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1、山西煤层气综合开发利用研究目 录一、煤层气的成因及逸散规律11、煤层气的成因12、煤层气藏的条件43、煤层气逸散规律4二、山西省煤层气资源情况81、山西煤层气资源量概况82、煤层气资源的分布特征8三、煤层气（煤矿瓦斯）是一把双刃剑101、温室效应的罪魁祸首102、煤矿安全的最大隐患103、清洁能源的重要组成114、市场前景的巨大潜力12四、山西省主要矿区乏风排放煤层气情况131、晋煤集团142、阳煤集团163、焦煤集团18五.国际国内乏风气利用情况191、国外乏风利用情况192、国内乏风利用情况212.1 胜动集团通风瓦斯氧化技术212.2 告成煤矿通风瓦斯发电项目22六、矿井乏风（VAM）技
2、术开发221、VAM的物理化学性能222、反向流反应器原理243、研究进展25七、山西省煤层气开发利用30山西煤层气资源综合开发利用研究一、煤层气的成因及逸散规律1、煤层气的成因煤层气是赋存在煤层中以甲烷（CH4）为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤层本身自生自储式非常规天然气。它是由植物体埋藏后，在成煤过程中，经过高温、高压、缺氧条件下，部分有机物质发生化学分解而产生的。经过微生物的生物化学作用转化为泥炭（泥炭化作用阶段），泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化（煤化作用阶段），在煤化作用过程中，成煤物质发生了复
3、杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。广义地讲煤层气包括甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢（H2）、二氧化硫（SO2）以及其他碳氢化合物和稀有气体。其成因据化学分析，植物的有机物主要有纤维、淀粉、单糖类。其中纤维、淀粉的化学分子式相同，均为（C6H10O5）X，在高温高压缺氧的条件下发生下列反应：4C6H10O5 7CH4 + 8CO2 + 3H2O + C9H6O (烟煤类)2C6H10O5 5CH4 + 5CO2 + 2C (无烟煤类)隔绝空气细菌C6H10O5 + H2
4、O 3CH4 + 3CO2 (有机物在沼泽地区)因植物组成中还有S、N等杂原子，因而在成煤过程中也会有硫化氢、氮和氨溢出。植物变成煤，经历很长的地质年代。随着变质程度的不同，煤的牌号也不同，煤层气的含量也不一样。煤的变质程度越高，煤层气的含量也越大。而变质程度越低的煤，因煤本身含有大量的官能团，如羟基、羧基、羰基、甲氧基等，因而煤层气含量就少。俄学者克帕捷斯基根据煤的变质过程中有机质氧化转变成二氧化碳和水、氢气以及甲烷，计算确定了瓦斯形成过程。根据他的计算，每生成1吨无烟煤，将放出278m3甲烷和123m3二氧化碳。表1-1为计算结果。表1-1：CO2/ CH4原煤（t）变质作用产物煤（t）水
5、（kg）CO2（m3）CH4（m3）2/1褐煤（1.135）亮褐煤（1）4083（86）12（21）亮褐煤（1.145）气焰煤（1）4366（36）36（55）长焰煤（1.2）贫煤（1）8.269（38）69（105）5/10长焰煤（1.3）贫煤（1）1.0170（94）120（181）贫煤（1.08）无烟煤（1）8.162（34）67（97）俄学者波.莫脱根据3000多个试样的分析资料，编制了在成煤过程中发生的煤质结构变化和化学反应（表1-2），并查明了化学反应可能产生的产物和煤化作用过程中的重量损失。他用实验方法证明了在成煤过程中，1吨木质转化成无烟煤阶段能产生324m3甲烷。在未计木质转
6、化成褐煤的过程中放出甲烷的情况下，形成1吨无烟煤将产生272m3的甲烷。此结果正与克.帕捷斯基的数据吻合。表1-2：变质阶段含碳量%反应产物以木质初始数量为100%的剩余量含碳量增加1%时损失的重量%形成瓦斯的数量（m3/t）CH4CO2木质-泥煤-褐煤50-6564H2O + 8CH4 + CO 73.51.7738.24.2褐煤-弱煤化作用65.79CO253.41.93-46.7弱煤化作用的烟煤中等程度煤化作用的烟煤79.851.42H2O+0.43CH4+ CO2 47.41.5913.534.5中等煤化作用的煤85.885H2O + 3CH4 + CO2 45.11.6314.42.
