煤层气的生成

煤层气生成~

煤与其他无机岩类不同，在煤的变质作用过程中，温度是起主导作用的。如前所述，岩浆向煤系入侵，将其携带的热量传导给煤层，使煤层发生不同程度的变质作用。同时煤中的灰分和水分含量增高，而挥发分含量减少，此时煤中的富氢的镜质组组分和稳定组组分产生易挥发的气相物质，如甲烷和二氧化碳等。因此岩浆侵入带来的异常热源将有助于大量次生成因煤层气的生成。
岩浆侵入对煤层气生成量的影响主要取决于，侵入体的规模、产状、形态，侵入时的地温场等。一般侵入体规模越大，侵入时地温异常值越高生成的气体量越多。岩床和岩脉对煤层气的生成具有不同的影响，一般岩床由于与煤层接触面积大，同时岩床侵入的煤层热传导差，导致热持续时间较长，因此可以生成较多的煤层气；而岩墙/脉由于与煤层呈相交的接触关系，接触面积限制了其热影响的范围，进而影响煤层气的生成量。无论是岩浆以岩床还是岩脉的方式侵入都会对煤层气的生成产生积极的影响，这已经在我国的阜新盆地（朱志敏等，2007），澳大利亚的冈纳大盆地（Gurbaet al.，2001）及美国的拉顿盆地（Cooperet al.，2007）的煤层气勘探开发过程中得到了印证。

(一)煤层气的生成
植物遗体埋藏后，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，挥发分含量和含水量减少，发热量和固定碳的含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。煤体由褐煤转化为烟煤的过程，每吨煤伴随有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。
泥炭在煤化作用过程中，通过两个过程，即生物成因过程和热成因过程而生成气体。尽管生成气体的主要成分为甲烷，但同时还有水、二氧化碳、湿气和液态烃释放出来(表4－4)。
表4－4煤化作用过程中(至Ro=2.0%)所生成的气体体积表


注:①scf:标准立方英尺.Standardcubicfeet的缩写，是国外天然气行业常用单位。1scf=0.0283168m3。Tscf为万亿标准立方英尺。(据Scott，1993)
根据来源的不同(生物成因和热成因)和煤化作用过程中气体化学成分的组成变化可将煤层气分类(表4－5)。
表4－5生物成因和热成因煤层气产生的阶段表


