煤层气成因类型及影响因素

煤层气成因类型及影响因素

摘要:煤层气已成为一种新兴的非常规天然气资源。煤层气是成煤物质在煤化过程中生成并储集于煤层中的气体。按其成因类型分为生物成因气和热成因气。生物成因气有原生和次生两种类型，原生生物成因气一般在低级煤中生成，很难保存下来。次生生物成因气常与后来的煤层含水系统的细菌活动有关。热成因煤层气的生成始于高挥发份烟煤(Ro=0.5%～0.8%)。与分散的Ⅰ/Ⅱ型或Ⅲ型干酪根生成的气体相比，煤层气的地球化学组成变化较大，反映了控制煤层气组成和成因的因素多而复杂，主要的影响因素包括煤岩组分、煤级、生气过程和埋藏深度及相应的温度压力条件。此外，水动力等地质条件和次生作用等也影响着煤层气的组成。

煤层气，又称煤层甲烷(Coalbed Methane, 简称CBM) ，俗称煤层瓦斯，指自生自储于煤层中的气体，成分以甲烷为主，含少量其它气体成分。在长期的地下采煤过程中，这种气体一直被视为有害气体。70年代末，由于能源危机，美国政府采取税制优惠政策，鼓励煤层气的开发工作，从而推动了煤层气的研究和开发试验工作，并于80年代初取得重大突破，成为第一个进行大规模商业性生产的国家，证实了煤层气资源的巨大价值与潜力，从而引起煤层气研究的全球性热潮。据估计，全世界煤层气的资源量可达(84.9～254.9) ×1012m3。根据美国的报告，煤层气的采收率为30%～60%，最高可达80%。煤层气的发热量也很高，达8 000～9 000 kcal/m3，相当于常规天然气的90%以上。煤层气属洁净能源，甲烷含量一般在80%～90%以上，燃烧时仅产生少量CO2。因此，煤层气是一种潜力巨大的非常规天然气资源。而且，采煤前排出煤层中的气体，也有利于地下采煤的安全和大气环境的改善。

1 煤层气的成因类型与形成机理

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。生成的气体分别称为生物成因气和热成因气(表1) 。

1.1生物成因气

生物成因气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它成分的气体。生物成因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。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。按照生气时间

和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(泥炭到亚烟煤) 经细菌等有机质分解等一系列复杂过程所生成的气体。由于泥炭或低变质煤中的孔隙很有限，加之埋藏浅、压力低，对气体的吸附作用也弱，故一般认为原生生物成因气难以保存下来。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，A.R.Scott 等以Ｒo

(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。在相对低的温度下(一般小于50 ℃) ，细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气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代一般较晚(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：①煤级为褐煤或褐煤以上；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。

1.2 热成因气

当温度超过50 ℃，煤化作用增强，煤中碳含量丰富起来，而大量富氢和富氧的挥发份释放出来(去挥发份作用) ，其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等。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。热成因气体的生成一般分为早期阶段和主要阶段(也称为晚期阶段) 。

(1) 早期阶段

Scott 认为煤化作用早期阶段，从高挥发份烟煤(Ｒo 介于0.5%～0.8%之间，表

1) 中生成气体。气体的一般特征是含有较多的乙烷、丙烷及其它湿气成分。其中湿气生成阶段(Ｒo 值为0.6%～0.8%)产生的煤层气中的干燥系数低于0.80，且乙烷含量可能超过11%。

(2) 主要阶段

根据美国和德国各种煤层的资料，假定只有甲烷和二氧化碳从煤中释放出来，则大量有工业价值的煤层气在煤的Ｒo 值介于0.7%～1.0%之间时生成。即煤级达到高挥发性A 烟煤(Ｒo=0.74%～1.0%)时，有显著数量的热成因甲烷生成，在Ｒo 值为1.2%前后处于生气高峰期(图1) 。

