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第二章 煤层气的物质组成、性质和利用
煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体（附录一），其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。煤层气与煤型气、瓦斯在词义上有明显差别。
煤型气是指煤系地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内，其成分大多以甲烷为主，也可能以氮气、二氧化碳或重烃等为主。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气。
瓦斯是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。
第一节 煤层气的形成
植物体埋藏后，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。
煤化作用要经历两个过程，通过两个过程，即生物成因过程和热成因过程，生成的气体分别称为生物成因气和热成因气（表2-1）。
表2-1 生物成因和热成因煤层气产生的阶段（据Scott，1994） 煤层气产生阶段 原生生物成因甲烷 早期热成因 最大量的湿气生成 强热成因甲烷开始产生 凝析油开始裂解成甲烷 最大量的热成因甲烷生成 大量湿气生成的最后阶段 大量热成因甲烷生成的最后阶段 次生生物成因甲烷 镜质组反射率（%） <0.30 0.50~0.80 0.60~0.80 0.80~1.00 1.00~1.35 1.20~2.00 1.80 3.00 0.30~1.50
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一、 生物成因气
生物成因气是有机质在微生物降解作用下的产物。指在相对低的温度（一般小于50℃）条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其它成分的气体。生物成因气的生成有两种机制：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（Law，1993）。尽管两种作用都在近地表环境中进行，但根据组分研究，大部分古代聚集的生物气可能来自二氧化碳的还原作用。煤层中生成大量生物成因气的有利条件是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温和高pH值的缺氧环境（Law，1993）。按照生气时间、母质以及地质条件的不同。生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型，两者在成因上无本质差别。
1、原生生物成因气
原生生物成因气是在煤化作用阶段早期，泥炭沼泽环境中的低变质煤（泥炭~褐煤）经微生物作用使有机质发生一系列复杂过程所生成的气体，又称之为早期生物成因甲烷。由泥炭至褐煤阶段可生成原生生物甲烷气量约为38m3/t（Κрαвдов ，1983）。该类气体的生成量约占200℃以下煤层气总生成量的10％（Rightmire，1984）。由于原生生物气常常形成于地表或地下浅处，因而生成的气体极易扩散到大气中，或溶解于水体中，且泥炭或低变质煤对气体的吸附作用也弱，仅有少量气体聚集在煤层内。
对于原生生物成因气和热成因气的形成阶段，不同学者的划分方案不尽相同，Scott等（1994）以Ro<0.3%为原生生物气的界限值，而热成因气开始生成的Ro值为0.5%（表2-1）；Palmer等则将（原生）生物气和热（成因）解气的Ro临界值定为0.5%（秦勇等译，1996）。Rice（1994）则认为热成因气的形成始于0.6%左右。之所以出现这种差异，是因为传统的天然气成因理论认为，生物气一般形成于Ro值为0.3%以前，而热解气则形成于Ro值在0.6%~0.7%之后，即生气母质在Ro值0.3%~0.6%的热演化阶段不生气（表2-1即是这种观点的体现）。但近若干年来的研究表明，生气母质在Ro值为0.3%~0.6%阶段仍然生气，且可形成相当规模的气田（目前出现的多为煤型气田），这一阶段所生成的气体称为生物热催化过渡带气（徐永昌，1994）。即有机质生气是一个连续的过程，煤层气也应如此。 2、次生生物成因气
煤系地层在后期被构造作用抬升并剥蚀到近地表，细菌通过流动水（多为雨水）可运移到煤层含水层中，在低、中煤级煤中当温度、盐度等环境条件又适宜微生物生存时，在相对低的温度下（一般小于56℃），细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气、正烷烃和其它有机化合物转变成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成因气。
次生生物气的形成时间一般较晚（几万至几百万年前），煤层中存留的生物成因气大部分属于次生生物成因气。次生生物成因气的生成和保存需以下条件：煤级为褐煤~焦煤，煤层所在区域发生过隆起（抬升）作用；煤层有适宜的渗透性；沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中；有细菌运移到煤层中；煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件（Law，1993，Scott，1994）。