(据Scott et al.，1994)
1.生物成因煤层气
生物成因煤层气，是有机质在微生物降解作用下的产物，是指在相对低的温度(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他成分的气体。生物成因煤层气的生成有两种机制，即二氧化碳的还原作用和有机酸(一般为乙酸)的发酵作用(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煤层气的有利条件是:大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温、高pH值的缺氧环境、低硫酸盐浓度(Law，1993)。按照生气时间、母质以及地质条件的不同，生物成因煤层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)原生生物成因煤层气:原生生物成因煤层气，是在煤化作用阶段早期泥炭沼泽环境中的低变质煤(泥炭到褐煤)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煤层气。由泥炭至褐煤阶段，可生成原生生物气量约为38m3/t。
对于原生生物成因煤层气和热成因煤层气的形成阶段，不同学者的划分方案不尽相同。Scott等以Ro<0.3%为原生生物气的界限值，而热成因煤层气开始生成的Ro值为0.5%(表4－5);Palmer将(原生)生物成因煤层气和热成因煤层气的Ro临界值定为0.5%;Rice(1993)认为热成因煤层气形成始于0.6%左右。传统的天然气成因理论认为，生物煤层气一般形成于Ro值为0.3%以下，而热成因煤层气形成于Ro值在0.6%～0.7%之上，即生气母质在Ro值0.3%～0.6%的热演化阶段不生气。但近年来的研究表明，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)，即是说，有机质生气是一个连续的过程，煤层气也应如此。
由于泥炭阶段煤层温度和压力较低，煤的吸附能力较弱，且由于泥炭的含水量较大，煤中的孔隙表面多被水分子所占据，故原生生物成因气在煤层中的吸附量较少。大多数原生生物成因气和二氧化碳极易扩散到大气中或溶解于地层水并最终在压实和煤化作用过程被排出(Scott，1993)，因此原生生物成因气较难成藏。
(2)次生生物成因煤层气: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(多为大气降水)进入煤层水中。在低、中煤阶煤中，当温度、盐度等环境条件适宜微生物生存时，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、正烷烃和其他有机化合物转变成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成因煤层气。
煤层中的生物成因气大多数可能为与地下水流动有关的次生生物成因煤层气。大气水通过渗透性煤层或其他富有机质岩石将细菌带入煤层，细菌的新陈代谢活动产生次生生物成因煤层气。因此，次生生物成因煤层气与原生生物成因煤层气的不同之处在于—细菌是煤层在盆地边缘埋藏、煤化及随后的抬升和剥蚀之后才进入煤层的(Scott，1993)。
次生生物成因煤层气的形成时代一般较晚(几万至几百万年前)。煤层中存留的生物成因煤层气大部分属于次生生物成因煤层气。次生生物成因煤层气的生成和保存需要以下条件:①煤阶为褐煤—焦煤;②煤层所在区域发生过隆起(抬升)作用;③煤层有适宜的渗透性;④沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中;⑤有细菌运移到煤层中;⑥煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件等(Law，1993;Scott et al.，1994)。
假如煤化作用、区域抬升和次生生物成因煤层气之后煤层又埋藏并进一步煤化，或者构造运动改变了盆地水动力条件，则次生生物成因煤层气的化学和同位素特征将会消失(Gould和Smith，1979)。
2.热成因煤层气
热成因煤层气，是在温度(>50℃)和压力作用下，煤中有机质发生一系列物理、化学变化，煤中大量富氢和富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 et al.，1994)。
随着褐煤埋藏深度增加、温度上升，煤的变质程度不断提高，生成大量的甲烷和其他气体。这一变质过程导致有机质不断脱氧、脱氢、富碳。生成的气体类型取决于煤的变质程度(图4－1)。Meissner(1984)认为:当镜质组反射率(Ro，max)大于0.73%、干燥无灰基挥发分含量大于37.8%时，热成因煤层气开始大量生成。Law(1985)认为热成因煤层气开始大量生成时的温度为88～93℃，Ro，max为0.80%。Rightmire et al.(1984)认为:当Ro，max为0.60%、挥发分为40.24%即相当于高挥发分烟煤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，生气高峰在150℃左右，相当于中挥发分烟煤、低挥发分烟煤、半无烟煤(相当于我国的焦煤—贫煤阶段)。张新民等(1991)以Ro，max=1.90%为界，划分0.50%1.90%的过成熟阶段为裂解气阶段。因为煤是腐殖型干酪根(Ⅲ型干酪根)，成岩和煤化作用期间不存在明显的液态烃过程，热解气、裂解气的划分不是十分严格。
据Hunt(1979)研究:在煤化学作用早期(地层温度<120℃)，生成的气体以二氧化碳为主，在高挥发分烟煤和中挥发分烟煤分界处(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，产气高峰在中挥发分烟煤与低挥发分烟煤的分界处(相当于150℃)。此时，镜质组反射率达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(镜质组反射率超过4.0%)，逐渐停止生气过程。
热成因甲烷的生成大致分三个阶段:
(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%，而且以甲烷为主，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，至肥煤、焦煤时重烃可占10%～20%。该阶段是主要的生油阶段，如果煤中壳质组含量多，则油和湿气含量亦多。
(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。
煤阶和有机质性质不同，其产气量差异很大。煤阶高，产生的煤型气多。据前苏联报道，形成1t褐煤可产生38～68m3煤型气，形成1t长焰煤可产生138～168m3煤型气，相应地形成1t气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤则分别可产生182～212m3、199～230m3、240～270m3、257～287m3、295～330m3、346～422m3煤型气。不同的显微组分对成气的贡献不同，王少昌等(1985)对低煤阶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。傅家谟等(1990)认为，在相同演化条件下，惰质组产气率最低，镜质组产气率是惰质组的4.3倍，壳质组产气率为惰质组的11倍并产出较多的液态烃。
(二)煤层气的运移
大多数煤层是自生自储的。然而，煤储层中可能包含自源或运移来的热成因气、生物成因气或混合气(Rice，1993;Scott et al.，1994)。在某些情况下，煤层既是热成因煤层气的源岩又是其储层，煤层中无气体的运移。然而在另外一些情况下，煤层圈闭(吸附)了从其他源岩运移来的气体，或煤层吸附煤层裂隙与水界面处微生物生成的气体(次生生物气)，则煤层中出现气体的运移。
储层压力可将煤层气保持在煤的微构造中。由于自然原因或者人类活动煤层压力降低，气体解吸、扩散最终以游离气流动，从而导致气体的运移。自然的降压方法主要是抬升剥蚀，抬升剥蚀通常发生在盆地边缘，但也可以在更大区域中发生。煤矿开采或气井采气也可导致煤层中的压力降低。煤大多是饱含水的，而煤层的泄水也能使压力降低。煤层微构造中气体的解吸和扩散过程使气体释放出来，然后开始运移，从而导致煤层气组分的变化。

