一、煤层气的涵义及其边界
煤层气是一种非常规天然气藏，具有与常规天然气藏迥然不同的特征，直接将天然气藏的概念应用于煤层气显然不妥。根据煤层气的具体特征，结合前人的定义，本书将煤层气定义为“受相似地质因素控制，含有一定资源规模，以吸附状态为主的煤层气，具有相对独立流体系统的煤岩体”。由于煤层气与其他非常规气藏一样，大面积连续分布，因此它也是连续性气藏的一种。
通过对国内、外典型煤层气的系统解剖，将煤层气边界系统归纳为五类:水动力边界，风氧化带边界，断层边界，物性边界，岩性边界。
水动力边界:以吸附态为主的煤层气大部分通过地下水静水压力作用得以赋存，同时地下水的补给、运移、滞留、排泄控制了煤层气聚集的基本单元。因此，地下水动力条件是煤层气富集成藏的决定性因素之一。水动力边界可细分为地下水分水岭和水动力封堵两种类型。地下水分水岭的存在使其两侧的煤层气处于不同的流体流动单元，分属不同煤层气。这类边界在美国Utah州的中东部和中国的沁水盆地南部存在。地下水分水岭的形成受构造控制，一般为背斜的轴部。水动力封堵边界是最常见的煤层气边界，几乎所有的煤层气都存在。以地下水沿煤层露头补给、向深部运移、形成一定高度的地下水水位、促使煤层气在滞留区富集为主要表现形式。水动力封堵的机理为:要使储层内保存一定量的煤层气，就必须具备一定的储层压力，即地下水静水位面(对应于储层压力)具有一定的高程。可见，水动力边界是一个间接反映含气量的边界，也是一个随地下水位变化的动态边界。
风氧化带边界:是一个取决于煤层气组分组成的边界，由于地下水水位下降，煤层气沿露头散失和空气混入使得煤层气组分组成发生变化，甲烷含量降低，二氧化碳、氮气含量增加。一般将甲烷浓度80%作为风氧化带底界，如沁水盆地南部风氧化带边界以上甲烷浓度急剧下降(图4-19)。因此，从某种程度上说风氧化带是一种人为划定的边界。
图4-19 沁水盆地南部风氧化带边界的确定
断层边界:断层作为重要的煤层气侧向边界可区分为封闭性断层和开放性断层。封闭性断层的封闭机制是断层带岩体的排替压力必须大于储层压力，有4种作用方式:泥岩涂抹作用加强了断层的封闭性，断层两侧岩性配置因断层的落差和与煤储层对接的岩层排替压力而不同，强烈的颗粒碎裂作用和成岩胶结作用是造成断层封闭的基础。开放性断层的封闭性取决于断层带静水压力的大小，富水性强、静水压力高有利于煤层气保存，否则将引起煤层气散失，这与水动力封堵边界的作用机理相同。
物性边界:当煤体在构造应力作用下破坏为糜棱煤、物性变差、排驱压力显著增大时，对煤层气的扩散运移将起到阻止作用。同时糜棱煤本身含气量高、储层压力高，阻止了邻近煤体煤层气的浓度扩散运移散失。这类边界往往与断层边界共生，沿断层带分布，对于提高开放性断层的封闭性具有重要意义。不同性质的断层、断层的上下盘都会产生不同宽度与不同破坏程度的煤体。随着煤层气开发和煤炭开采的实践，此类边界越来越受到人们的重视。
岩性边界:岩性边界是指位于煤层尖灭带的边界，这类边界可以分为两种情形:一是位于煤层尖灭带的岩性具有较大的渗透率，排驱压力低，如砂岩、裂隙孔隙发育的灰岩等，煤层气将难以在煤层内聚集，易逸散，不利于保存;二是位于煤层尖灭带的岩性具有较低的渗透率，如泥岩、粉砂岩等，该岩性边界具有较高的排驱压力，有利于煤层气的保存。
二、煤层气地球化学特征