二、 热成因气
热成因气是在温度（>50℃）和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化学变化，煤
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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。在较高温度下,有机酸的脱羧基作用也可以生成甲烷和二氧化碳（Ayers，1994）。
随着褐煤层埋藏深度的增加，温度的上升，煤的变质程度不断提高，生成了大量的甲烷和其他气体。这一变质过程导致了有机质不断脱氧、脱氢、富碳。生成的气体类型取决于煤的变质程度（图2-1）。Messner（1984）认为：当R0,max大于0.73％（R0,max为镜质组最大反射率）、可燃基挥发份含量大于37.8％时，热成因煤层气开始大量生成。Law（1985）则认为热成因煤层气开始大量生成时的温度为88~93℃，Ro,max=0.80％；Rightmire（1984）认为：当R0,max为0.60％，挥发份为40.24％，即相当于高挥发份烟煤C时（相当于我国的褐煤~长焰煤阶段），热成因煤层气开始生成，其生成高峰在150℃左右，相当于中挥发份烟煤、低挥发份烟煤、半无烟煤（相当于我国的焦煤~贫煤阶段）。因此，张新民（1991）等参考天然气的成因分类，以Ro,max=1.90％为界，划分0.50％
图2-1 煤化作用阶段及气体生成（据Stach，1982）
据Hunt等（1979）研究：在煤化学作用早期（＜120℃＝，生成的气体以二氧化碳为主，在高挥发份烟煤与中挥发份烟煤分界处（相当于我国的肥煤阶段）所生成的二氧化碳是甲烷的两倍多。在该点之后，甲烷气的生成量迅速增加，产气高峰在中挥发份烟煤与低挥发份烟煤的分界处（相当于150℃）。此时，镜质组的反射率达到1.8％左右，生成的气量约占从褐煤至无烟煤总生气量的70％。之后继续生气，至无烟煤2号，镜质体反射率超过4.0％，逐步停止生气过程。
形成热成因甲烷大致分三个阶段：
1）褐煤至长焰煤阶段：生成的气量多，成分以CO2为主，占72%~92%，烃类＜20%。
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且以甲烷为主，重烃气＜4%。
2）长焰煤至焦煤阶段：烃类气体迅速增加，占70%~80%，CO2下降至10%左右。烃类气体以CH4为主，但含较多的重烃，至肥、焦煤时重烃可占10%~20%，该阶段是主要的生油阶段， 如壳质组含量多，则油和湿气含量也多。
3）瘦煤至无烟煤阶段：烃类气体占70%，其中CH4占绝对优势（97%~99%），几乎没有重烃。
煤阶和有机质性质的不同，其产气量差异很大。煤阶高，产生的煤型气就多。据原苏联报导，形成1吨褐煤可产生38~68m3煤型气，形成1吨长焰煤可产生138~168m3/t，气煤o为182~212m3/t ， 肥煤为199~230m3/t，焦煤为240~270m3/t，瘦煤为257~287m3/t，贫煤为295~330m3/t，无烟煤为346~422m3/t（Κрαвдов，1983）。不同的显微组分对成气的贡献不同，王少昌等对低煤级煤显微组分的热模拟实验结果表明壳质组、镜质组、惰质组最终成烃效率比约为3.3：1.0：0.8?，傅家谟认为：在相同演化条件下，惰质组产气率最低，镜质组是惰质组的4.3倍，壳质组为惰质组的11倍，并产出较多的液态烃。
第二节 煤层气的化学组分
一、煤层气的化学组分
煤层气的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物）、非烃类气体（二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体氦、氩等）。其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。
1、烃类气体
煤层气的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其它烃类气体含量极少。通常，在同一煤阶，烃类气体随埋藏深度的增大而增加。重烃气主要分布于未受风化的煤层中，此外，重烃含量常常还与煤变质程度有关，一般中变质煤中重烃含量高，而低、高变质煤中低。
通常用甲烷气体（C1）与总烃量（C1~ C5）的比率作为确定气体的干度指标，即C1/ C1~5
值大于99%，为特别干的气体，95%~99%为干气，85%~95%为湿气，小于85%，为特别湿的气体。
2、非烃类气体
大多数煤层气中的非烃类气体含量通常小于20％，其中氮气约占三分之二，二氧化碳约占三分之一。如美国阿巴拉契亚盆地、阿科马盆地和黑勇士盆地，其煤层气中非烃气体含量极低，远远低于10％。在某些煤层气中，氮气和二氧化碳含量变化很大，如江西丰城煤矿，其氮气含量变化在0.20%～83.39％，二氧化碳含量变化在0.02%～10.12％。氮气分子较小，运移速度快，因而主要受上覆盖层质量的影响。二氧化碳易溶于水，且易被地下水带走，因而二氧化碳含量主要受地下水活动的影响。此外，氮气和二氧化碳含量也受煤层埋深 ?