2.3.1 煤层气生成机制

从总体上讲，煤层气的生成包括3个阶段：①原生生物气生成阶段；②热成因气生成（含热降解和热裂解作用）阶段；③次生生物气生成阶段。Scott（1994）依据镜质组反射率值和产烃量，将煤层气生成过程分为3个阶段，此方案反映了煤成烃量的变化过程。戴金星等（1992）根据有机质成熟度，将煤成气（包括煤层气）的生成过程划分为3个阶段。本书根据煤有机质热演化程度（R_max）及后生变化、烃组分产量和性质，将煤层气生成过程划分为4个阶段，此类划分基本反映了煤层气生成的全过程。具体划分意见如表2.2所示。

表2.2 不同研究者对煤层气生成阶段的划分和依据

（据张新民等，2002）

在讨论煤层气生成的不同阶段之前，有必要简单阐述一下煤层形成的沉积环境。当有机质处在中位或高位沼泽时，以氧化环境（E_h＞0）为主，喜氧细菌作用占优势，在其分解作用下，有机质开始腐烂分解为水分和二氧化碳等物质。在这种环境中，即使有机质十分丰富，也难以保存，也就不可能形成具有工业意义的煤层。而当有机质进入到厌氧层后，厌氧细菌作用占优势，形成还原或强还原环境（E_h＜0）。此时大量有机质被保存下来，并堆积形成泥炭层。这一阶段虽然也存在生物化学和菌解作用，并生成少量气体，但由于上覆地层很薄或为松散的沉积物，不能起到保护封闭作用，这些少量甲烷也多逸散到空气中。因此，目前国内尚没有发现在泥炭层中具有较高的甲烷含量的实例，故本书未将泥炭化阶段的作用列入生气期。

2.3.1.1 原生生物气生成阶段

在泥炭至褐煤阶段煤中有机质由微生物降解作用生成的气体称原生生物气（或称生物化学气、细菌气）。即有机质在未成熟阶段，其 R_max≤0.50%（有人认为 ＜0.30%），此时煤层已经具备了一定厚度的盖层（＜1500 m），其温度约为50℃，经过甲烷菌群的分解，发生生物化学降解作用，生成以甲烷为主的气态产物（CH₄，NH₃，H₂S，H₂O，CO₂等），仅含有极少量重烃气，含量一般 ＜0.50%（或 ＜0.20%），为干气，干燥系数（C₁/C_2＋3）在数百以上。但由于褐煤中具有吸附能力的空隙为多核水分子所占据，故煤层对甲烷的吸附性差。在煤层顶底板有厚层泥岩或致密的岩层（如油页岩）存在，并对煤层气起良好的封闭作用时，煤层中才有可能保存并储集一定数量的煤层气。如我国抚新盆地，在煤层沉积之后，紧接着沉积了一层近百米的油页岩层，将煤层覆盖起来，使煤层中的甲烷得以封存。该区煤层的R_max为0.50%～0.75%，其含气量为5.55～15.23 m³/t，平均为9.23 m³/t，比同煤级高出近1倍，说明本区甲烷有一部分可能是在褐煤阶段生成的气，并被保存在煤层中。又如美国鲍德河盆地，煤层R_max＝0.30%～0.40%，煤层气含量仅为0.03～2.30 m³/t，然而由于煤层总厚达118m，盖层条件较好，已成为具商业意义的气田，并得到开发利用（Pratt et al.，1999）。我国目前对褐煤层煤层气缺乏研究和了解，但从内蒙古大雁煤矿（2000年）发生瓦斯爆炸事故分析，说明褐煤层中含有一定量的甲烷，亦可形成煤层气藏。

