煤層氣的成分及其成因及成藏條件綜述

張輝

摘 要：煤層氣是儲集在煤層及其臨近巖層中的一種自生自儲式非常規天然氣資源。它的組成以甲烷為主，這類資源的成因類型具有生物成因和熱成因兩類。煤層氣具有附生性、不均性和稀缺性等特點，它主要受控于煤層厚度、煤變質程度、封蓋條件、水文地質條件和煤層埋藏深度。

關鍵詞：煤層氣 成因 形成條件 組成

中圖分類號：P61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0066-01

煤層氣也稱煤層瓦斯，它是儲集在煤層及其臨近巖層中的一種氣體礦產資源。研究表明]，煤層氣的成分以甲烷為主，這類礦產是煤化作用過程中的特殊產物并主要以吸附態的形式賦存于煤層之中。作為一種自生自儲式非常規天然氣資源，煤層氣既屬于一種新型的潔凈能源，又屬于我國21世紀的重要替代能源之一。隨著科技的進步和研究的深入，煤層氣已被廣泛用作發電、汽車燃料、制甲醇及碳黑等，其組成、成因及儲存條件等也因此越來越受到人們的廣泛關注。鑒于此，該文對前人研究成果進行了整理，總結出了煤層氣的組成、成因及氣藏形成條件。

1 成分及特性

煤層氣是一種混合氣體并主要包括CH4、C2H6、N2、CO2及微量的CO和Ar。煤層氣的組分及含量與常規天然氣基本一致，其中：甲烷的含量一般為85%～93%，重烴（如C2H6等）含量多介于1.0%～14.1%，氮氣含量變化范圍大且通常低于10%，CO2含量多低于2%。據報道，煤層氣的熱值為35800 kJ/m3，由于重烴含量較少，因而煤層氣的熱值略低于常規天然氣（天然氣發熱量為37680 kJ/m3）。作為一種特殊的礦產資源類型，煤層氣主要具有如下一些特性：

（1）附生性。煤層氣以煤（碳）層為載體而共生并隨煤炭的開采而散失。

（2）不均性。煤層氣的質和量以及煤儲層的特征具有空間分布差異。

（3）稀缺性。作為能源和化工原料供人類使用的煤層氣會逐漸消耗殆盡。

2 成因類型

從泥炭到煤的形成過程中均存在氣體的產生。研究表明，煤層氣的成因類型大致可劃分為生物成因和熱成因兩類：前者主要形成于煤化作用的未成熟期，而后者則主要形成于煤化作用的成熟期和過成熟期。

2.1 生物成因

生物成因氣主要為甲烷，它是各種微生物的一系列復雜作用過程導致有機質發生降解作用而形成的，具體包括：

（1）原生生物氣。這對應了煤化作用早期，形成過程需要低溫（T<50 ℃）、埋藏淺（小于400 m）和細菌作用等條件。微生物分解有機質形成以CH4為主要成分的生物生成氣，原生物形成氣體具有CO2還原和甲基類發酵兩種方式，其主要條件是低溫、缺氧、低硫酸鹽濃度、有機質豐富、高pH值及足夠的空間。

（2）次生生物氣。當地殼運動導致煤層抬升，活躍的地下水系統和大氣淡水構成了有利于微生物活動的環境。在偏低溫條件下，微生物的降解和代謝導致煤層中形成了濕氣、甲烷及其它有機物進而生成次生物成因氣（如CO2和CH4）。次生生物氣生成和儲存需要復雜的條件，這包括區域隆起或抬升、煤層埋藏并煤化到褐煤或較高煤級、盆地邊緣有流水回灌到煤層中、適宜的滲透性、有高儲層壓力、有細菌進入煤層和圈閉條件。

2.2 熱成因

隨著煤變質程度的不斷加深，當煤化進入長焰煤階段就開始了熱生氣階段。煤化作用導致二氧化碳和水不斷的消耗及煤層氣的增加，這持續到無煙煤Ⅱ、Ⅲ號階段結束。詳細的氣體生成階段可大致劃分如下：

（1）熱降解氣，這主要發生在煤化作用的“長焰煤→瘦煤”階段。這些化學反應主要發生于低于250℃的熱力作用下，該過程形成大量的烴類物質且以“生氣為主、生油為輔”。氣體以甲烷為主且重烴含量逐漸增加。

（2）熱裂解氣，這主要發生在煤化作用的“瘦煤→無煙煤初期”階段。在大于 250 ℃的高溫條件下，殘余的干酪根、液態烴和重烴會發生裂解生氣。氣體仍舊以甲烷為主且重烴的含氣量較低。

3 氣藏形成條件

煤層氣藏是指在地層壓力作用下保有一定數量氣體的同一含煤地層的煤巖體。前人研究顯示，煤層氣藏具有水壓單斜型、水壓向斜型、氣壓向斜型、斷塊型、背斜型、地層-巖性型、巖體刺竄型和復合型8種類型，其形成條件主要包括：

（1）煤層厚度。具有一定厚度的煤層構成了煤層氣藏的形成基礎，故煤層越厚越有利于形成煤層氣藏。

（2）煤變質程度。煤的變質程度決定了煤層的生氣量和儲氣能力。變質程度太低的煤不利于形成煤層氣藏，變質程度太高則導致煤層儲氣能力消失而不會形成煤層氣藏。

（3）封蓋條件。煤層氣藏的氣體為吸附態并且具有較低的氣藏壓力。這對蓋層的要求雖然不如天然氣藏那樣苛刻，但良好的封蓋條件還是需要的。

（4）水文地質條件。封閉水動力系統下受阻形成的高壓是煤層氣藏形成的重要條件。

（5）煤層埋藏深度。煤層對甲烷的吸附能力會因壓力的增加而增高，這種壓力主要來源于煤層的埋藏深度（即深度越大則壓力越大）。

4 結語

煤層氣是煤化作用過程中的特殊產物并主要以吸附態賦存于煤層之中，它主要包括CH4、C2H6、N2、CO2。作為一種資源，煤層氣具有附生性、不均性和稀缺性等特點。在成因上，煤層氣大致可劃分為生物成因和熱成因兩類，它們分別形成于煤化作用的未成熟期和煤化作用的成熟-過成熟期。盡管煤層氣藏具有水壓單斜型、水壓向斜型、氣壓向斜型、斷塊型、背斜型、地層-巖性型、巖體刺竄型和復合型8種類型，但是它們均主要受控于煤層厚度、煤變質程度、封蓋條件、水文地質條件和煤層埋藏深度。

參考文獻

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