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第三章 煤层气的成因 煤是成分与结构十分复杂的固体化石燃料，也是烃类气体的源岩和储集层。在成煤作用的泥炭化作用阶段、成岩作用和变质作用阶段以及后期煤层抬升阶段，在微生物、温度、压力的作用下，伴随煤（或泥炭）成分与结构的变化，都有烃类气体的形成。而不同阶段、不同成因类型的烃类气体具有不同的成分与同位素特征。 现今保留在煤层中的气体是经过运移和聚集的各种成因气体混合的产物，其成分和同位素组成不同于常规天然气，也不同于煤成气。这种独特的地球化学特征是各种原生因素和次生因素叠加作用的结果。 第一节 煤成烃机理 一、煤成烃的物质基础 二、煤的化学结构与双组分模式 煤化学结构的研究对了解煤的成烃机制具有非常重要的意义。 煤是由带有官能团(如-OH，=C=O， -COOH，-OCH3)和侧链（胺、大分子烃）的缩合芳香核为骨架的结构单元以网状桥键相连而组成的三维空间结构的大分子化合物，其结构参数包括：缩合芳香环数、芳香度、官能团分布、碳氢和杂原子分布及桥键等。 目前取得主要进展如下：⑴ 热解试验GC/MS表明，中煤级阶段镜质组大分子结构的变化主要从烷基酚结构（亚烟煤）向烷基苯和萘结构转化；⑵ Van Krevelen认为，在烟煤阶段每个结构单元平均芳香环数为4~5，而最近研究表明为1~1.5个，且在烟煤阶段，芳香环数增加很慢，直至半无烟煤—无烟煤阶段，才突然迅速增加；⑶ 在烟煤阶段，煤化学结构中范德华力和氢键比共价键更重要。 煤是具有分子筛结构的微孔状固体，其内部微孔隙中充满了煤化作用过程中形成的气、液态流动相。 煤不仅具有成烃的物质基础，而且具有容纳烃类物质的空间。然而，煤能否成为好的烃源岩和储集层，则主要取决于煤化作用程度，煤化作用过程中物理性质的变化（孔隙率、渗透性）影响烃类气体的赋存和运移，而烃类气体的产生则取决于煤化作用过程中的化学反应。 三、煤化作用的化学过程 煤化作用的实质是温度升高条件下的化学反应过程，烃类即为反应的部分产物。 煤化作用过程可用下式表示 ： C含量增加的过程，也就是富H、O物质的形成与排出过程。这个过程包含了键的断裂与重组，键断裂后形成的自由基团，最终形成自由分子。 Evolution of Methane Heat and pressure work together to increase coal rank Methane and water are released in the process Both methane and water can be trapped for future recovery using CBM/CMM 第二节 煤层气的成因 与天然气的成因相同，煤层气成因可以分为有机成因和无机成因两大类，且绝大多数情况下为有机成因。 国内外关于有机成因的煤层气研究相对深入，但还没有形成一个统一的分类方案，大体上将有机成因煤层气分为生物成因和热成因两类。 一、生物成因气 1、原生生物成因气 4）生物气的形成应满足两个条件：⑴ 要有丰富的有机质提供产气的物质基础；⑵ 具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。研究表明：在厌氧环境、低SO42-、低温（通常在50℃以下）、高pH值、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气会大量形成。 2. 次生生物成因气 二、热成因气 1. 原生热成因气 2. 次生热成因气 三、混合成因气 第三节 煤层气的成因判别 一、有机成因气的判别 二、无机成因气的判别 实例 1 新疆沙尔湖地区的原生生物成因煤层气 沙尔湖地区煤层气的地球化学组成特征 SS3井5个煤芯解吸气样的组分含量 组分含量：CH4：53.93～64.76%；C2H6：0.1～0.14%；C3H8：0.08～0.13%；N2：32.43～43.82%；CO2：1.23～2.15%；还含有微量的Ar。 C1/C1-n：0.996～0.997, C1/C2：436.2～577.6, 表现为特干煤层气。 7个煤层气样品的碳同位素组成 δ13C1 值的分布范围：－62.7～－61.5‰，几乎没有变化；沙尔湖煤层气的甲烷碳同位素组成都具有微生物成因甲烷的特征。 2 海拉尔护林－牧原区气样的地球化学组成特征 内蒙古东北部的海拉尔盆地一带，是我国最主要的褐煤分布区。在海拉尔盆地牙克石市以东的护林－牧原区新钻井（Ｙ１）采集了3个气样。 组分含量：CH4：89.08～89.27%；C2H6：均为0.15%；C3H8：0～0.01%；N2：9.96～10.07%；CO2：0.21～0.32%；Ar：0.18～0.19%，含有微量的He。 C1/C1-n均为0.998, C1/C2为593.9～595.1, 也为