内容发布更新时间 : 2024/5/21 21:44:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
就全国来看，煤层气δ显（图2-3）。δ
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C1与煤级之间的关系尽管离散性较大，但规律性仍然相当明
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C1随镜质组最大反射率增高变重，但二者之间的这种正相关关系并非是
C1值增大的速率较快，由-65‰（反射率
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线性的。当镜质组最大反射率小于2. 0%时，δ
0. 3%左右）增至-25‰（反射率2. 0%左右），此后直到镜质组最大反射率4.0%附近，δ值仍低于-20‰。换言之，只有在进人无烟煤阶段之后，煤层气的δ人腐殖型常规天然气δ
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C1
C1值才开始接近或落
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C1值的分布范畴（>-35‰）。
C1值与镜质组反
进一步分析特定地区煤层气稳定碳同位素的演化趋势发现，不仅δδ
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射率之间的离散性显著减小，而且存在着有别于全国性趋势的区域规律。华北和华南煤层气
C1值与全国性规律一致，随煤级增高而变重，且在进人无烟煤阶段后离散性明显变小
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（图2-4a，图2-4b）。东北煤层气δ2-4c ）。
腐殖型常规天然气δ国δ
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C1值的演化却与此相反，煤级增高，δ
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C1值变小（图
C1与镜质组反射率之间呈对数线性相关关系，华北、华南和全
C1值与煤级之间的相关趋势与此一致，东北与此相反，暗示东北煤层甲烷稳定碳同
位素的分布另有重要控制因素。
图2-3 我国煤层甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系（据叶建平等，1998）
(a)华北地区 (b)华南地区 (c)东北地区 图2-4 不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系（据叶建平等，1998）
Rice等（1993）总结美国和加拿大煤层甲烷同位素资料得出甲烷的稳定碳同位素δ值与煤级有很好的相关关系。一般低煤级煤的δ
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C
C1值小，煤阶增加，δ
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C1值变大。但
是同一煤阶，δ同位素组成。
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C1值具有很大的变化范围（图2-5）。此外，δ
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C1值与现今的埋深有较
好的对应关系，在煤级一定的情况下，浅部煤层甲烷由轻同位素组成，深部煤层甲烷则由重
2、煤层气的鉴别标志
主要利用煤层气组分特征及其同位素特征来鉴别煤层气。 1） 相同成熟度，煤层气的甲烷碳同位素比油型气
偏重。在Ro,max=0.50~2.5%间， δ
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C1＞-30‰是煤层气，-43%～-55‰≤δ
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C1＞-30‰是油型气。
2） 煤层气比油型气的甲烷同系物的同位素重。
δδδ
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C 2＞-25.1‰，δ C 2＜-28.8‰，δ
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C 3＞-23.2‰为煤层气 C 3＜-25.5‰为油型气
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C 2＜-25.1‰至＞-28.8‰和δ C 3＜
-23.2‰至＞-25.5‰区间大部分为煤层气，但也包括部分的混合气。
3） 煤化作用早、中期（Ro,ma=0.5-1.35%）以成气
作用为主，成油作用为辅的是煤层气。
4） 煤成油具明显的姥鲛烷优势，姥鲛烷/植烷
Pr/Ph=0.68-11.6，其中绝大多数大于2.1，
而 Ⅰ、Ⅱ型干酪根生成原油的Pr/Ph=1.43， 图2-5 煤层δ13 C1与Ro%关系 煤层气为姥植均势。 （据Rice等，1993） 5） 煤层气的汞含量比油型气高，煤层气含汞约
80mg/m3，油型气约7mg/m3。
不同成因的煤层甲烷，其碳同位素不同，可以用甲烷碳同位素来区分煤层甲烷的成因。通常生物成因甲烷，δ2-6）。
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C1值一般为-55‰至-90‰；而热成因甲烷，δ
