煤成氣

煤成氣是指煤系內有機質生成的天然氣，包括：煤層內呈富集狀態的有機質和岩層（主要是暗色泥岩）內呈分散狀態的有機質生成的天然氣。煤型氣屬腐殖型氣，其成分以甲烷為主。其中煤層又以上古生界石炭－二疊系地層最為發育。

基本介紹

• 中文名：煤成氣
• 外文名：coal generated gas
• 學科：煤層氣地質學
• 別名：煤型氣、煤系氣
• 成因：生物成因和熱成因
• 分類：煤層氣、煤出氣

簡介

煤成氣又稱煤型氣、煤系氣。指成煤環境下形成的沉積物（含煤建造及亞含煤建造）在煤化作用過程中熱成因形成的天然氣。包括：①含煤地層中煤、炭質頁岩、油頁岩、含有機質的泥岩產生的天然氣；②含煤地層中的腐殖型有機質及腐殖一腐泥型、腐泥型有機質產生的天然氣；③既有煤變質產生的氣，也含有含煤地層中生成的液態烴變質形成的氣。一般認為在泥炭化階段形成的烴類氣體屬於生物成因，稱為細菌氣，不包括在煤成氣之內。

煤成氣的形成

煤成氣是由聚集有機質在成煤作用過程中逐漸煤化或演化產生的。從煤化作用階段、方式和甲烷生成機理考慮，煤成氣的生氣機制有生物成因和熱成因兩種。其中，按其所處的煤化作用階段，生物成因氣進一步分為原生生物氣和次生生物氣；熱成因氣進一步分為早期熱成因氣和（狹義）熱成因氣。一般認為，熱成因氣是煤成氣的主要來源。而低煤級煤層氣藏的氣源主要來自早期熱成因氣，次生生物氣常是重要的氣源構成部分，原生生物氣不易保存。

生物成因氣

成煤過程初期的泥炭化作用階段，泥炭沼澤為富水常溫的還原環境，微生物活動旺盛。在強烈的生物化學作用下，植物有機質在轉變成泥炭的同時，還遭受厭氧細菌分解產生以甲烷為主的氣體，這樣生成的煤成氣稱為生物成因氣。另外，煤層經聚煤期後構造抬升或剝蝕作用，也可再次遭受生物化學作用而產生生物成因氣。

生物成因氣是微生物地球化學作用的產物，其通過兩個途徑生成：一是還原二氧化碳；二是甲基型有機質發酵。

生物成因氣最早形成於R_o,max<0．5%、有機質演化未成熟階段。此時，在泥炭沼澤缺氧、低硫酸鹽、低溫、高pH值、適當孔隙空間、富含有機質的快速沉積環境中，溫度一般認為不超過50℃，生存有大量微生物，生物化學作用強烈，植物有機質在厭氧細菌作用下降解、發酵，生成生物降解氣，形成主要成分為甲烷和二氧化碳的煤成氣。這一時期由生物降解生成的氣稱為原生生物氣，因儲集層（煤層及頂底板岩層）埋深較淺，生儲蓋不完善，沒有良好的氣藏封閉，生氣不容易大量保存，難以成為重要的煤成氣源。

生物成因氣還可產生於成煤之後。當構造抬升和剝蝕作用使煤層出露地表或被鬆散沉積物覆蓋，埋藏變淺與大氣、水相通，煤層中可再次形成有利於微生物活動的環境。此時地下水和大氣降水可將補給區的細菌運移到煤層內，並對煤層內的熱成因氣和其他甲基型有機化合物降解形成生物降解氣。這一時期生成的生物降解氣稱為次生生物氣。次生生物氣形成於正常煤化作用終止以後，往往是在近代地質時期內形成的，在各種煤級的煤層中都可以發生，一般以為0．3%<R_o,max<1．5%範圍的煤級最為主要。如果有適宜的氣藏保存條件，次生生物氣常能形成重要的煤成氣田。

熱成因氣

在成煤過程中，隨著煤層埋藏深度的增加，地溫逐漸升高，微生物活動漸趨停止，煤化作用因溫度和壓力的增高而增強，在褐煤轉化為煙煤、無煙煤的同時，溫度促使煤有機物熱解，經物理化學反應而析出甲烷、二氧化碳、水和少量重烴。這樣生成的煤成氣稱為熱成因氣。

