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(chǔ)集在煤層及其臨近巖層中的一種自生自儲(chǔ)式非常規(guī)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(diǎn)，它主要受控于煤層厚度、煤變質(zhì)程度、封蓋條件、水文地質(zhì)條件和煤層埋藏深度。

關(guān)鍵詞：煤層氣 成因 形成條件 組成

中圖分類號(hào)：P61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（c）-0066-01

煤層氣也稱煤層瓦斯，它是儲(chǔ)集在煤層及其臨近巖層中的一種氣體礦產(chǎn)資源。研究表明]，煤層氣的成分以甲烷為主，這類礦產(chǎn)是煤化作用過(guò)程中的特殊產(chǎn)物并主要以吸附態(tài)的形式賦存于煤層之中。作為一種自生自儲(chǔ)式非常規(guī)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(guó)21世紀(jì)的重要替代能源之一。隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，煤層氣已被廣泛用作發(fā)電、汽車燃料、制甲醇及碳黑等，其組成、成因及儲(chǔ)存條件等也因此越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。鑒于此，該文對(duì)前人研究成果進(jìn)行了整理，總結(jié)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(guī)天然氣基本一致，其中：甲烷的含量一般為85%～93%，重?zé)N（如C2H6等）含量多介于1.0%～14.1%，氮?dú)夂孔兓秶笄彝ǔ５陀?0%，CO2含量多低于2%。據(jù)報(bào)道，煤層氣的熱值為35800 kJ/m3，由于重?zé)N含量較少，因而煤層氣的熱值略低于常規(guī)天然氣（天然氣發(fā)熱量為37680 kJ/m3）。作為一種特殊的礦產(chǎn)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(kāi)采而散失。

（2）不均性。煤層氣的質(zhì)和量以及煤儲(chǔ)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(huì)逐漸消耗殆盡。

2 成因類型

從泥炭到煤的形成過(guò)程中均存在氣體的產(chǎn)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(guò)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(fù)雜作用過(guò)程導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解作用而形成的，具體包括：

（1）原生生物氣。這對(duì)應(yīng)了煤化作用早期，形成過(guò)程需要低溫（T<50 ℃）、埋藏淺（小于400 m）和細(xì)菌作用等條件。微生物分解有機(jī)質(zhì)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(fā)酵兩種方式，其主要條件是低溫、缺氧、低硫酸鹽濃度、有機(jī)質(zhì)豐富、高pH值及足夠的空間。

（2）次生生物氣。當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層抬升，活躍的地下水系統(tǒng)和大氣淡水構(gòu)成了有利于微生物活動(dòng)的環(huán)境。在偏低溫條件下，微生物的降解和代謝導(dǎo)致煤層中形成了濕氣、甲烷及其它有機(jī)物進(jìn)而生成次生物成因氣（如CO2和CH4）。次生生物氣生成和儲(chǔ)存需要復(fù)雜的條件，這包括區(qū)域隆起或抬升、煤層埋藏并煤化到褐煤或較高煤級(jí)、盆地邊緣有流水回灌到煤層中、適宜的滲透性、有高儲(chǔ)層壓力、有細(xì)菌進(jìn)入煤層和圈閉條件。

2.2 熱成因

隨著煤變質(zhì)程度的不斷加深，當(dāng)煤化進(jìn)入長(zhǎng)焰煤階段就開(kāi)始了熱生氣階段。煤化作用導(dǎo)致二氧化碳和水不斷的消耗及煤層氣的增加，這持續(xù)到無(wú)煙煤Ⅱ、Ⅲ號(hào)階段結(jié)束。詳細(xì)的氣體生成階段可大致劃分如下：

（1）熱降解氣，這主要發(fā)生在煤化作用的“長(zhǎng)焰煤→瘦煤”階段。這些化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生于低于250℃的熱力作用下，該過(guò)程形成大量的烴類物質(zhì)且以“生氣為主、生油為輔”。氣體以甲烷為主且重?zé)N含量逐漸增加。

（2）熱裂解氣，這主要發(fā)生在煤化作用的“瘦煤→無(wú)煙煤初期”階段。在大于 250 ℃的高溫條件下，殘余的干酪根、液態(tài)烴和重?zé)N會(huì)發(fā)生裂解生氣。氣體仍舊以甲烷為主且重?zé)N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(shù)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?jiǎn)涡毙?、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(fù)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(gòu)成了煤層氣藏的形成基礎(chǔ)，故煤層越厚越有利于形成煤層氣藏。

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

（3）封蓋條件。煤層氣藏的氣體為吸附態(tài)并且具有較低的氣藏壓力。這對(duì)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(zhì)條件。封閉水動(dòng)力系統(tǒng)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(duì)甲烷的吸附能力會(huì)因壓力的增加而增高，這種壓力主要來(lái)源于煤層的埋藏深度（即深度越大則壓力越大）。

4 結(jié)語(yǔ)

煤層氣是煤化作用過(guò)程中的特殊產(chǎn)物并主要以吸附態(tài)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(diǎn)。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(guò)成熟期。盡管煤層氣藏具有水壓?jiǎn)涡毙汀⑺畨合蛐毙?、氣壓向斜型、斷塊型、背斜型、地層-巖性型、巖體刺竄型和復(fù)合型8種類型，但是它們均主要受控于煤層厚度、煤變質(zhì)程度、封蓋條件、水文地質(zhì)條件和煤層埋藏深度。

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