煤层气地球化学分析数据主要来自煤岩解吸气、瓦斯抽放气及井口排采气等样品，前两者数据的分布范围较宽。张新民等(2002)统计了我国不同地质时代和各种煤级的358个井田(矿)煤层气组分6000余组数据，结果显示，煤层气组分构成以CH4为主，其含量变化范围为66.55%～99.98%，一般为85%～93%;CO2含量为0～35.58%，一般＜2%;N2的含量变化很大，但一般＜10%;重烃气含量随煤级不同而变化。Scott等(1993，1994)对美国煤层气井的795个气样的分析结果表明，煤层气的组分及其平均含量为:CH4占93.2%，C2+(重烃)占1.6%，CO2占4.4%，N2占0.8%。从前人统计数据看，井口排采的煤层气无论是热成因气(如黑勇士盆地、沁水盆地等)，还是生物成因气(如粉河、阜新盆地等)，煤层气的组分差别不是很大，主要为甲烷(平均值为97%～99.75%)，重烃气及非烃气含量均很低(一般小于2%，多小于1%)(表4-5)。相对于常规天然气而言，煤层气组分较一致，无论源岩的成熟度是未成熟还是过成熟，煤层气的组分均显示干气的特征，来源于煤系的常规天然气组分往往受到源岩的成熟度影响，随着成熟度增大，甲烷含量升高，重烃气含量降低，过成熟的晚阶段气富集甲烷。如高过成熟煤系生成的克拉2气田甲烷含量达96.58%，C3以后的烷烃组分基本检测不到，而成熟-高成熟阶段生成的牙哈凝析气田天然气组分甲烷含量均值只有82.32%，C2-5含量达11.61%。
碳同位素组成上煤层气与常规天然气有着明显的差别(陶明信，2005)。目前由于煤层气主要成分为甲烷，C2+组分较少，统计中数据较少。热成因的常规煤成气与煤层气碳同位素最大的差别是成熟度相近源岩的煤层气甲烷碳同位素明显偏轻，例如沁水盆地南部二叠系3#煤层的Ro最高可达3.5%以上，库车侏罗系煤系源岩Ro小于2%，但库车克拉2晚期阶段聚集的天然气甲烷碳同位素为-27.3，明显重于沁水盆地南部过成熟的煤层气甲烷碳同位素值(-31.95)，这种现象也存在于其他盆地，是一种普遍的现象。
表4-5 我国典型煤成气与国内外煤层气组分及碳同位素对比
引起煤层气与常规天然气碳同位素差异性的原因不同。常规天然气甲烷碳同位素主要受到母质和源岩热演化程度Ro的影响，煤成气和油型气δ13C1-Ro演化线不同(图4-20)。煤层气甲烷碳同位素受到生烃作用与后期改造作用的影响，前者与常规天然气相似，主要为煤岩热成熟度的影响，后者主要因素包括解吸作用、生物作用、水动力作用。常规天然气主要为游离气，煤层气为吸附气，后期吸附解吸过程中会造成组分和同位素的变化。常规天然气除典型生物气外，我国已发现的大、中型煤成气藏受到生物降解的影响较小，而目前工业开采利用的煤层气一般埋深小于2000m，生物降解作用使得源岩成熟度相近的煤层气较常规煤成气的甲烷碳同位素偏轻(Scott，1993;Ayers，2002)。煤层气受水动力条件影响较大，其作用机制为甲烷通过水溶作用而改变同位素的组成。
图4-20 我国煤层气、煤成气和油型气δ13C1-Ro关系图
三、煤层气形成演化过程
根据中国含煤盆地构造演化特征分析，除变质程度较低的含煤盆地外，绝大多数盆地都经历了沉降和回返抬升演化阶段，煤层经历了埋藏-抬升的构造演化过程，有的盆地甚至经历了多次的旋回。而煤层的埋藏-抬升构造演化过程决定了煤层气的成藏演化过程。