由泥炭到褐煤主要为细菌分解和发酵作用，减少CO₂，生成甲烷，其生成机制为

煤成（型）气地质学

随着煤层上覆地层厚度的不断加大，其温度场和压力条件随之逐渐增加，煤变质程度也不断加深。当进入长焰煤阶段，煤及其生成物在不同的热催化作用下，开始了热解生气作用；一直到无烟煤Ⅱ、Ⅲ号（即R_max为0.50%～6.00%），煤的累计生气量不断增加。在肥煤、焦煤和贫煤阶段为生气的高峰期；随着煤级的加深，出现了重烃和液态烃的生成过程，各种有机化合物和物理化学性质随之变化，呈现δ¹³C₁值从低变质到高变质、由轻变重的特点（图2.1）。热解生气作用又可分为热降解和热裂解两个生气阶段。

2.3.1.2 热降解气生成阶段

本阶段为长焰煤到瘦煤阶段，即R_max为0.5%～1.9%。此期由于腐殖型或腐殖泥型母质（干酪根为Ⅲ、Ⅱ₂）温度小于250℃，生成大量烃类物质，并以生气为主，生油为辅，产出大量重烃气，含量常大于3%。在气、肥煤、焦煤阶段，油、重烃和甲烷各自均有一次产出的高峰期。

图2.1 煤的成烃模式和有关演化特征

（据张新民等，1991，有修改）

2.3.1.3 热裂解气生成阶段

本阶段为贫煤和无烟煤阶段即R_max＞1.9%，或＞2.0%，在高温（250℃）条件下，残余干酪根、液态烃和部分重烃裂解形成甲烷，为重烃气含量极低的干气。由于在正烷烃中甲烷自由能最小，化学性质最稳定，而芳香烃在高温（250～300℃）条件下，自由能低于环烷烃及正烷烃，故在过成熟或超过成熟阶段，最终裂解产物主要是甲烷；重烃含量很低，一般＜2%。

热模拟试验结果证明，不同煤级的煤气发生率和煤在不同热演化阶段的气、液态烃产率是不同的（表2.3，2.4），产烃率随着煤级增加和温度的升高而逐渐增高。根据热模拟试验数据，寻找最佳煤级进行勘探是一个重要的地质因素。由于不同煤级的孔隙、裂隙、吸附性和渗透性不同，因此，选择最佳煤级（即肥煤、焦煤、瘦煤）是开发利用所必须考虑的重要问题。

在煤化作用的各个阶段中，煤具有不同的化学结构分子式。从褐煤到无烟煤，煤的芳香核环数量在逐渐增加，其纵向堆砌加厚，排列有序化。侧链基（主要为烷基）和含氧官能团、含氮、含硫等官能团，在不同压力和温度作用下，不断分解、断裂，伴随有烃类和非烃类气体的产出。其生成机制为：

表2.3 我国部分煤的热模拟试验煤气发生率数据 m³/t煤

*为综合数据；**为引用国外文献数据。 （据张新民等，1991）

表2.4 煤在不同热演化阶段的气、液态烃产量及气液比率

（据戴金星等，1992，经改编）

煤成（型）气地质学

煤成（型）气地质学

上述演变过程都是在热力学条件下进行的，并不断有CH₄生成。由于煤本身具有很大的内表面积，有很强的吸附能力，可以将生成的部分气体吸附在煤微小颗粒的表面，形成自产自储的煤层气藏；其余部分以游离态和溶解态运移出煤层，成为常规天然气的重要气源。

2.3.1.4 次生生物气生成阶段

Rice（1981）认为，次生生物成因气可以发生在任何煤级中，即褐煤或更高的煤级。次生生物成因气是一种后期细菌分解有机质生成的、以甲烷为主的气体。在地壳变动中，深埋的煤层被抬升到地表浅部，温度降低到小于50℃，由于带有富足的单细胞杆菌群的地表水，沿裂隙向煤层渗透，在缺乏硫酸盐的半咸水或淡水（低pH值）的还原水介质环境中，将煤分解为简单的有机质，再经厌氧细菌的分解作用形成CO₂和H₂，而CO₂和H₂在甲烷菌的合成作用后生成富¹²C的甲烷。Scott等认为，煤层中所发现的大部分生物成因气体，都是次生成因的生物气，它代表一种重要的煤层气资源。自20世纪60年代以来，在俄罗斯西西伯利亚北部的中生代地层中发现了一系列次生生物气大气田；之后相继在美国、加拿大等国家也发现了次生生物成因的大气田。我国在“九五”期间，据陶明信等2000）研究认为，淮南新集矿区的煤层气中有53%以上为次生生物气。

