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煤层气地质与勘探开发天然气的形成及分类（一）概念及分类所谓天然气，广义上是指自然界中存在的一切气体。它们可有不同的成因和产状。前苏联学者V.A.Cokolov（1971）根据天然气存在的环境和化学成分将其分为8类：大气、地表气、沉积岩中的气体、海洋中气体、变质岩中的气体、岩浆岩中的气体、火山气体、宇宙气。目前研究较多并作为矿产资源开发的天然气，是指赋存于沉积岩中的天然气，其成分以气态烃为主，大部分气体都是沉积岩中处于分散状态或富集状态的有机质转化而来。这也是我们所要研究的天然气（狭义）。根据天然气的成因、产状和化学组成，可对天然气进行分类。按照天然气的成分，可分为烃类气体和非烃类气体。在常温和常压下以气态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和异丁烷。除甲烷外，其余烃类气体称为重烃气。当天然气中甲烷含量大于95%时称为干气；而重烃含量大于5%，一般比重不小于50～100g/cm3的天然气称为湿气。世界上85%的气藏含烃量超过80%，仅有4%的气藏含烃量小于25%。非烃类气体主要是CO2、N2、H2S、He和H2。按照天然气的成因可分为有机成因气体和无机成因气体。有机成因气体如生物气、油田气、煤成气、煤层气等，无机成因气主要是与岩浆岩、变质岩、火山作用有关的气体。此外，天然气存在的相态亦有不同，可以是气态、液态（溶解于水中）、和固态，按其产状可分为游离气、溶解气、吸附气以及固态气水合物。游离气是指以游离分子存在的气体，如油藏中的伴生气、气藏气、凝析气。溶解气即溶解于石油或地下水（包括热泉）中的天然气。当水体中溶解的烃类气体相当大时，本身就可作为天然气藏开采。如东非基伍湖底部水中溶解的CH4和CO2气量高达570×108m3。地下水中溶解的高异常烃气，可作为油气藏地表地球化学勘探的标志。吸附气是吸附于岩石、煤中有机质表面的气体，不仅吸附在内表面，甚至吸附在微孔隙的内表面。吸附气量的多少取决于物质的表面活性以及温度和压力。例如煤对甲烷吸附能力比泥岩大几十倍，而泥岩的吸附能力又远大于灰岩和砂岩。天然气水合物是在一定的特殊温度和压力条件下形成的固态结晶化合物。成气和成油是两个既有联系又有区别的过程。有机成因的气体主要是气态烃，与石油一样，是分散和富集型有机质演化成熟过程中特定阶段的产物。因此，油和气常常是同时产出的。但是，生气过程又以多成因、多来源和多阶段为特色区别于生油过程。所谓多成因就是既有无机成因，又有有机成因，既可是微生物生物化学作用的产物，又可是热催化-裂解和热裂解作用的产物。多来源是指成气的原始有机质比成油物质多样，腐泥型有机质、腐植型有机质、煤都可以生成天然气。多阶段性是生气过程的另一特征。液态烃的形成局限在深成作用阶段，而天然气的生成却贯穿于成岩阶段、深成阶段直至准变质阶段的始终。因此，生气过程是在更为广泛的热动力条件下进行的自然过程。然而由于天然气更易运移，难于保存，也给研究带来了一定困难。对于无机成因的甲烷气形成聚集的可能性也是不可忽视的。（二）煤系气的成因1、概念煤系气是指煤系地层在煤化作用过程中生成的天然气。我国有着极为丰富的煤炭储量，因此煤系气的勘探有着巨大的潜力。煤系气经过运移，呈游离状态聚集在浅部沉积岩储层中，称为煤成气，也叫浅层天然气。煤系气生成之后，基本没有经过运移或只经过少量运移，呈吸附状态赋存在煤层中，就是煤层气，也叫瓦斯。煤层瓦斯灾害是我国最主要的煤矿灾害之一。瓦斯气就是煤层气，它是以甲烷为主的混合气，一般甲烷含量达到90%以上，其次是氮气和二氧化碳，其它气体含量很少。2．煤系气的成因煤系地层含有丰富的腐植型有机质（Ⅲ型干酪根），它们可呈高度集中状态，如煤层、煤线或透镜状的煤；也可呈分散状态存在于炭质页岩或泥岩中。这两类有机质在成煤过程中都可形成天然气，这就是煤系气。腐植煤的生气过程，也就是煤成气和煤层气的形成过程。从古代植物遗体埋藏后直到形成煤系列，大致可以分为两个阶段：泥炭化阶段和煤化作用阶段。泥炭化阶段对应于生油岩的成岩阶段，形成的天然气属于生物气范畴。