国际煤层气组成和成因研究

国际煤层气组成和成因研究
李晶莹 陶明信
(中国科学院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室　兰州　730000)
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。
关键词　煤层气　成因类型　形成机理　组分和同位素组成
分类号　P618·130.1
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〔1〕。根据美国的报告,煤
层气的采收率为30%~60%,最高可达80%①。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
气体地球化学国家重点实验室科研基金资助项目。
　①　曹月华·煤层气开发技术与现状·天然气地球科学,1997,8(3):23~28.
　第一作者简介:李晶莹,女,1974年出生,硕士研究生,专业为石油和气体地球化学。
　收稿日期:1998-01-12;修改稿:1998-04-28。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280~350 m3(甚至更多)的甲烷及100~150 m3的二氧化碳析出〔2〕。
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)。
表1　生物成因和热成因煤层气产生的阶段〔3〕
煤层气产生阶段镜质体反射率(%)
原生生物成因甲烷<0.30
早期热成因0.50~0.80
最大量的湿气生成0.60~0.80
强热成因甲烷开始产生0.80~1.00
凝析油开始裂解成甲烷1.00~1.35
最大量的热成因甲烷生成1.20~2.00
大量湿气生成的最后阶段1.80
大量热成因甲烷生成的最后阶段3.00
次生生物成因甲烷0.30~1.50+
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〔1〕。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〔1〕。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〔4〕。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<0.3%为原生生物气的界限值,而热成因气开始生成的Ro值为0·5%
(表1);Palmer则将(原生)生物气和热(成因)解气的Ro临界值定为0·5%(图1);Rice〔1〕则
认为热成因气的形成始于0·6%左右。之所以出现这种差异,是因为传统的天然气成因理
论认为,生物气一般形成于Ro值为0·3%以前,而热解气则形成于Ro值在0·6%~0.7%
之后,即生气母质在Ro值0.3%~0.6%的热演化阶段不生气(表1即是这种观点的体现)。
468 地球科学进展 第13卷但近若干年来的研究表明,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气田),这一阶段所生成的气体称为生物—热催化过渡
带气〔5〕,即有机质生气是一个连续的过程,煤层气也应如此。
图1　煤

化作用阶段及气体生成〔6〕
(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〔1,3〕。
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〔7〕。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〔3〕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
469第5期 李晶莹等:国际煤层气组成和成因研究 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〔1〕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4 419·38m(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+1·86%。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〔1〕。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〔8〕。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〔8,9〕。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〔10〕。
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
470 地球科学进展 第13卷成较干的气体。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〔1〕。
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〔1〕。
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δ13C值有关,甲烷的δD值和地层水的δD值有关〔1〕。
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δ13C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。
471第5期 李晶莹等:国际煤层气组成和成因研究 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〔1〕;
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〔1〕。
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〔11〕。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。