2.3.2 煤层气的组分及含量

表2.5 淮南煤田XS-02井煤心解吸气组分测试结果

（据陶明信等，2000）

煤层气是多种气体的混合物。表2.5是淮南煤田XS-02煤层气井不同煤层中煤层气组分的分析结果，该结果用气体质谱方法在MAT-271微量气体计上分析采自煤心解吸试验的煤层气样品而得到的，其组分数据均为扣除采样过程中混入的大气成分后的自然组分。从28组分析数据看，该井煤心解吸气的烃类组分以甲烷为主，其含量介于55.11%～95.75%之间；重烃含量很少；乙烷含量变化于0.03%～0.42%之间；丙烷含量在0.04%～0.18%之间，且大多数样品在仪器测试范围内检测不到丙烷。烃类组分的干湿指数（C₁/C_1～5）在0.997～1.0之间，说明为干气。该井煤心解吸气的非烃类组分主要为氮气，其次为少量二氧化碳，以及微量氨气和一氧化碳；一氧化碳属有害气体，但含量很低，只有0.02%～0.14%。表2.6是我国不同种类的煤层气样品用气相色谱仪测定的气体成分结果。其中的抽放煤层气样是指从井下瓦斯抽放钻孔口或从抽放泵站出口采集的气体样品，解吸煤层气样是指从密封解吸罐中采集的气体样品，开采煤层气样是指从地面垂直开发井中采集的气体样品。所有气成分分析结果都是无空气基的。为了对比，表中也列举了常规天然气的成分。可以看出，各类煤层气的成分中，除甲烷和重烃（如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷）外，还有二氧化碳和氮气。

表2.6 中国部分矿区煤层气组分含量统计

续表

（据张新民等，2002）

为了进一步研究煤层气的组分和含量，本书统计了所收集的煤田地质勘探、煤层气开发井和矿井瓦斯抽放中测定的358个井田（矿）的煤层气样品，共涉及我国不同地质时代、不同煤级和不同矿区煤层气样品约6000余组数据。统计结果表明，煤层气（煤矿井中又称瓦斯）组分中以甲烷含量最高，含量为66.55%～99.98%，一般为85%～93%；二氧化碳含量为0～35.58%，一般＜2%；氮气含量变化极大，但一般＜10%。重烃气含量随煤级不同而变化，褐煤几乎为零，气煤、肥煤和焦煤含量最高，可达33.99%（云南恩洪矿区老书桌、大坪、硐山井田），平均为1.0%～14.10%；在云贵川地区龙潭组煤层中的含量较高，最大的为云南恩洪矿区，其次是黔西和重庆地区，其他地区极微。总体看煤层气中重烃气含量不及常规天然气中丰富。

据Scott对产自美国1380 多口煤层气井的985个气样的分析，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%；平均发热量为3.7×10⁷J/m³（Scott，1995）。

从上述可见，虽然各地区煤层气的成分都是以甲烷为主，但在不同的含煤盆地，同一盆地的不同部位、不同煤级，以及不同煤层气井之间，煤层气的组成往往出现较大的差异。据Scott的研究发现，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，主要影响煤的吸附能力；③煤的热成熟度，即煤阶；④水文地质条件，主要通过输送细菌及生成生物成因的气体而影响煤层气的成分（Scott，1995）。

2.3.3 煤层气地球化学特征及意义

煤层气（煤型气）是煤经过生物和热力学作用后生成的气体，因此煤层气的性质与煤层的形成母质类型和不同的沉积环境关系密切。同时煤层在经历了煤化作用和变质过程后，使煤层气的组分和物理化学性质与碳同位素地球化学等特征亦具有较大的差别。不同成因的煤层气具有不同的性质，因此对各种甲烷气的区别是十分必要的，它对煤层气的勘探开发具有重要的实际意义和理论意义。

2.3.3.1 煤层气的物理化学性质

煤层气中除甲烷之外，还有乙烷、丙烷、丁烷等及一些非烃类气体（CO₂，CO，H₂S，NH₃，Ar等）。其主要物理化学性质见表2.7，从表中可见，甲烷与重烃气在分子量、热值、沸点、临界温度及分子直径等参数上具有明显的差别，但均为气态、无毒、无色。烷烃气与非烃类气体的性质亦具明显区别。

