煤层气勘探与开发利用技术第一章

煤层气勘探与开发利用技术亚美大陆煤层气有限公司张留伟13935643216电子邮：[e-mail]公共信箱：[e-mail]密码：555888第一章煤层气的基本特性•1、什么是煤层气？•2、煤层气是怎么形成的？•3、煤层气与矿井瓦斯的区别？•4、是不是所有的煤层中都含有煤层气？•5、为什么要开采利用煤层气？第一节煤层气的基本化学性质•一、煤层气的基本化学组分•1.煤层气的化学成分主要包括CH4、CO2和N2，并含有少量的重烃（乙烷、丙烷、丁烷及戊烷）,H2，CO，SO2，H2S,以及少量的稀有气体。•2.烃气：CH4和重烃统称为烃气。•3.干燥系数：：CH4与烃气之百分比定义为干燥系数（C1/C1—C5）,湿气95%干气。•1.一般情况下，CH4（煤层CH4）在煤层气中的体积在80%以上，以干气占绝对优势。但不同地区，煤层气CH4含量也不尽相同；不同地质条件下，煤层气CH4含量也不尽相同。这些差异源于煤的物质组成、煤化作用程度、煤层气保存条件等地质因素。•2.重烃气含量偏高原因？•1）.煤中某种特殊显微煤岩组分含量偏高，如树皮、腐泥组分等。•2）.煤层有机质生气作用终止于生烃高仿阶段，如肥煤阶段。•3）.不能排除煤层吸附外来烃气的可能性。•3.煤层中CO2含量和浓度极高原因？•针对这一现象，目前，还没有十分的理论依据，只能推断如下：•1)、可能与深部壳源气顺深大断裂导入煤层有关。•2)、深部碳酸岩石岩浆热变气体、含煤层气烧变气体等也可能是构成煤层CO2气体的来源。•二、煤层气组分的化学常数•分子化学常数直接关系到煤层气单组分以及单组分之间的媒储层中的热力行为。•1.煤层气分子量：2.016---44.01•2.煤层气直径：0.32---0.55nm(进入煤中最小空隙的直径)•3.偏心因子：0.008—0.344(椭圆两焦点距离与长轴距离比值)•4.平均自由程53.0---83.9，是气体分子在运动过程中与其他分子两次碰撞所走过的距离，大量分子的自由程的平均值叫平均自由程，与温度成正比，与压强成反比。分子自由程越大，气体扩散能力越弱，扩散能力越大，将优先被煤层解吸。三、煤层甲烷同位素及其组成•1.煤层气同位素组成差异较大。•2.我国煤层甲烷ϭ13C1变化于—78‰---—13‰之间。具有分布范围广，同位素组成偏轻的总体特点。•3.煤级增高，ϭ13C1变重，但二者正相关关系是非线性的，进入无烟煤阶段后，ϭ13C1开始接近或进入腐殖型常规天然气甲烷稳定同位素分布范畴。•4.在同等条件下，新生界古近系和新进系煤层气ϭ13C1显著重于中生界和上古生界煤层气。•1.煤层气埋藏深度增大，煤层气中甲烷含量浓度随之增高，氮气和二氧化碳的浓度随之降低。•2.在煤层气地质勘探中，一般将对应于甲烷浓度80%的深度定义为风化下限；在煤矿安全界，往往也习惯于煤层甲烷含量2m3/t所对应的煤层埋藏深度，定义为煤层气（瓦斯）风化带下限。•3.甲烷和煤层含气量之间的关系受各类地质因素的影响，在不同地点、不同层位变化较大。•四、煤层气化学组成的垂向变化•4.在煤层气风化带内的煤层气资源，通常缺乏开发利用价值，不列入资源计划。•5.确定煤层气风化带深度有三种方法：1）、甲烷浓度—深度法；2）、地质类比法；3）、甲烷浓度—含气量—深度。•6.不同的地质构造、不同的煤层、不同的地表结构，采用不同的方法。•7.煤层气风化带深度受煤层气保存地质条件和煤吸附性两大类地质因素的影响。第二节煤层气基本物理性质•其物理性质包括密度、黏度、临界温度、临界压力、溶解度等。•一、1.煤层气的气味、颜色和毒性物理性质化学组分CH4COCO2H2SSO2H2气味无无略带酸味臭味酸、硫磺味无颜色无无无无无无毒性无有无有有无•2.甲烷的高热值为39.86kj/m3，低热值35.80kj/m3。煤层气在燃烧时，水、氮气、一氧化碳、二氧化碳均发生吸热反应，不产生热量；烷烃气系列、硫化氢等含氢化合物及氢气放出热量。•3.甲烷的爆炸极限为：5.3%---14.0%，这个是体积百分比。二、煤层气的密度和粘性•1、煤层气的密度：标准状态下（一个大气压，0摄氏度）单位体积煤层气的质量。