熱成因氣是沉積有機質經物理地球化學作用“煤化或演化”的結果，其形成可從泥炭階段延續至無煙煤階段。煤的有機質在其煤化或演化的各個階段中，都可通過熱降解作用和熱裂解作用生氣，但各階段的生氣機理和生氣成分不盡相同，即熱成因氣的生成與沉積有機質演化階段的成熟度或煤化作用程度的階段有關。

早期熱成因氣產生於煤變質作用初期，相當於有機質演化的成熟階段的低端隨著埋深的增加和地溫梯度的增高，煤層經受的溫度和壓力隨之增加，煤發生熱演化和變質作用。在煤變質作用之初，煤有機質的芳構化程度較低、有大量帶側鏈的官能團，由於受熱發生降解作用，側鏈或官能團斷裂，生成重烴分子和CH₄、CO₂、H₂O等小分子，同時煤有機大分子的芳構化程度提高，CO₂被水溶解帶走或被進一步還原為CH₄，從而形成以甲烷為主要成分的煤成氣。

晚期熱成因氣產生於煤變質作用的大部分時期，相當於烴源岩演化的成熟階段的高端、高成熟階段(和過成熟階段。在煤成烴的有機質演化成熟階段，熱成因氣的生成是煤有機質早期熱降解作用的繼續，並達到熱降解速率的高峰，生成的氣體中CH₄的比例急劇升高、CO₂的比例急劇下降，並有大量重烴氣和液態烴的生成；在煤成烴的有機質演化高成熟階段，熱成因氣以熱降解生氣為主，但熱降解作用呈減弱趨勢，熱裂解作用逐漸增強，生氣大部分源於煤分子側鏈或官能團的脫落，一部分來源於已生成或正在生成的液態烴或重烴氣的熱裂解；在煤成烴的有機質演化過成熟階段，熱成因氣以裂解作用生氣成為主導，當Ro,max>2．5%以後，全部為熱裂解成因生氣。熱成因氣主要源於已生成的液態烴或重烴氣的熱裂解，部分源於煤分子或重烴分子側鏈的脫落。

煤成氣的分類

煤成氣生成後主要賦存於含煤沉積的各類儲層中，亦可運移到非煤系儲層中。根據煤成氣儲存體岩石的性質、運移特徵、聚散性和工業意義等，可按其賦存狀態將煤成氣劃分為煤層氣和煤出氣兩大類。

1、煤層氣

煤層氣是指儲存在煤層的微孔隙和裂隙中的，基本上未運移出生氣源岩煤體的煤成氣。煤層氣生於煤層，並不需要初次運移，或基本未運移出生氣源岩煤層，是儲集於煤層內的煤成氣，屬典型的自生自儲式的非常規天然氣藏。

由於煤層較緻密，透氣性差，吸附性強，儲集在其中的煤成氣大部分以吸附狀態被吸附在裂隙的表面和煤層的微孔隙內，通常不易解析出來。有時有少部分煤成氣的氣體分子往返運動於煤層的內生和外生裂隙內，呈游離狀態儲集在煤層中，甚至可聚集成瓦斯包，造成採煤中的瓦斯突出災害。煤層氣在適當的地質條件下亦可形成工業性氣藏，是現在能源勘查、開發的主要對象。

2、煤出氣

煤出氣是指從生氣源岩（煤層、炭質泥岩、泥岩）中擴散、運移出來的那部分煤成氣。煤出氣占煤成氣的絕大部分，據其聚散性可細分為聚煤氣和散煤氣。

聚煤氣是聚集的煤成氣的簡稱，指從生氣源岩中運移出來且聚集儲存於其他儲層（如砂岩、礫岩、灰岩）中的那部分煤出氣。聚煤氣在煤出氣中只占很少一部分，但可以聚集起來成為有工業價值的煤成氣藏，是以往天然氣勘探和開發的主要氣藏。散煤氣則是指從生氣源岩中運移出來的、以游離狀態或溶解於地下水裡而分散儲存在生氣源岩以外的圍岩中的那部分煤出氣。散煤氣在煤出氣中占絕大部分，但在目前的技術條件下還很難收集開採利用。