7、9半无烟煤88.921.45H2O + 5.8CH4+ CO241.31.9373.512.2半无烟煤-无烟煤92.6536CH4 + H2O 37.23.66145.50原苏克.依.巴托里采夫等三人计算了各种煤成煤过程中所生的甲烷量（表1-3）。表1-3：煤 的 牌 号形成煤（百亿吨）时所生成的CH4量（百亿m3）褐 煤38长焰煤、气煤80肥煤、焦煤、瘦煤140贫煤、无烟煤200原苏符.依.叶尔马柯夫根据苏联煤田1800米深处煤的储量来计算，就有15万亿m3甲烷（表1-4 ）。表1-4：煤变质程度煤的储量（百亿m3）形成煤（百亿吨）时所放出的CH4量（百亿m3）生成的CH4总量（百亿m3）无
8、烟煤0.54480226瘦煤0.54333180粘结性瘦煤0.65287186焦煤0.65270170肥煤0.65230150气煤0.82212175长焰煤1.80150270褐煤3.0682052、煤层气藏的条件煤层气藏是在压力封闭作用下,吸附煤层气达到相当数量的煤岩体或煤层,是煤层气聚集和煤层气勘探开发的基本地质单元。煤层气藏的成藏要素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。煤层条件是煤层气藏形成的物质基础,压力封闭是煤层气藏的必要条件，保存条件是煤层气藏从形成到现今能够存在的前提。煤层气与煤是同体共生、共存的伴生矿藏，仅是赋存状态不同。含煤盆地不一定是煤层气盆地,现今保存的含煤盆地不一定都
9、赋存有可供开采的煤层气,只有能够形成煤层气藏的含煤盆地才能称其为煤层气盆地,才含有煤层气。煤层需要具有较高的含气量、较好的渗滤性能和完善的封盖条件,才能形成煤层气藏。煤层含气量及煤层气可采性是决定煤层气能否成藏的重要条件。控制煤层气含量的主要地质因素有：煤变质程度,埋藏深度,煤层顶、底板岩性,以及断裂构造情况等,其中煤变质程度起着根本性作用。煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。煤岩变质分为3种类型,一是深成变质,二是岩浆热变质,三是构造应力变质。只有变质适度的煤岩层才能形成煤层气藏。从泥炭到褐煤，每吨煤产生68 m3煤层气；从泥炭到肥煤，每吨煤产生130
10、m3煤层气；从泥炭到无烟煤每吨煤产生400 m3煤层气。控制煤层气可采性的主要地质因素有：煤层渗透率、相对渗透率、煤等温吸附特征、地层压力及煤的含气饱和程度,其中煤层渗透率是最主要的影响因素。90%的煤层气资源储藏在早中侏罗纪、石炭纪和二叠纪的煤层中。其中中侏罗纪煤层厚度大，并分布稳定，煤质、煤阶和渗透率最适合于煤层气的生成、储存和开发，地质条件较为有利。3、煤层气逸散规律由于甲烷的迁移和散发过程，导致许多煤不含甲烷。煤层气作为一种天然气形成后，在地质历史条件中由于扩散作用，使其中的甲烷逸出而到达地表。据有关计算，在1亿年内，甲烷分子穿过地层的扩散距离为8-1500m。这种作用虽然缓慢，但却一
11、直在自发的进行着。在漫长的地质年代中，煤层中甲烷不断向大气中逸散，造成煤层甲烷垂向分带性。瓦斯的主要成因随煤层气沉降深度而变化，形成了四个瓦斯带。氮二氧化碳瓦斯带、氮气瓦斯带、氮甲烷瓦斯带和甲烷瓦斯带。上层瓦斯带内有两种主要成分：二氧化碳气和氮气，它们的含量为2080%。除了上述两种成分外，还有轻质和重质稀有气体。重质气体的总含量不超过1.5%，轻质气体的总含量小于0.001%。在少数气体试样内发现甲烷含量一般不超过10%。在氮二氧化碳瓦斯带范围内，其成分随深度的变化是二氧化碳气体绝对含量或均匀减少，或开始增长而后减少。氮气的百分含量，同重质稀有气体一样，随着深度加深而增加。几乎每个煤矿床内均
