煤层气组成与性质

-23.2‰＜δ13C3＞-25.5‰
油型气:δ13C2＜-28.8‰,δ13C3 ＜-25.5‰
3）煤化作用早、中期(Ro,max =0.5~1.3%)以成气作用为 主，成油作用为辅的是煤型(层)气。 4）煤成气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，为姥植均势。 5）煤型（层）气的汞含量比油型气高，煤型气含汞8 万微克/m3，油型气7千微克/m3。
生物成因和热成因煤层气产生的阶段
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（%） <0.50 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
蚀变带和原始气带特征及其控制因素
次生生物气形成时间一般较晚(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，在煤层中普遍存在，对煤层 气勘探开发和生产具有重要意义。 次生生物气的生成和保存条件（见下图）： 煤级：为褐煤~焦煤，煤层所在区域发生过隆起 (抬升)作用； 渗透性：煤层有适宜的渗透性； 水文条件：沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中； 微生物条件：有细菌运移到煤层中，具备缺氧环境； 圈闭条件：煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件。
(a)华北地区 （b)华南地区 (c)东北地区 不同地区甲烷稳定碳同位素分布与煤级之间关系
由上图可以看出：
华北和华南煤层气δ13C1值与全国性规律一致，随煤级增高而变 重(图a，图b)。东北煤层气δ13C1值的演化却与此相反，煤级增高，
δ13C1值变小(图c)，暗示东北煤层甲烷稳定碳同位素的分布另有重
2、控制煤层气化学组成的主要因素
（1）煤的显微组分,特别是富氢组分的丰度 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；镜质组主 要生成甲烷和其它气体，其富氢的某些组分亦可生成液态烃；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。 （2）储层压力 它影响煤的吸附能力，随着压力的增加，吸附量增大。 （3）煤化作用程度，即煤阶/煤级 由于不同煤化阶段，温度和压力不同，煤生气或生油的程度也不同。 （4）煤层气解吸阶段 吸附性弱或浓度高的组分先解吸，也会对煤的组成产生影响。 （5）水文地质条件 部分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。在区域抬升后又 遭受剥蚀的盆地边缘，雨水携带微生物进入可渗透煤层中，在细菌的降解和自身代谢活 动作用下，次生生物成因气含量增加，从而影响煤层气的化学组成。
要控制因素。
2、煤层气的鉴别标志 （1）原油与煤成烃比较 原油：以腐泥型有机质为母质，成分以富含脂肪链结 构的烃类为主。热解气中重烃分子主要源于脂肪链结构的 裂解。这些含脂肪链结构的烃类为重烃气生成提供了充足 的物质基础，以致原油热解气的干燥系数一般较低。
煤：干酪根结构中的脂肪型侧链和桥键都比较短。在
•生物成因气
是由各类微生物经过一系列复杂作用过程导致有机质发生降解而形 成的。可形成于煤化作用早期阶段(泥炭-褐煤)以及煤层形成以后的构 造抬升阶段，因此可分为早期(原生)生物成因气与晚期(次生)生物成 因气。
•热成因气 是指随着煤化作用的进行，伴随温 度升高、煤分子结构与 成分的变化而形成的烃类气体。
形成沥青的转化，以及芳核结构上的烷烃支链的断裂，形成富含重烃的气体，该阶
段相当于生油岩高峰生油期。H/C从1.76降至0.89，O/C由0.12至0.05，CH4生成 量大于CO2。 晚期(1.3~2.0%)：沥青质、液态残余烃等较大分子烃类裂解、芳核支链进一
步断裂形成CH4较多的气体，H/C由0.79降至0.48，O/C由0.05降至0.04趋于平稳。
化历程及其控制因素相对简单，煤级普遍较低
，δ13C1分布较为集中。
煤层甲烷稳定碳同位素的地域分布
我国煤层甲烷碳同位素分布与煤级之间关系
就全国来看，煤层气δ13C1与煤级之间的关系尽管离散性较大，但规律 性仍然相当明显： δ13C1随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线 性的。当镜质组最大反射率小于2.0%时,δ13C1值增大的速率较快，由-65‰ （0.3%左右）增至-25‰(2.0%左右)，到最大反射率4.0%附近，δ13C1值仍低 于-20‰。。
当泥炭和褐煤埋深达到一 定程度时，煤层在缺氧状态下 停止氧化分解，当环境温度低 于75 ℃时，有利于厌氧微生 物（甲烷菌）活动，在代谢过 程中释放出大量甲烷，这一阶 段为生物气生成阶段，生气量 约20-50m3/t
当环境温度高于75℃、 Ro>0.4%时，煤层进入热解生 气阶段。
生物气早期生气演化模式
（1）
大气；地表沉积物中气；沉积岩中的气；海洋中溶解气；
变质岩中气；岩浆岩中气；地幔排出气；宇宙气。
•狭义的天然气目前仅限于地壳上部存在的各种天然气体，
•包括烃类气体和非烃类气体。
（2）
2、非常规天然气
目前主要指煤层气、页岩裂缝中的气、浅层生物气（沼气） 和盆地中心气包括深盆气。
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
热解时，侧链和桥键形成自由基，与H相遇时，形成以CH4 分子为主的气态烃分子。煤中可溶有机质的烷烃含量大大
少于原油，芳烃和其他含脂肪型结构的侧链也较少，热解
生成重烃气分子的量，远少于原油。
（2）煤层气的鉴别标志
根据煤层气组分特征及其同位素特征鉴别煤层气。 1）相同成熟度的条件下，煤层气的甲烷碳同位素比 油型气偏重。 在Ro,max=0.50~2.5%之间： δ13C1＞-43‰是煤型气； δ13C1 ≤-43%～-55‰是油型气。 2）煤型(层)气比油型气的甲烷同系物的同位素重。 煤型气:δ13C2＞-25.1‰,δ13C3＞-23.2‰ 混合气:-25.1‰＜δ13C2＞-28.8‰;
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。