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C1值一般>-50‰（图
图2-6 煤层气中CH4和CO2的碳同位素特征
（据Scott, 1993）
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第三节 煤层气地球化学组成和变化的地质控制
世界各地煤层气组分和同位素组成差异很大，煤层气组成主要受煤岩组分（母质）、煤级、生气过程、埋深及相应的温压条件等因素的影响。此外，水动力条件和次生作用（如混合、氧化作用）等也影响煤层气的地球化学组成。
一、煤岩组分
煤岩组分是煤的基本成分，是煤层气的生气母质，所以可能是影响煤层气组成的首要因素。大多数煤归类为腐殖型干酪根，其煤岩组分以镜质组为主，并含有少量的壳质组和惰性组。壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力（赵师庆，1991）。近来的有机岩石学和地球化学研究已证明：镜质组和III型干酪根的热演化途径一致，主要生成甲烷和其它气体，镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃（赵师庆，1991；姚素娟，1996）；惰性组的产气量比相同煤级的壳质组和镜质组低。三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性组最低（傅家谟，1990）。
在中等变质煤（高挥发份烟煤至中挥发份烟煤）中，腐泥型煤（I、II型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组）能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤（III型干酪根，主要含镜质组）则生成较干的气体。对于高变质煤。煤层气主要成分是甲烷。由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。一般地说，含富氧干酪根的煤（镜质组为主）生成的煤层气和含富氢干酪根的煤（壳质组和富氢镜质组为主）生成的煤层气相比，在成熟度相同的条件下，前者比后者δ
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C1值较大，而前者甲烷和乙烷的δ
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C值的分布范围比后者窄。这是因为脂肪族烃
热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢干酪根的煤层生成的气体中占优势，芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位（Law，1993）。
煤的热演化早期阶段所生成的液态烃保留在煤的微结构中，在较高温度时，煤层中的液态烃裂解，生成的气体，它比直接产自干酪根的气体有较大的δ
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C1值（Law，1993）。
二、 煤化程度
煤化程度是控制气体生成量和组分的重要因素，同时也影响着煤层气的同位素组成。一般地说，煤变质程度越高，生成的气体量也越多。低变质煤（亚烟煤~中挥发份烟煤）生成的热成因气以二氧化碳为主，而高变质煤（低挥发份烟煤及其以上煤级的煤）生成的气体主要成分为甲烷（图2-1）。
中国、澳大利亚、美国等地煤层气的研究表明：煤层气中甲烷的δ定关系。通常，低变质煤生成的煤层气中甲烷的δ甲烷的δ
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C1值和煤级有一
C1值较小，高变质煤生成的煤层气中
C1值较大。对于未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，
相应煤层气中的甲烷富集氘和13 C（Law，1993）。
三、煤层气的成因
如前所述，煤层气的生成有生物成因和热成因两个过程。由于生物成因气和热成因气在
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形成时间、生成温压、母质和生气机理（有无细菌活动等）等方面的差异，所以这两个过程中所生成的煤层气的组成也有较大差异。
通常由于生物体对12C的富集，所以生物成因气的δ
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C1值较小，甲烷的δ
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C1值一般
介于-55‰~-90‰之间，甚或更轻。生物成因气通过二氧化碳还原作用和有机酸发酵作用而生成，这两种不同的生气机制所生成的生物气的同位素特征也有差异。通常，由二氧化碳还原作用生成的甲烷碳同位素较轻（甲烷δ
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C1值介于-55‰~-110‰之间），且富氘（δD值
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介于-150‰~-250‰之间）；有机酸发酵作用生成的甲烷碳同位素则较重（甲烷δ成甲烷的δ1993）。
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C1值在
-40‰~-70‰之间），且消耗氘（δD值在-250‰~-400‰之间）。但要注意，二氧化碳还原生
C1值和CO2基质的δ
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C值有关,甲烷的δD值和地层水的δD值有关（Law，