12、确定有氮二氧化碳瓦斯带，它与地质结构、煤的变质阶段和区域的瓦斯含量无关。煤层内二氧化碳煤层内二氧化碳气体的绝对含量随着深度的增加而逐渐减少，而导致氮气成为主要成分，其浓度接近或超过80%，于是氮二氧化碳瓦斯带就转变成氮气瓦斯带。氮气瓦斯带的瓦斯内含有下列成分：氮气为76-99%。二氧化碳（以及甲烷）为0-20%，重质稀有气体为0.6-1.88%。由于二氧化碳的减少并没有得到增长的氮气的补充，所以这个瓦斯带的瓦斯总绝对数量少。在大多数的区域内都发现了氮气瓦斯带，在它的下限煤田区域内不稳定。例如：在顿巴斯西部地区氮气瓦斯带位于60-150m深处。氮气瓦斯带的瓦斯成分变化如下：上部由于减少了二氧化碳
13、气体的绝对含量，氮气的相对含量随深度加深而增加。下部氮气的绝对含量减少。但出现了甲烷，它的含量随深度的增加，由此形成了氮甲烷瓦斯带。氮甲烷瓦斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在20-80%之间，二氧化碳气体含量变化为0-20%，重质稀有气体含量的变化为0.3-0.8%。在有些地区内。只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮甲烷瓦斯带。在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间24-30m。氮气瓦斯带的瓦斯成分变化如下：上部由于减少了二氧化碳气体的绝对含量，氮气的相对含量随深度加深而增加。下部氮气的绝对含量减少，但出现了甲烷，它的含量随深度加深而增加，由此形成了氮甲烷瓦斯带。氮甲烷瓦
14、斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在2080%之间，二氧化碳气体含量的变化为020%，重质稀有气体含量的变化为0.30.8%。在所有地区内，只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮一甲烷瓦斯带。在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间2430m。在氮一甲烷瓦斯带的范围内，瓦斯成分的变化特点如下：氮气的绝对和相对数量随深度加深而减少，甲烷随深度加深而增加，以最终形成甲烷瓦斯带而告终，其中甲烷的含量超过80%，在很深处的所有气体实际上全是甲烷，附带混入为数不多的二氧化碳、氮和稀有气体。在大多数的矿区内，找不到混合组成的瓦斯，即二氧化碳、氮气、甲烷三种主要成分浓度超过2030%，也未发现二氧化碳瓦斯带转向甲烷瓦斯带时组成的瓦斯，发生的所有相互转移过程都是在甲烷含量很少的情况下从二氧化碳气体向氮气瓦斯带，在二氧化碳气体含量很少的情况下从氮气瓦斯带转向甲烷瓦斯带，即不可能同时存在大量的二氧化碳和甲烷（大于1520%）有学者将前三个瓦斯带合并成一个瓦斯风化带。准确地确定这个瓦斯风化带有极重要的意义，因在这个带内，煤矿巷道的甲烷涌出量实际上不超过2m/t,所以通风也就没有多大困难。在这个瓦斯带内也没有记录过煤的突出、煤岩突出和瓦斯突出的情况。只有开采进入沼气带后，巷道瓦斯涌出量才随开采深度增加而增加。瓦斯风化带的下部
