煤层气
煤层气（Coal bed 甲烷）也称煤层甲，在煤矿生产中又称瓦斯，是一种组成成分为烃类气体的清洁能源，煤层气大部分被煤吸附在煤的孔隙中，只有小部分煤层气溶解在水中或者游离在煤的裂隙中，煤层气中主要的烃类气体是甲烷（CH₄），甲烷是六种主要温室气体之一，甲烷的温室效应是二氧化碳（CO₂）的21倍，煤层气的安全性比水煤气高，煤层气的爆炸范围为5%~15%，水煤气的爆炸范围为6.2%~74.4%，煤层气比空气轻，密度是空气的0.55倍，泄漏后会向上扩散，保持室内空气流通，就能避免爆炸或者火灾，水煤气含有一氧化碳（CO），使用不慎就会发生中毒现象，煤层气主要用于民用和工业燃料、汽车燃料、生产碳黑、发电等。
理化性质
化学组成
在不同的地质条件下生成的煤层气化学组成有较大差异，煤层气中甲烷的体积百分比一般在 80%以上，除了甲烷，煤层气中还有二氧化碳、氮气、少量的重烃气、氢气、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、微量的稀有气体。一般情况下，煤层埋藏深度增大，煤层气中甲烷的浓度随之增高，氮气和二氧化碳的浓度随之降低。
煤层气同位素组成
不同地区的煤层气同位素组成差异较大。煤层甲烷 δ¹³C₁值相对较广，在-80‰~-16.8‰之间，乙烷 的δ¹³C₁值范围为一3.29‰～-2.28‰;甲烷的δD值在-33.3‰~-11.7‰，之间，二氧化碳δ¹³C₁范围为2.66‰~18.6‰。取出的煤样本解吸后获得的煤层气中甲烷的δ¹³C₁值会比开采出的煤层气或煤裂隙中游离的煤层气中的甲烷δ¹³C值₁要高出几个千分点，原因在于解吸作用过程中发生了同位素分馏作用，使得¹³C₁，优先被解吸出。煤层甲烷δ¹³C₁变化于-78‰~-13‰之间，同位素组成总体上偏轻。
物理性质
煤层气的物理性质与煤层气的组成成分有关，不同的气体组成的煤层气物理性质不同，但是总体有以下几点：
分子大小
煤层气组成气体的分子的大小在 0.32～0.55nm之间。
密度
在地下的煤层气密度随着地层压力的增加而增大，随着温度的升高而减小，组成气体的分子量越大煤层气的密度也越大。煤层气的密度单位为kg/立方米，标准状态下（1atm，温度 15.55℃）煤层气的密度为0.716kg/m³，煤层气的相对密度为通常为 0.554。
黏度
煤层气的黏度很小，主要成分甲烷在地表（常压，20℃）时的的动力黏度系数为 1.08×10⁻⁵MPa·s。正常压力下，煤层气的黏度随温度的升高而变大，温度升高则分子运动速度加快，气体分子碰撞次数增加，黏度也就变大。煤层气的黏度随组成成分的分子量的增大而减小，压力较高时，煤层气的黏度随温度的升高而减小，随组成成分的分子量的增大而增大。
溶解度
20℃、1atm时单位体积的水中所能溶解的最大气体体积称为该气体的溶解度。煤层气中各组成气体对水的溶解度各不相同，不同的气体组成的煤层气在煤储层的地下水的溶解度也就不同；煤层气的溶解度随温度的变化情况分两段，80℃以下，溶解度随温度升高降低，80℃以上，溶解度随温度升高而增大。煤层气主要成分甲烷在溶解度随压力的增大而增大，低压时与压力呈线性关系，高压时（\u003e10MPa）则与压力呈曲线关系。
其他性质
煤层中常含有少量的芳香族碳氢气体，因而煤层气时常会带有一些苹果香味，煤层气的主要气体成分甲烷是无色、无味、无臭、无毒的气体。标准状态（0.101325MPa、0℃）时甲烷的分子量为16.043，甲烷的分子大小约为 0.33-0.42nm、密度为 0.677kg/立方米、相对密度为0.554、爆炸范围为5.3%~16.0%、动力黏度为1.084×10-Pa·s、临界温度为-82.57℃、临界压力为 4.604MPa、热值约为 37.62 kJ/m³。
煤层气与常规天然气的异同点