煤化作用阶段是从泥炭向褐煤、烟煤、无烟煤以至半石墨方向演化的全过程，与生油过程平行。随着埋深加大，在温度、压力和时间因素的作用下，以腐植型为主的有机质经历了一系列的物理化学变化，形成了不同类型的煤。随着煤阶的升高，依次为褐煤、长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤。煤是由稠环芳香核、桥键和烷基侧链组成的大分子聚合物。成煤的有机质主要是富含杂原子的纤维素和木质素。煤化作用的实质就是腐植型有机质脱氧、去氢、富集碳的过程。芳核上链接的不稳定官能团，尤其是含氧、含氮的官能团，如羧基、羟基、胺基以及甲氧基的脱落，富氢的烷基侧链断裂，芳香核不断缩合，以CH4、CO2、H2O、N2、H2S等挥发性物质排出形成了煤系气。在烟煤与无烟煤阶段，煤中主要组分——镜质组的结构及物理化学性质发生一系列变化。煤的演化途径类似于Ⅲ型干酪根，初期以O/C原子比下降为主，后期则以H/C原子比下降为主。煤系气是贯穿于整个煤化作用过程的产物。（三）煤系的生（油）气阶段及生气量煤系地层形成的天然气（油）成分及数量，取决于煤和分散型有机质的数量、煤中各种显微组分的相对比例以及煤化程度。在煤化作用的不同阶段，生气（油）的成分和数量有很大差别。根据煤化作用模拟实验成果，煤生气、成油可以分为三个阶段。第一阶段：为从褐煤到长焰煤阶段。该阶段生成的天然气最多，但其成分以CO2为主，占天然气体积的70～90%，烃类气体所占比例小，一般低于20%，但绝对量大，每吨煤可达2.1～4.8m3。烃气中以甲烷为主，重烃含量甚微。此外还有少量N2和H2。此阶段是甲烷气生成的第一高峰期。第二阶段：为从长焰煤后到焦煤阶段。该阶段生气量锐减。其中烃类气体含量比例增加到70～80%。尽管气态烃中仍以甲烷为主，但重烃含量明显增加。当煤中稳定组分有相当数量时（大于20%）就可形成有开采价值的原油。所以该阶段就是煤成油、湿气阶段。第三阶段：为从焦煤后到无烟煤阶段。该阶段生气量略有上升，其中以甲烷为主，占80～90%，几乎没有重烃。CO2量甚少。该阶段是主要的生甲烷期，也就是干气带。煤中不同的显微组分对生烃有着不同的贡献。壳质组含氢量最高，挥发物含量也最多。是形成烃类尤其是重烃以及原油的主要物质。它从长焰煤阶段就开始形成甲烷和重烃，在气肥煤阶段重烃产率最高，以后又产出大量甲烷气，一直持续到无烟煤阶段。壳质组中的树脂体组分能形成未成熟—低成熟度凝析油。镜质组含挥发物较少，初期只形成较多的CO2和H2O，从气煤—肥煤阶段才开始生成烃类，主要是甲烷，也有少量的液态烃。丝质组含氢量最低，挥发物最少，仅在气煤—肥煤阶段才开始生成烃气，而且主要是甲烷。所以，煤的生烃量取决于这三种组分所占的比例。综合上述可知，煤不仅可以作为生气岩，而且在壳质组富集时也可以作为生油岩。所谓煤的沥青化作用，就是指壳质组和镜质组在褐煤到肥煤阶段（Ro=0.5%～1.2%）形成沥青的作用。这些沥青类似于石油烃，多数为镜质组所吸收，少部分作为“渗出沥青体”充填在镜质组裂隙之中。它是煤成油作用的标志。各煤岩显微组分组热模拟产气量曲线图1．水城壳质组（E）2．米泉镜质组（V）3．永荣镜质组（V）4．水城镜质组（V）5．淮南镜质组（V）6．水城惰质组（I）7．米泉惰质组（I）煤热模拟气、液态产物产率与温度关系我国主要含煤地层煤层产气率数据表产气率(m3/t)褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤煤气发生率38-68*41-9348-12265-17093-238140-314172-401306-401镜质组产气率38-6841-9348-12264-213166-276232-299252-391324-432壳质组产气率57-10262-14072-18390-335241-390307-415320-496387-522惰质组产气率27-4829-6634-18638-143112-220174-231187-298267-319中国各地煤层烃气产量图有机质演化阶段及成烃模式中国成煤期—成煤区域关系