与生物成因气相比，热成因煤层气有如下特征：1）重烃一般出现在高中挥发份烟煤及煤化程度更高的煤中；2）随着煤化程度的提高，重同位素δ
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C在甲烷和乙烷中富集（甲烷
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C1值大于-55‰），这是因为在热成因成气过程中，随着煤化程度的提高，气体分子中的
C1
C-12C键比12C-13C键更频繁地断开，致使残留气体中富集13C，所以热成因气体的δ
值随之增大；3）随着煤化程度的提高，甲烷也相对富集氘（甲烷δD值大于-250‰，Law，1993）。
四、埋藏深度
煤层埋藏深度和煤层气甲烷δ煤层甲烷的δ烷的δ
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C1值有一定关系。一般来说，随煤层埋藏深度的增加，
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C1值呈增大的趋势，与深层煤层气相比，浅层煤层气为较干气体且所含甲
C1值较小的煤
C1值低。从世界各地的资料看，在煤阶相同或相近的情况下，δ
层气的赋存深度一般也较浅，随着煤层埋藏深度的增加，煤层气的组分也发生着变化。
五、煤层气的解吸与扩散
煤层后期抬升，煤储层压力场发生改变，煤层气出现解吸和扩散。结构简单、分子量小、重量轻的甲烷比结构复杂、分子量大且较重的重烃气容易解吸，且速度快。在同为甲烷的分子中，轻的
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C1由于极性弱，比重的和极性强的
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C1容易解吸，且速度快。因此，随煤层
埋藏深度的增加，煤层甲烷的δ
C1值呈增大的趋势。
六、次生作用
煤层气的次生作用是指对早期已生成气体的改造作用。主要是生物成因气和热成因气 的混合和湿气组分的氧化作用。
次生作用影响煤层气的组成，尤其是对于浅层煤层气。在浅部，煤层通常为细菌繁盛的 含水层。细菌影响煤层气组成的方式有三种：1）厌氧菌活动导致大量生物成因气的生成并 和以前生成的热成因气混合，这种混合作用可以解释某些地区浅层煤层气组分的变化（Law，1993）；2）喜氧菌能够优先和湿气组分起作用，使湿气大部分受到破坏，从而使残留湿气组分的δ
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C1值也比预期的要高。这种细菌对湿气组分的改造也可用来解释煤层气组分的变
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化；3）喜氧菌的活动造成甲烷的氧化和消耗，使残留甲烷的δ1993）。
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C1和δD值增大（Law，
七、水文地质条件
有些地区水动力条件对煤层气组成的影响十分明显，如美国圣胡安盆地，盆地北部超高压区煤层气为富CO2的干气，南部低压区煤层气则为贫CO2的湿气（Scott，1993）。在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，雨水进入可渗透煤层中，细菌随流动水也一起迁移到煤层中，在细菌的降解和自身代谢活动作用下，生成了次生生物成因气，它是煤层气的一个补充来源，并有可能形成异常高的气体产量。
八、CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应
煤成烃过程中，形成的煤层气中CH4和CO2的含量均较多。CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应，使煤层中的13 C1大幅度降低，导致煤层气中CH4碳同素变轻。其反应如下：
13CCH4?12CCO2?12CCH4?13CCO2
CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应使δ13C1变轻作用，主要发生在煤层气形成后的早期，因为此时煤层气中CH4和CO2含量均较高，而后期由于CO2被大量溶解，CH4含量占绝对优势而CO2含量很低，交换平衡对δ13C1变轻作用影响不大。
第四节 煤层气的物理性质
煤层气的成分以甲烷为主，含量一般在90%以上，多为干气，重烃含量一般较低，还有少量的N2、CO2、H2、CO、SO2、H2S以及氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体及烯有气体。
一、 煤层气分子的大小和分子量
煤层气分子的大小介于0.32~0.55nm之间，多为近似值（表2-2），分子的偏心度或非均质度，即偏心因子甲烷最小，只有0.008，分子平均自由程（气体分子运动过程中与其它分子两次碰撞之间的距离）约为其分子平均直径的200倍。其分子量是由组成煤层气的各种分子的百分含量累加而成，称为表观分子量。
二、 煤层气的密度
标准状态下(1个大气压，温度15.55℃)单位体积煤层气的重量，单位为kg/m3。煤层气在地下的密度随分子量及压力的增大而增大，随温度的升高而减小。
煤层气的相对密度是指同温度、压力条件下(1个大气压，温度15.55℃或20℃)煤层气的密度与空气密度的比值。
三、 煤层气的粘度
粘度是流体运动时，其内部质点沿按触面相对运动，产生内摩擦力以阻抗流体变形的性质。常用动力粘度系数，即流体内摩擦切应力与切应变率的比值来表示，其单位为泊（P）、
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