煤层气是非常规天然气，与石油天然气藏中的气藏气、油层的气顶气、石油中的溶解气等常规的天然气不同，与石油天然气层中游离在岩层孔隙中的天然气不同，煤层气被吸附在煤层的孔隙表面上。
相同点
煤层气主要组成气体是甲烷，其余的气体通常是CO₂或N₂等，而天然气的组成气体也主要是甲烷，但是其余的组成气体变化较大。煤层气每立方米的发热量为31.4～34.4MJ（7 536~8 200 kcal），与常规天然气相当，可以与常规天然气混输、混用，也可与常规天然气一样用作的燃料和化工原料。
不同点
煤层气主要是吸附在于煤层中，而天然气主要是游离在于砂岩或灰岩中。煤层气产出时不含无机化合物杂质，天然气产出时会含有无机杂质。煤层气的开发的钻井、采气、增产等技术与常规天然气开发不同，煤层气是在煤层中解吸——扩散——流动然后采出地面；而天然气是靠自身所受的压力产出。煤层气初期产量低，生产周期长；天然气初期产量高，生产周期相对煤层气较短。煤层气的开采伴随着采煤活动，煤层气的资源量直接与采煤相关，采煤前先采气，两者密不可分，而天然气资源量受其他采矿活动影响较小。
煤层气的生成
煤层气是一种有机天然气，在长期的成煤过程中，成煤物质在生物作用和热作用下，发生一系列的生物降解反应和物理化学反应而生成的以CH₃为主的气体。现今保留在煤层中的气体是经过运移和聚集的各种成因类别气体混合的产物，其成分和同位素组成既不同于常规油气，也不同于煤成气。
原生生物成因气
原生生物成因气的形成过程包括一系列复杂的生物化学作用，这个过程的实质是通过微生物的作用，使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵变为可溶有机质，可溶有机质在产酸菌和产氢菌的作用下变为挥发性有机酸、H₂ 和CO₂ ，H₂ 和CO₂ 在甲烷菌作用下最终生成CH₃，因此原生生物成因气实质上是微生物生成气，所以又称细菌气。
次生生物成因气
次生生物成因气与盆地水动力学有关，是煤系地层被后期构造作用抬升并剥蚀到近地表后大气降水带入的细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气转变成甲烷和二氧化碳，生成次生生物煤层气。次生生物气的地球化学组成与原生生物气相似，主要差别在于煤源岩的 R°值为0.30%~1.50%，热演化超过了原生生物气的形成阶段。生物成因气以甲烷为主，一般甲烷含量大于 98%，重烃含量多小于 1%。
热成因气
在煤化作用过程中，热成因气体的生成一般在两种作用下产生：热降解作用和热裂解作用。
1、热降解作用。随煤层埋藏深度的增加和温度的上升，当埋藏深度达到 1500~4000m、温度在 60～180℃之间时，有机质在热力作用下各种键相继打开，特别是不稳定的官能团以及羟基、甲氧基、富氢的烷基侧链断裂，有机质不断脱氧、贫氢、富碳，导致煤中的O/C和H/C原子比下降,同时释放出甲烷、二氧化碳等气体。
2、热裂解作用。随煤层埋藏深度的继续增加和温度的上升，当埋藏深度大于 4000m、温度超过 180℃时，有机质裂解成较稳定的低分子碳氢化合物，部分尚未裂解的有机质直接裂解生成烃类气体。热降解作用形成的液态烃和重烃也发生裂解和重新组合,形成更为稳定的甲烷。
与生物成因气相比,热成因气有如下特征:重烃一般出现在高、中挥发分烟煤及变质程度更高的煤中;热成因气的δ¹³C₁较重,并且变质程度越高所产生的煤层气δ¹³C₁越重。
煤层气的分布
根据国际能源机构（IEA）的统计，世界的煤层气资源量预计达到113.5 万亿~273.6万亿立方米。其中煤层气资源最丰富的国家是俄罗斯（17万亿~113万亿立方米）、美国（21.2万亿立方米）、中国（36.8 万亿立方米）、加拿大（17.9 万亿~76 万亿立方米）、澳大利亚（8万亿~14万亿立方米），其次是德国、波兰、英国、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、南非，上述12国占世界煤层气资源量的90%。中国煤层气资源量36.8 万亿立方米，主要分布在山西沁水。此外，鄂尔多斯市、准噶尔汗国、滇东、黔西市、二连、哈密市和海拉尔区盆地也有煤层气资源分布。