表2.7 煤层气中常见组分的主要物理化学性质参数

①1 atm＝1.01325×10⁵Pa。 （据戴金星等，1992，经改编）

2.3.3.2 煤层气碳同位素特征

碳是组成煤、石油和煤层气的两个主要元素之一。碳同位素有两个稳定同位素，即¹²C和¹³C，其丰度分别为98.87%～98.98%和1.02%～1.13%。δ¹³C是煤层气的主要识别标志。

δ¹³C值由于在不同的成煤环境中由不同的母质类型形成，在后期又常受热力学、物理化学和生物作用产生的同位素效应和分馏作用，使其发生变化。下面分别进行讨论。

1）不同环境中各种生物碳同位素值：不同植物在淡水中生长和在咸水、半咸水中生长的δ¹³C值不同。淡水植物的δ¹³C值为－34‰～－8‰，跨度最大；而海生植物则偏重，δ¹³C值为－17‰～－8‰；海生动物、高山植物、热带和温带植物的δ¹³C 值较轻；藻类δ¹³C值为－24‰～－12‰。

2）各种烷烃碳同位素值：图2.2 反映出烷烃的δ¹³C值是不同的。δ¹³C₁跨度大，为－91‰～－14‰，但主要分布在－54‰～－30‰之间；δ¹³C₂为－44‰～－19.9‰，主要分布在－38‰～－24‰之间；δ¹³C₃为－38.7‰～－11.8‰，主要分布在－36‰～－22‰之间；δ¹³C₄为－33‰～－20.8‰，主要分布范围为－30‰～－24‰；生物气 δ¹³C 为－91‰～－51‰；油型气δ¹³C为－58‰～－30‰；煤型气δ¹³C为－63‰～－13.3‰；混合气δ¹³C为－36‰～－13‰。

图2.2 中国天然气烷烃和CO₂的δ¹³C₁值分布

（据于津生等，1997，有修改）

3）煤层气δ¹³C与R_max的关系：油型气和煤型气均随母质成熟度的加深其δ¹³C值随之变重，但油型气比煤型气δ¹³C轻。图2.3中煤型气的δ¹³C₁，δ¹³C₂和δ¹³C₃值亦随R_max值增大而变重，其中δ¹³C₁的变化幅度稍大，同时可以看出δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃。

图2.3 中国煤层气δ¹³C₁、δ¹³C₂、δ¹³C₃与R_max相关分布图

（据于津生等，1997）

上述例子说明煤层气δ¹³C值变化与成煤环境、原始成煤质料和有机质热演化程度密切相关。

4）油型气和煤型气同位素的区别：由于两种气的母质均为有机成因，但油型气的干酪根类型为Ⅰ和Ⅱ₂型（Ⅱ₂型干酪根是以Ⅰ型为主，混有Ⅲ型的母质），煤型气干酪根为Ⅲ和Ⅱ₁型（Ⅱ₁型是以Ⅲ型为主，为混有型干酪根）。其δ¹³C值分布见表2.8，油型气的δ¹³C₁较煤型气轻约－10‰，较δ¹³C₂、δ¹³C₃轻－3‰，同时较δD₁轻约－70‰；混合气则介于二者之间。傅家谟等认为，当R_max为0.5%～4%时，同一成熟度煤成层（煤层气）的δ¹³C比油型气重2.5‰±；当R_max为0.5%～2.5%时，δ¹³C₁＞－30‰是煤型气，δ¹³C₁≤－55‰～－43‰是油型气；δ¹³C₂＞－25.1‰、δ¹³C₃＞－23.2‰是煤型气；δ¹³C₂＜-28.8‰，δ¹³C₃＜－25.5‰为油型气。于津生等认为油型气δ¹³C₁分布范围为－58‰～-30‰，陆相沉积区δ¹³C₁确认值为－50‰～－40‰，海相沉积区δ¹³C₁确认值为－50‰～－30‰。根据成熟度，油型气可分为低成熟-成熟气、高成熟气和过成熟气3种类型：低成熟气的特点是与油伴生，重烃含量一般＞10‰，δ¹³C₁为－55‰～－40‰；高成熟油型气与凝析油伴生，重烃含量一般为5‰～10‰，δ¹³C₁为－40‰～－35‰；过成熟油型气为干气，重烃含量 ＜5‰，δ¹³C₁为－35‰～－30‰。煤型气中矿井瓦斯 δ¹³C₁＜－45‰，＞－20‰的情况很少；当δ¹³C₁为－45‰～－20‰时有两种情况，其一是当δ¹³C₁＞－30‰时可确认为煤型气，其二是当R_max＜1.5‰时，若δ¹³C₁＞－37‰也可确认为煤型气。