王少昌等. 陕甘宁盆地上古生界煤成气藏形成条件及勘探方向. 长庆石油地质局，1985
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和煤变质程度的影响，一般越靠近地表，氮气和二氧化碳的含量越高；煤变质程度越高，氮气和二氧化碳的含量越低。
虽然煤层气的成分都是以甲烷为主，然而在不同盆地，同一盆地的不同部位，不同煤层，不同埋深，不同煤阶以及不同煤层气井之间，煤层气的组分往往出现较大的差异。控制煤层气成分的主要因素有：1）煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度；2）储层压力，它影响煤的吸附能力；3）煤化作用程度，即煤阶/煤级；4）煤层气解吸阶段，吸附性弱或浓度高的组分先解吸；5）水文地质条件，它通过输送细菌及生物成因的气体而影响煤层气的成分(Scott，1995)。
Scott对产自美国1380多口煤层气井的985个气样的分析结果表明：煤层气的平均气成分为：甲烷占93.2%，重烃占2.6%，二氧化碳占3.1%，氮气占1.1%。通过对采自晚石炭世宾夕法尼亚组到新近纪煤层中气体样品（气样直接采自矿井、煤样解吸气和地面开采的煤层气；煤级从褐煤到无烟煤，Ro=0.3%~4.9%；含气煤层的深度从121.91m的矿井到4419.38m的钻孔）研究，Rice（1993）认为：世界各地煤层气的组分差异很大，甲烷和其它烃类组分通常是煤层气的主要组分，并含少量CO2和N2。气体中烃的组成，用气体湿度（C2+即乙烷及其以上重烃百分含量）来表示，湿度值介于0~70.5%之间。
二、煤层甲烷的同位素特征
1、煤层甲烷稳定碳同位素分布
Law（1993）研究认为世界各地煤层气的同位素组成差异较大，甲烷的δ围很宽，介于-80‰至-16.8‰之间；乙烷的值δ分布在-33.3‰~-11.7‰之间；二氧化碳的δ烷的δ
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C值分布范
C介于-3.29‰~-2.28‰之间；甲烷的δD值
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C值从-2.66‰到18.6‰。从煤样中解吸出的甲
C值高出几个千分点（Law，1993）。
C值比开采气或自由（游离）气体中甲烷的δ
这是因为在解吸作用过程中，发生同位素分馏作用， 13 C富集到了解吸气体中。
国内测试资料表明，煤层气δ13 C1变化于-78‰~-13‰之间，分布范围广，同位素组成总体上偏轻，而且不同地区、不同地质时代和不同煤级煤中的δ13 C1分布特征也有所不同。
就地区而言，华北煤层气δ13 C1为-78‰~-28‰，东北煤层气δ13 C1为-68‰~-49‰，华南煤层气δ13 C1为-68‰~-25‰ （图2-2）。显然，我国煤层气的δ13 C1地域分布总体上体现出不同地质时代构造背景下煤中有机质生烃演化的特点。华北和华南的煤层主要形成于晚古生代，经历了多阶段的构造演化，煤化作用的地质背景较为复杂，煤级跨度大，生气历程长，δ13 C1变化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低，δ13 C1分布较为集中。
图2-2 我国煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布（据叶建平等，1998）
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