Kg/m3。•2、相对密度：单位体积的煤层气质量与相同状态下同体积空气质量之比。空气密度为1.2928。•3.黏度：流体运动时，其内部质点沿接触面相对运动、产生摩擦力以阻抗流体变形的性质，常用动力黏度系数来表示：单位：泊、厘泊、微泊等单位。•3.1、煤层气黏度是确定其扩散运移特性的重要参数。分子量越大，黏度越小，黏度与温度成正比，与压力成正比。•3.2、煤层气黏度等于各气体组分黏度与其混合物中分子含量之积的和：•Ƞ平均=∑Ƞixi•Ƞ平均=煤层气黏度•Ƞi多元气体中i组分的黏度•Xi组分的分子浓度。三、煤层气组分的临界温度及压力•1、指气相纯物质维持液相的最高温度，就是临界温度，也称绝对沸点，高于临界温度，气体不能用简单升高压力的办法使之转化为液体。•2、在临界温度时，气体凝析所需要的压力称之为临界压力。四、煤层气的溶解度•1、将在20摄氏度，1个大气压下单位体积液体中溶解气体体积的定义为溶解度。•2、溶解度受压强，温度影响而不同。•3、水的矿化度对煤层气溶解度的影响：•lgS1=lgS-An•S1---气体在矿区水中的溶解度，m3/m3.•S----气体在淡水中的溶解度，m3/m3.•a----取决于气体化学组分的系数。•N----矿化度，kg分子/m3.第三节煤层气的类型•一、煤层气按赋存状态分类•煤层气分类的依据是赋存状态、物资来源、演化阶段、化学成分等•1、目前煤层中呈三种状态赋存，即游离态、吸附态、水溶态，相应的将煤层气分为游离气、吸附气和水溶气。•2、在一般情况下，煤层气一般以吸附态为主。在一定的温度、压力、水介质条件下，三种状态的煤层气处于动态平衡体系中。•3、在这个体系中，任何一个条件的变化，都会导致整个体系的不平衡，知道从新回到平衡为止。•二、煤层气按物质来源分类•1、煤层气按照物质来源可分为有机气和无机气，一般煤层气以有机气为主，成气来源以高等生物源为主。•2、无机气可能来源于深部壳源气，也可能为深部盐酸岩岩浆热变气体，还可能是含煤地层烧变气体。•3、国内学者通过碳同位素的研究提出了煤层气可能来自深部地壳或上地幔，甲烷气体是通过上地幔脱气作用或中地壳的费托合成而生成的，而不是来自煤及其他煤系地层。•三、煤层气按演化阶段和化学作用分类•1、泥炭/腐泥自形成后，经历了埋藏泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤、石墨一系列从低级向高级形式的演化过程，称为煤化作用过程。沉淀的有机质又经历了生物化学作用和物理化学作用。•2、沉淀有机质化学结构发生两极反应，侧链和小分子化合物脱落而形成煤层气，芳香稠环大分子化合物缩聚而进一步固化为残余的含碳化合物。•3、煤的生气作用包括生物成因和热成因两个基本过程，产物分别为生物成因和热成因两个基本过程，产物分别被称为生物成因气和热成因气。•4、生物成因气：沉积有机质微生物降解作用的产物，一般发生在地层温度较低58度的条件下，以甲烷为主，并含有少量其他成分的干气。•5、生物成因气有两种机制，其一、二氧化碳的还原作用生成甲烷；其二、醋酸、甲醇、甲胺等经发酵作用转化成甲烷。•热成因气：在温度高于50度和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化学变化，煤中大量富含氢和氧的挥发分物质主要以甲烷、二氧化碳和水的形式释放出来的。在较高温度下，有机酸的脱羧基作用生成甲烷和二氧化碳。•1、煤层埋藏越深，地层温度升高，煤中的有机质不断脱氧、脱氢、富碳而生成煤层气。四、煤层气按化学组分分类•1、煤层气以甲烷为主，是一种含多元组分的混合气体。•2、以干燥系数95%为界，干气95%湿气。•3、以含硫化氢7%，2%，0.5%为界，将煤层气分为硫化氢型气、高硫化氢型气、低硫化氢型气、微硫化氢型气和无硫化氢型气。第四节煤层气生成阶段性及其机理•1、第一次跃变发生在长焰煤后期阶段，镜质反射率在0.6%左右。•2、第二次跃变发生在焦煤初期阶段，镜质反射率在1.3%左右。•3、第三次跃变发生在贫煤和无烟煤的分界线附近，镜质反射率在2.5%左右。•4、第四次跃变发生在无烟煤阶段末期，镜质反射率在3.7%左右。