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气 体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。
研究表明： 在厌氧环境、低SO42-、低温(通常50º C以下)、高PH值、 丰富的有机质、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气 会大量形成，但由于埋藏浅，原生生物气在煤层中保存甚少， 不是煤层气的主要勘探对象。
总体来说： 生物气的形成应满足两个条件： 一是要有丰富的有机质提供产气的物质基础；
煤层气的物质组成与性质
孙建华
一、 煤层气的形成及成因类型 二、 煤层气的组成及化学组分
三、 煤层气地球化学组成的地质控制 四、煤层气的物理性质 五、煤层气对环境的影响
目录
一、煤层气的形成及成因类型
天然气
1
基本概念
2
非常规天然气
（一）基本概念
1、天然气
·广义的天然气指存在于自然界的一切气体。 ·根据其存在环境，可分8类：
（三）主要生气阶段和产率
褐煤至长焰煤阶段
1
2
长焰煤至焦煤阶段
3
Biblioteka Baidu
瘦煤至无烟煤阶段

1.褐煤至长焰煤阶段 生气38~168m3/t，CO2占72~92%， 烃类＜20%以甲烷为主，重烃气＜4% 2.长焰煤至焦煤阶段 生气168~270m3/t，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，重烃可 占10~20%，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 生气270~422m3/t，烃类气体占70%，其中CH4占绝 对优势(97~99%)，几乎没有重烃。
不同煤类的产气量和吸附能力
煤类 褐煤 长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 产气量m3/t 38~68 138~168 182~212 199~230 240~270 257~287 295~330 346~422 吸附能力m3/t <8 8~9 9~11 11~14 18~20 14~18 20~24 24~36
二、煤层气的组成及化学组分
（一 ）煤层气的化学组成
1、化学组成 （ 1）烃类气体：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。 干气：CH4>95% 或 C2+% <5% 湿气： CH4<95% 或 C2+% >5% 常用甲烷 (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: 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 N2、CO2、CO、HS、H2及微量的惰性气体。
·裂解型煤层气（瘦煤~二号无烟煤，2.0%<Ro,max<3.7%） 由于有机质芳核结构支链上的大部分烷烃在成熟阶段已消耗，该阶段
主要以裂解的方式及芳香核缩合为主，并由此产生大量CH4，有机质的芳香
度从0.85增高到0.97，C原子几乎集中到芳香结构上。
·次生生物成因煤层气（0.3%<Ro,max<1.5%） 在煤层经过初步埋藏变质阶段，后期发生抬升，煤层中的温度等环境 条件适于微生物生存，通过位于补给区的煤层露头微生物有大气降水带入， 在相对低温条件(56º C)代谢湿气、正烷烃和其它有机化合物，生成CH4和 CO2。 在含煤盆地中，次生生物作用活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀 变带，一般位于盆地边沿或中浅部；不发生蚀变的气体一般位于盆地深部， 称为原始气带。
瓦斯气
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。
（二）煤层气的形成及成因类型
1、成气过程
植物死亡 褐煤
气体
煤化作用 煤化作用
阶段一
阶段二
阶段三
煤化作用
阶段四
阶段五
埋藏堆积及泥炭化作用
泥炭
烟煤
无烟煤
（二）煤层气的形成及成因类型
2、成因类型
二是具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。
·热解型煤层气（褐煤~瘦煤阶段，Ro,max0.5~2.0%）
从烃源岩的角度，该阶段属于煤演化的成熟阶段。主要在热力作用下，有机 质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小，依次发生分解，转化为具有不同分子
结构的烃类，按反应进程可分为早、中、晚三期。
早期(0.6~0.8%)：以含氧官能团的断裂为主，产生CO2，芳烃结构上的烷烃支链部 分断裂形成少量的CH4和C2H6以上的重烃，H/C变化不大，O/C由1.23急剧至0.12。 中期(0.8~1.3%)：有机质演化主要通过树脂、孢子和角质等稳定组分的降解初期所
（二）煤层气的同位素特征
1、同位素的分布特征 我国煤层气的δ13C1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
景复杂，煤级跨度大，生气历程长，δ13C1变 化大；东北煤层主要形成于中一新生代，热演
具体的生气阶段和生气类型：
·早期生物气（泥炭~褐煤阶段，Ro,max<0.5% ）
埋藏浅，温度低，热力作用不足以使有机质结构变化，有机质结构和成
分变化主要是由于各类微生物参与下的生物化学反应而实现。
过程实质是通过微生物的作用，使复杂的不溶有机质发酵变为可溶有机 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在甲烷菌作用下最后生CH4，因此生物成因气实质是微生物成因 气．亦称细菌气。 在现代泥炭沼泽环境中，通过CO2还原或甲基发酵都可生成生物气，但 根据气体化学成分和同位素成分组成分析，大部分古代的生物气是通过CO2 还原产生的。
缺氧环境 低温环境 晚期生物 气生成 有机质 孔隙空间
次生生物气的生成和保存条件
低硫酸盐 环境
准噶尔盆地盆缘晚期生物气成藏模式
水文地质 条件
褐煤
浅部煤系地层接受天山雪融水的补给，形成了 低矿化度的地层水，在地质历史上利于甲烷菌的生 长，煤层生物降解产生甲烷气，在承压地层水和盖 层的共同作用下保存成藏。