煤层气的开采
煤层气资源开发利用中最常见的两种方式为井下抽采和地面钻井开采。
井下抽采
井下抽采煤层气是利用采煤过程中产生的采动卸压作用使卸压煤层透气性增加，将煤层气从煤层中开采出来的一种安全高效的开采方法。井下抽采技术的特点在于，抽采钻孔的施工、抽采管道的布置及抽采泵站的设置均在井下采煤的过程中完成。在很多情况下，采用井下抽采技术难以在保证抽采效果的同时保证煤炭开采的效率。
地面钻井开采
地面钻井开采煤层气利用垂直井或定向井技术来开采原始储层中的煤层气资源，地面抽采煤层气浓度一般较高，主要用于管道运输商业及民用。地面钻采煤层气的机理是：当储层压力降低到临界解吸压力以下时，甲烷气体从煤基质微孔隙内表面解吸出来；由于瓦斯浓度差异而发生扩散到煤的裂隙系统，最后以气流形式流到井筒。地面钻采煤层气能否成功的根本在于煤层气是否能降压解吸。开采工艺流程如图：
与井下抽采相比，地面钻井开采煤层气可以增强煤层气的利用效率，降低煤层中煤层气的含量，减少煤层气在采煤作业中向大气的排放量，有利于环境保护。因此，煤层气煤层气比井下抽采具有更好的经济和环境效益。
煤层气测定方法
国际上采用的煤层含气量测定方法是美国矿业局(USBM）直接法。中国根据具体情况对此进行调整,于1984年发布行业标准《煤层瓦斯含量和成分测定方法》(MT 77-84），并于1994修订为《煤层气测定方法(解吸法）》(MT 77-94）；2004 年，中国发布新的国家标准《煤层气含量测定方法》(GB/T19559—2004）。
USBM 直接法
采用 USBM 直接法，煤层含气量由三阶段实测气量构成，即逸散气量、解吸气量和残留气量。逸散气量是从钻头抵达煤层到取出煤样装入解吸罐之前自然析出的煤层气量，通常依据前两小时解吸资料推测。解吸气量是解吸罐中含气煤样在常压和煤样取出前的对应煤层温度下，煤层气自然解除在煤空隙表面的吸附状态逸出的煤层气量，解吸过程维持一周。残留气量是上一阶段解吸完成后残留在煤样中的煤层气量，在解吸结束后在煤样罐中加入钢球，密封，球磨2 h，然后按上一阶段程序测定残留气量。
USBM 直接法多用于计算煤层取心的逸散气量，实际操作中，逸散时间越短，估算结果越准确，当逸散气量小于含气量的20%时，结果比较可靠。
MT 77-94 解吸法
采用这种方法，煤层含气量由损失气量、现场2h解吸量、真空加热脱气量、粉碎脱气量四部分构成。要求现场将提至井口的煤芯或煤屑立即装罐密封，从样品罐密封起开始计时测量。解吸气量测定及求取过程中需要进行精确的时间记录，包括：开始钻遇煤层时间，心开始取煤芯时间、开始起钻时间、煤芯提至井深一半时间、煤芯提出井口时间、完成煤芯封罐时间、开始解吸时间。煤芯从提出井口到完成煤芯封罐的时间要小于15 min,密封时间与解吸时间间隔小于2 min,现场解吸2h后,停止解吸。解吸完毕后，损失气量由公式计算得出，现场2h解吸量、真空加热脱气量、粉碎脱气量直接测量得出。
MT 77—94 解吸法的损失气量与 USBM 直接法的逸散气量相当，而MT 77—94 解吸法现场2h解吸气量只是USBM法解吸气量的一部分，MT 77—94 解吸法没有考虑到不同温度条件下煤层气解吸速度不同，导致由现场2h解吸气量推算的损失气量也存在差别。
GB/T19559—2004 解吸法
GB/T19559—2004 解吸法的煤层含气量由损失气量、自然解吸气量和残余气量 三部分组成。损失气量为在钻头遇煤层到煤样装罐之前煤层气的逸散部分，自然解吸气为在解吸罐中恒温条件下从煤样自然释放出来的部分，残余气是在自然解吸结束后在实验室对煤样破碎加热后获得的那部分煤层气，残余气与自然解吸气测量后，由公式计算得出损失气量、自然解吸气量和残余气量。