表2.8 东濮坳陷天然气同位素组成对比与鉴别

（据于津生等，1997）

5）原生与次生生物气的主要区别：生物气系指在还原环境中，由于细菌的降解作用生成的以甲烷为主的干气。生物气δ¹³C₁≤－58‰，也有人认为≤－55‰或＜－60‰，本书根据所测结果，认为δ¹³C₁＜－58‰为宜；重烃气含量＜0.5‰或＜0.2‰，C₁/C_2＋3为170～250，缺丁烷。原生成因生物气多发生在白垩纪—新生代地层中R_max＜0.5%的褐煤阶段。次生成因生物气一般指R_max为0.55%～6.0%的煤层中，由于后期生物的降解作用生成的气体。其特点是煤层经过了不同程度的热解生气的作用，生成过热成因气。后来被抬升，使部分热成因煤层气散失。但对淮南新集矿的研究表明，该区煤层气中既有次生生物气，亦存在热成因气。陶明信等（2000）对新集矿区的8 层煤、18个样品进行了分析研究，其R_max为0.85%～0.97%，δ¹³C₁为 61.3‰～50.7‰，平均为 56.6‰；δ¹³C₂为25.3‰～10.8‰，平均为 19.7‰；δ¹³C_CO2为 29.2‰～6.0‰，平均为 17.84‰；C₁/C_2＋3为99.5～99.9。根据δ¹³C₁＝40.49 lgR_max34.0的关系计算，生物气占53.8%～56.5%，热成因气占46.2%～43.5%。生物成因气中的原生和次生生物气的区别目前利用δ¹³C₁值还难以区分，需应用综合的手段，如地质背景、煤级和产状等加以分析。

6）浅层气、瓦斯和深层煤成气碳同位素的区别：浅层气指埋深小于1500 m的煤层气，瓦斯即为煤矿井抽放出来的煤层甲烷，深层气为埋深大于3500 m的煤层气。由于埋深不同，其所处的地热场也不一样，煤级亦有区别，故导致了煤层气的δ¹³C₁值的变化。瓦斯（抽放气）的δ¹³C₁值由于采煤活动，可使外界的其他气体（如CO₂）混入，使δ¹³C₁值为-63.4‰～-32.8‰，平均为-48.2‰。但不同煤级的瓦斯δ¹³C₁值是不同的，从褐煤到焦煤阶段的瓦斯，其δ¹³C₁值为-63.4‰～-39.1‰；无烟煤瓦斯的δ¹³C₁为-41.1‰～-24.9‰；浅层煤层气的δ¹³C₁值为-66.30‰～-40.3‰，平均为-56.7‰；深层气δ¹³C₁值为 -37.3‰～-28.5‰，平均为 33.5‰（表2.9）。也就是说浅层煤层气的δ¹³C₁＜瓦斯δ¹³C₁＜深层煤层气δ¹³C₁，即为-56.7‰＜-48.2‰＜-33.5‰。从表中还可以了解到，同等煤级也同样是浅层 δ¹³C₁（-65.54‰）＜瓦斯 δ¹³C₁（-56.2‰）＜深层气 δ¹³C₁（-36.05‰），且气煤煤层气δ¹³C₁大于焦煤煤层气δ¹³C₁。

表2.9 中国煤层气碳同位素值统计

*为原石油部资料，其他为煤炭科学研究总院西安分院资料，2002。 （据张新民等，2002）

2.3.3.3 煤层气地球化学特征的研究意义

1）通过对煤层气的生成过程、生成成因、组成成分的研究，已认识到煤层气生成是一个复杂的过程，受诸多因素制约；且煤层气的成分相当复杂，类型多种多样。因此，研究其生成的机制，区别出不同甲烷的成因类型，对了解煤层气的生、储、运具有重要的勘探和理论意义。

2）对煤层气物理化学性质的研究，对指导煤层气的地质勘探、选择有利区块和确定靶区具有实际意义，同时对不同气源的开发利用和经济评价也是十分必要的。

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黑山县18736174127： 煤层气与常规天然气有什么区别? - ？
禹岩金喉： 煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存于煤层及其围岩中的甲烷气体,发热量大于8100大卡/m3,与常规天然气相比主要不同点如下: ①煤层气基本不含碳二以上的重烃,产出时不含无机杂质,天然气一般含有含碳二以上的重烃,产出时含...

