煤层气的成分及其成因及成藏条件综述

张辉

摘 要：煤层气是储集在煤层及其临近岩层中的一种自生自储式非常规天然气资源。它的组成以甲烷为主，这类资源的成因类型具有生物成因和热成因两类。煤层气具有附生性、不均性和稀缺性等特点，它主要受控于煤层厚度、煤变质程度、封盖条件、水文地质条件和煤层埋藏深度。

关键词：煤层气 成因 形成条件 组成

中图分类号：P61 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0066-01

煤层气也称煤层瓦斯，它是储集在煤层及其临近岩层中的一种气体矿产资源。研究表明]，煤层气的成分以甲烷为主，这类矿产是煤化作用过程中的特殊产物并主要以吸附态的形式赋存于煤层之中。作为一种自生自储式非常规天然气资源，煤层气既属于一种新型的洁净能源，又属于我国21世纪的重要替代能源之一。随着科技的进步和研究的深入，煤层气已被广泛用作发电、汽车燃料、制甲醇及碳黑等，其组成、成因及储存条件等也因此越来越受到人们的广泛关注。鉴于此，该文对前人研究成果进行了整理，总结出了煤层气的组成、成因及气藏形成条件。

1 成分及特性

煤层气是一种混合气体并主要包括CH4、C2H6、N2、CO2及微量的CO和Ar。煤层气的组分及含量与常规天然气基本一致，其中：甲烷的含量一般为85%～93%，重烃（如C2H6等）含量多介于1.0%～14.1%，氮气含量变化范围大且通常低于10%，CO2含量多低于2%。据报道，煤层气的热值为35800 kJ/m3，由于重烃含量较少，因而煤层气的热值略低于常规天然气（天然气发热量为37680 kJ/m3）。作为一种特殊的矿产资源类型，煤层气主要具有如下一些特性：

（1）附生性。煤层气以煤（碳）层为载体而共生并随煤炭的开采而散失。

（2）不均性。煤层气的质和量以及煤储层的特征具有空间分布差异。

（3）稀缺性。作为能源和化工原料供人类使用的煤层气会逐渐消耗殆尽。

2 成因类型

从泥炭到煤的形成过程中均存在气体的产生。研究表明，煤层气的成因类型大致可划分为生物成因和热成因两类：前者主要形成于煤化作用的未成熟期，而后者则主要形成于煤化作用的成熟期和过成熟期。

2.1 生物成因

生物成因气主要为甲烷，它是各种微生物的一系列复杂作用过程导致有机质发生降解作用而形成的，具体包括：

（1）原生生物气。这对应了煤化作用早期，形成过程需要低温（T<50 ℃）、埋藏浅（小于400 m）和细菌作用等条件。微生物分解有机质形成以CH4为主要成分的生物生成气，原生物形成气体具有CO2还原和甲基类发酵两种方式，其主要条件是低温、缺氧、低硫酸盐浓度、有机质丰富、高pH值及足够的空间。

（2）次生生物气。当地壳运动导致煤层抬升，活跃的地下水系统和大气淡水构成了有利于微生物活动的环境。在偏低温条件下，微生物的降解和代谢导致煤层中形成了湿气、甲烷及其它有机物进而生成次生物成因气（如CO2和CH4）。次生生物气生成和储存需要复杂的条件，这包括区域隆起或抬升、煤层埋藏并煤化到褐煤或较高煤级、盆地边缘有流水回灌到煤层中、适宜的渗透性、有高储层压力、有细菌进入煤层和圈闭条件。

2.2 热成因

随着煤变质程度的不断加深，当煤化进入长焰煤阶段就开始了热生气阶段。煤化作用导致二氧化碳和水不断的消耗及煤层气的增加，这持续到无烟煤Ⅱ、Ⅲ号阶段结束。详细的气体生成阶段可大致划分如下：

（1）热降解气，这主要发生在煤化作用的“长焰煤→瘦煤”阶段。这些化学反应主要发生于低于250℃的热力作用下，该过程形成大量的烃类物质且以“生气为主、生油为辅”。气体以甲烷为主且重烃含量逐渐增加。

（2）热裂解气，这主要发生在煤化作用的“瘦煤→无烟煤初期”阶段。在大于 250 ℃的高温条件下，残余的干酪根、液态烃和重烃会发生裂解生气。气体仍旧以甲烷为主且重烃的含气量较低。

3 气藏形成条件

煤层气藏是指在地层压力作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体。前人研究显示，煤层气藏具有水压单斜型、水压向斜型、气压向斜型、断块型、背斜型、地层-岩性型、岩体刺窜型和复合型8种类型，其形成条件主要包括：

（1）煤层厚度。具有一定厚度的煤层构成了煤层气藏的形成基础，故煤层越厚越有利于形成煤层气藏。

（2）煤变质程度。煤的变质程度决定了煤层的生气量和储气能力。变质程度太低的煤不利于形成煤层气藏，变质程度太高则导致煤层储气能力消失而不会形成煤层气藏。

（3）封盖条件。煤层气藏的气体为吸附态并且具有较低的气藏压力。这对盖层的要求虽然不如天然气藏那样苛刻，但良好的封盖条件还是需要的。

（4）水文地质条件。封闭水动力系统下受阻形成的高压是煤层气藏形成的重要条件。

（5）煤层埋藏深度。煤层对甲烷的吸附能力会因压力的增加而增高，这种压力主要来源于煤层的埋藏深度（即深度越大则压力越大）。

4 结语

煤层气是煤化作用过程中的特殊产物并主要以吸附态赋存于煤层之中，它主要包括CH4、C2H6、N2、CO2。作为一种资源，煤层气具有附生性、不均性和稀缺性等特点。在成因上，煤层气大致可划分为生物成因和热成因两类，它们分别形成于煤化作用的未成熟期和煤化作用的成熟-过成熟期。尽管煤层气藏具有水压单斜型、水压向斜型、气压向斜型、断块型、背斜型、地层-岩性型、岩体刺窜型和复合型8种类型，但是它们均主要受控于煤层厚度、煤变质程度、封盖条件、水文地质条件和煤层埋藏深度。

参考文献

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