和吸附，它反
映了a值的物理意义。
V abP 1 bP
4.3 煤层瓦斯吸附特征
2．多分子层吸附理论—BET方程
在单分子层吸附理论基础上，Brunauer、Emmett和Teller等 人于1938年提出 除上述Langmuir单分子层模型中的前3项假设（即吸附是动态 平衡，固体表面是均匀的，被吸附分子间无相互作用力）外， 还补充了以下假设：
①被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力，发生多层 吸附； ②第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热 相同； ③吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。虽然吸附是多 分子层的，但不是第一层吸附满时才进行第二层吸附，而是每一层都可能 有“空着”的吸附位，层是不连续的。
n
Qy fi.VpKi
i
式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；fi为第i气体摩尔分数，V 为单位质量煤的孔隙体积（cm3/g）；p为气体压力（MPa）；Ki 为第i气体的压缩系数。
4.2 瓦斯赋存状态
提示：煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态和游 离态，还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是， 由于吸附态和游离态瓦斯所占的比例在85％以上， 正常情况下，整体所表现出的特征仍是吸附和游 离状态瓦斯的赋存特征。
4.2 瓦斯赋存状态
（二）游离态瓦斯
存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子
服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力
煤中游离瓦斯的含量不大。埋深在300～1 200 m范围内的中 变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%～12%。
游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、压力和瓦 斯成分及其压缩系数
4.1 煤层瓦斯地球化学特征
二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素
煤岩组分（母质） 煤化程度（煤阶） 瓦斯成因（生气过程） 埋藏深度及相应的温压条件 水动力条件和次生作用
4.2 瓦斯赋存状态
瓦斯在煤体内赋存状态
瓦斯在煤体内存在状态
游离瓦斯 10-20%
吸附瓦斯 80-90%
以自由气 体分子存在于 煤体或围岩的 较大裂隙、孔 隙和空洞之中
4.3 煤层瓦斯吸附特征
吸附类型
a
I
a
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P/P0
1
a
P/P0 a
1 V
P/P0
1
P/P0
1
P/P0
1
吸附等温线的5种类型
4.3 煤层瓦斯吸附特征
（二）煤的瓦斯吸附理论 1．单分子层吸附理论—Langmuir方程和Henry公式
朗缪尔方程的基本假设条件是：①吸附平衡是动态平衡； ②固体表面是均匀的；③被吸附分子间无相互作用力；④吸附 作用仅形成单分子层。
瓦斯地质学
第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征
4.1 煤层瓦斯地球化学特征
一、瓦斯的化学组分 烃类气体:甲烷及其同系物 非烃类气体:二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫
化氢和稀有气体氦、氩等。 （一）烃类气体 主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烃类气
体含量极少。 （二）非烃类气体
非烃类气体含量通常小于20%
4.3 煤层瓦斯吸附特征
一、煤的吸附特征 （一）吸附类型 煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具 有吸附气体的能力。 吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一 种过程。 吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是由范德华力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱； 物理吸附是快速、可逆的。化学吸附是由共价键引起的，气体和固体之间 的结合力很强；化学吸附是缓慢、不可逆的。
。
吸着状态
在与颗粒固 体在分子之间引 力作用下，被吸 着在煤体孔隙的 内表面上。
吸收状 态
瓦斯分子 进入煤体颗粒 结构内部，与 煤体固体分子 相结合。
图例 瓦斯在煤层内存在状态
1 - 游离瓦斯；2 - 吸收瓦斯；3 - 吸着瓦斯
4.2 瓦斯赋存状态
4.2 瓦斯赋存状态
(一)吸附态瓦斯 煤层瓦斯以吸附方式储存于煤层中。 吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%～90%。 煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。
煤对气体的吸附以物理吸附为主体。
4.3 煤层瓦斯吸附特征
瓦斯吸附与解吸
(1)瓦斯由吸附状态转化为游离状态的现象，称为解吸； (2)瓦斯由游离状态转化为吸附状态的现象，称为吸附； (3)吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态； (4)外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平
衡状态；
吸 附瓦
其数学表达式为 V a b P 1 bP
Langmuir方程的另一种表达方式是
V VL P PL P
4.3 煤层瓦斯吸附特征
讨论：
1：吸附剂的内表面积最多有10%被气体分子覆盖时，即 气体平衡压力较低时，Langmuir方程分母中的b·p项与1 相比，可以忽略不计，此时的吸附量与压力成正比。即：