黑山县18736174127： 1、煤层气是什么? - ？
禹岩金喉： 煤层气是由煤气作用生成的以甲烷为主要成份的天然气,主要以吸附形式存在于煤层孔隙中.煤层气藏是一种天然裂缝性气藏,一般埋藏深度在1000米以 内、基岩渗透性差,孔隙度一般小于5%.

黑山县18736174127： 煤成气是什么? - ？
禹岩金喉： 是天然气的重要组成部分.煤化作用是指煤中碳含量不断富集,氧、氢和氮却逐渐减少的过程.煤成气有两种生成机理:生物成因和热成因.根据煤化作用的程度,又可相应地分为成岩作用和后生作用两个阶段: ⑴ 成岩作用 发生在植物残体向泥炭的转化时期,温度不超过500C,甲烷主要来自微生物的分解,称为“生物成因甲烷气”,一般没有工业价值. ⑵ 后生作用 大部分甲烷形成在后生阶段.随着埋深增加,煤层温度和压力不断增大.甲烷主要来自有机物的深层热解作用,形成“热成因甲烷气”.在适当的地质条件下亦可形成工业性气藏. 在褐煤向烟煤转化的过程中,每吨煤可以约生成甲烷200 m3,从煤层向其它地层初次运移,于是煤成气出现两种情况:

黑山县18736174127： 如何开采煤层气 - ？
禹岩金喉： 煤层气不同于常规油气,它是以吸附态为主吸附于煤层孔隙中.目前开采煤层气的主要方式就是排水降压,通过抽取承压含水层中的水,使煤层孔隙中的气体获得更大的活动空间,由于PV=NRT,故活动的增大,使得的压力降低,当压力降到一定程度,甲烷气体就能从孔隙表面解吸出来,之后通过扩散到达裂隙系统中,最后渗流到井筒附近产出.再由气水分离器分离出气体,即可得到煤层气.

黑山县18736174127： 煤层气液化、煤制气液化和管道气液化,这三种液化天然气有什么区别? - ？
禹岩金喉： 煤层气主要由95%以上的甲烷组成,另外5%的气体一般是CO2或氮气,基本不含碳二以上的重烃,产出时不含无机杂质,煤层气是通过排水降低地层压力,使煤层气在煤层中解吸-扩散-流动采出地面,煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存...

黑山县18736174127： 煤层气是什么东西 - ？
禹岩金喉： 煤层气俗称“瓦斯”,其主要成分是CH4(甲烷),与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气,热值是通用煤的2-5倍,主要成分为甲烷.1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤,其热值与天然气相当,可以与天...

黑山县18736174127： 煤、石油、天然气是怎么形成的?要简答 - ？
禹岩金喉： 天然气 ________________________________________ 天然气系古生物遗骸长期沉积地下,经慢慢转化及变质裂解而产生之气态碳氢化合物,具可燃性,多在油田开采原油时伴随而出. 天然气蕴藏在地下约3000— 4000米之多孔隙岩层中,...

黑山县18736174127： 天然气是怎样形成的? - ？
禹岩金喉： 天然气和石油一样,都是重要的燃料和化工原料.它们一个是气体,一个是液体,人们将之统称为“油气”.天然气和石油常常埋藏在一起,气轻在上面,油重在下面,人们将这种天然气叫做“油田伴天然气”;当然,天然气也可以单独生存,...

黑山县18736174127： 石油和天然气是如何形成的? - ？
禹岩金喉： 世界上对石油的成因存在着不同的观点,从18世纪70年代到现在,先后有几十种假说,大致可分为无机生成学说和有机生成学说两大派.当前,石油地质学界普遍承认,石油和天然气的生源物是生物,特别是低等的动物和植物.它们先后聚集于...

黑山县18736174127： 什么是煤层气? - ？
禹岩金喉： 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、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气,是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料