2. 煤层气的组分与同位素组成特征

Rice 总结了世界各地煤层气的组分和同位素组成资料，所有气样都采自煤层中，而不是采自相邻的储层中。另外，气体除了直接采自矿井外，还有两个补充源：煤样解吸气和地面开采的煤层气。煤样解吸试验的方法是，取煤芯或煤粉快速置于一个密闭容器中，经过几天到几个月时间的脱气作用，收集释放出来的气体进行测试。

气体样品采自年代从晚石炭世宾夕法尼亚组到第三纪的煤层中。煤级从褐煤到无烟煤(Ｒo=0.3%～4.9%)。含气煤层的深度从121.91m(地下矿井) 到4

41938m(钻孔) 。从Rice 的研究可以看出，世界各地煤层气的组分和同位素组成差异很大。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。

煤层气的同位素组成也有较大差异。甲烷的δ13C 值分布范围很宽，在-8%～-1.68%之间；乙烷的δ13C 值介于-3.29%～-2.28%之间；甲烷的δD 值分布在-33.3%～-11.7%之间；二氧化碳的δ13C 值从-2.66%到+1.6%。从煤样中解吸出的甲烷的δ13C 值比开采气或自由(游离) 气体中甲烷的δ13C 值高出几个千分点。这是因为在解吸作用过程中，发生同位素分馏作用，13C 富集到了解吸气体中。

此外，在同一盆地中，变质程度相同的煤，其中的煤层气的组分和同位素组成也有变化。

总之，煤层气是经过漫长的演化过程形成的。其组份和同位素组成受各种复杂因素的影响而不断发生变化，从而造成世界各地煤层气的组分和同位素组成千差万别。

3. 影响煤层气地球化学组成和变化的因素与机理

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。此外水动力等地质条件和次生作用(如混合、氧化作用) 等也影响煤层气的组成。

3.1 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质(Ⅲ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。壳质组通常富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力。近来的岩相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。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。

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δ13C1值较大，而前者甲烷和乙烷的δ13C 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。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δ13C 值。

3.2煤变质程度(煤级)

煤的变质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，生成的气体量也增多。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δ13C 值和相关煤的煤级有一定关系。通常低变质煤生成的煤层气中甲烷的δ13C 值较小，高变质煤生成的煤层气中甲烷的δ13C 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(δD 值较大) 和13C(δ13C1值较大) 。

3.3 生气过程

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δ13C1值较小，甲烷的δ13C1值一般介于-5.5%～-9.0%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δ13C 值介于-5.5%～-11%之间) ，且富氘(δD 值介于-15%～-25%之间) ；有机酸发酵作用生成的甲烷碳同位素则较重(甲烷δ13C 值在-4%～-7%之间) ，且消耗氘(δD 值在-25%～-40%之间) 。但要注意，二氧化碳还原生成甲烷的δ13C 值和CO2基质的δ13C1值有关，甲烷的δD 值和地层水的δD 值有关。

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变质程度更高的煤中；②随着煤化程度的提高，重同位素13C 在甲烷和乙烷中富集(甲烷δ13C 值大于-5.5%)；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12C-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δ13C1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-25%)。

3.4 埋藏深度及相应的温压条件

煤层埋藏深度和煤层气甲烷δ13C 值有一定关系。一般来说，随煤层埋藏深度的增加，煤层甲烷的13C 值呈增大的趋势。和深层煤层气相比，浅层煤层气为较干气体且所含甲烷的δ13C 值较小。从世界各地的资料看，在煤阶相同或相近的情况下，δ13C1值较小的煤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。

3.5 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, 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δ13C 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化；③喜氧菌的活动造成甲烷的氧化和消耗，使残留甲烷的δ13C 和δD 值增大。

3.6 水动力等地质条件

在一些地区，水动力等地质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。 总之，煤层气是一种潜力巨大的资源，可能成为未来重要的能源之一，研究煤层气的组成和成因，对于评价煤层气资源，指导煤层气的勘探开发和合理利用都具有重要的意义，在煤层气组成及成因研究方面，尚存在一些问题，需进一步研究探讨