GB/T19559—2004 解吸法是中原地区为了与国际接轨而发布的，与USBM 直接法实质上相同。
应用领域
民用和工业燃料
煤层气以甲烷为主要可燃成分，是良好的民用燃料。浓度为40%的煤层气的低热值达到14.65MJ/立方米。井下抽放煤层气(30%~50%）作为矿区和附近地区居民日用燃料，不需要加压输送和提纯浓缩。地面抽采煤层气浓度95%以上，完全可以与天然气混输。工业用煤层气作燃料主要是烧锅炉。煤层气还可以代替煤炭天然气和重油作为工业窑炉燃料。
发动机燃料
煤层气生产的压缩天然气可用作汽车燃料。煤层气的主要成分甲烷经过富集后浓度可增加到95%，同时富集后的生产的天然气中乙烷以上的多碳烃类含量很小，压缩后用于汽车燃料具有低成本、高效、洁净等特点。而使用压缩天然气的汽车能量效率可等于甚至大于使用汽油或其他代用燃料的汽车。
化工原料
生产炭黑
炭黑是由煤层气在高温下燃烧和热分解产生，常用作橡胶、涂料等的添加剂。在浓度为40%到90%范围内的煤层气，都可以用来制造炭黑。随着煤层气浓度的增加，炭黑的产率和质量也会增加。一立方米纯煤层气可以生产0.12~0.15公斤的炭黑。
合成化工产品
煤层气制取的甲醛可用于制造树脂、纤维、医药等产品。在用煤层气制取甲醛时，可采用一步法或二步法。一步法是直接将煤层气氧化成甲醛，而二步法则是先将煤层气转化成甲醇，再将甲醇氧化成甲醛。甲醛是甲烷氧化的中间产物且不稳定，超过反应时间（0.15秒）就会生成CO和CO₂，反应条件的控制是关键。
制氢
煤层气中的甲烷是一种优良的制氢原料，可以利用煤层气中的氧与甲烷的燃烧反应热，使甲烷与蒸汽发生转化反应，得到含氢、一氧化碳、二氧化碳和氮的混合气。然后通过变压吸附法除去所有杂质，得到氢气。氢气是一种重要的工业气体，在石油化工、化工、冶金、电子、食品、机械、轻工、能源等行业得到广泛应用。在石油化工中，氢气被用于加氢、煤直接液化制油、氢燃料电池等领域。制氢的主要原料包括天然气、煤、轻油以及各种含氢混合气，也可以通过水电解来制备。
发电
煤层气发电可以有效地将采出的煤层气转化为电能并方便地输送到各地。使用煤层气发电可选择不同的发电设备，燃气轮、内燃机、混合燃烧锅炉，不同的煤层气发电设备可以利用不同浓度的煤层气。井下抽放的煤层气可以直接作为发电厂的燃料，无需提纯或浓缩。煤层气发电可以采用直接燃用煤层气的往复式发动机、燃气轮机，也可以使用煤层气作为锅炉燃料，利用蒸汽透平发电。最新的发展趋势是建立联合循环系统，有效地利用发电废热。
安全事宜
煤层气通常可以通过气味和颜色来大致辨别其组分，如硫化氢有臭味，二氧化硫有硫磺味。一些微量气体，如一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等具有不同程度的毒性，需要引起注意。此外，煤层气中常含有微量的芳香族碳氢化合物气体，其特征是伴随着苹果的香味。煤层气以一定体积浓度与空气混合时具有爆炸性，可能会发生燃烧或爆炸。甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、一氧化碳、硫化氢和氢气都有各自的爆炸极限，甲烷的爆炸极限是5.3%~14.0%，乙烷为3.0%～16.0%，丙烷为2.1%～9.5%，丁烷为19.0%～84.0%，一氧化碳为 12.5%～74.2%，硫化氢为4%～44%，氢气为4%～74.2%。煤层气主要成分甲烷虽无毒，但空气中含量较大时，可使人头痛、心跳加速、呕吐，丧失行动能力。当甲烷浓度超过 40%，氧含量下降到 12% 以下时，使人严重缺氧而窒息死亡。煤层气中的二氧化碳无色、无嗅、比空气重，会停积在巷道下部，不助燃，但大量二氧化碳可使人窒息。