煤层气成因类型及影响因素

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1、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

2、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(CoalbedMethane,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)×

3、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8000～9000kcal/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

4、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(

5、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

6、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<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

7、这种观点的体现)。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，即有机质生气是一个连续的过程，煤层气也应如此。(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

8、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