图4-21是煤层气演化与相应的主要成藏机制示意图。随着煤层的埋藏和抬升，煤层气形成过程主要经历了煤层气的生成和吸附阶段、煤层的吸附能力增加阶段和煤层气的解吸-扩散和保存阶段，其中煤层气的生成和吸附阶段包括由于煤层埋藏而造就的煤层气生成-吸附阶段和由于异常热事件而造就的煤层气生成-吸附阶段;煤层气的解吸-扩散和保存阶段中主要包括盖层扩散机制和地下水溶解机制。在各种机制作用下得以保存的煤层气形成现今煤层气。
现今煤层气的富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化对煤层气保持和破坏的综合叠加结果。在煤层抬升回返过程中上覆地层厚度变化影响下的温度、压力的变化控制了煤层含气量的变化，因此地质历史时期中煤层上覆地层最小厚度决定了现今煤层的含气量。
根据上述煤层气成藏历史恢复，结合煤层气成藏物理模拟实验，归纳出中、高煤阶煤层气成藏的3种地质模式和低煤阶有利成藏模式。
有利富集模式(Ⅰ):煤层区域回返抬升至风化带之下，再沉降但未超过抬升前的深度，煤层含气量取决于地质历史时期上覆地层的最小厚度，厚度越大含气量越高，含气饱和度高于较有利富集模式。
较有利富集模式(Ⅱ):煤层在区域回返抬升后再发生沉降，再沉降超过抬升前的深度，煤层含气量取决于地质历史时期上覆地层的最小厚度，在没有外来气源补给的条件下，饱和度取决于再沉降的地层厚度，再沉降地层的厚度越大饱和度越低。
不利富集模式(Ⅲ):煤层在区域回返抬升后仍持续抬升至风化带内，使煤层中含气量和饱和度都很低，一般达不到煤层成藏的含气量。
低煤阶有利成藏模式(Ⅳ):与高煤阶相比，低煤阶煤层气成藏过程简单，沉降生烃之后的抬升回返幅度小;一般不存在二次生烃，即使存在岩浆侵入造成煤的接触变质，其影响范围也是局部的;地下水径流带是次生生物气生成的有利场所，为低煤阶煤层气提供了持续的气源补给，在此生成的煤层气可原地保存(粉河盆地)，也可在地下水作用下运移至滞流区富集(阜新盆地);往往以巨厚的煤层或煤组出现，形成高资源丰度，进而抵消煤层气含气量低的缺陷。
图4-21 煤层气演化与相应的主要成藏机制示意
四、煤层气分布规律
通过对国内、外中高煤阶含煤盆地的研究可以看出，在大的区域背景下具有向斜构造富集煤层气的规律，这一现象比较普遍，如美国圣胡安盆地在煤田或二级构造带也具有这种规律。无论是否受煤阶的影响，在向斜的核部，煤层含气量都较高，呈现盆地边缘往盆地中心含气量增加的特征(图4-22)。我国沁水盆地也具有向斜富气的规律，该盆地剖面形态上为一个完整的复式向斜盆地，向斜部位含气量明显高于两翼，明显存在向斜富气的规律。如沁水盆地复向斜南部地层宽阔平缓，地层倾角平均只有4°左右，区内低缓、平行褶皱普遍发育，展布方向以北北东向和近南北向为主，呈典型的长轴线型褶皱。晋城地区煤层气分布普遍是背斜轴部含气量低，含气量为5～15m3/t，特别是潘庄矿西部的马村背斜表现得更加明显，而向斜轴部和翼部煤层含气量高，含气量均高于15m3/t(图4-23)。
由以上分析可见，向斜富气规律不仅存在，同时机理上也支持。可以说是构造演化、水动力条件以及封闭条件综合作用的结果，而这三大地质条件正是煤层气富集的重要因素。煤层气向斜富集模式可以用图4-24进行描述，在一个区域向斜构造背景下，往向斜轴部方向，由于大气渗入水沿着边缘露头向轴部低水势方向汇聚，形成向斜区汇水区，矿化度高，在边沿隆起区可形成侧向水封堵，形成良好的保存条件环境;向斜轴部比边缘部分煤层上覆地层厚度大，煤层维持更高的地层压力，煤层气吸附量大;从构造的角度看，向斜轴部是地层沉降幅度大的区域，由于沉降深埋，煤层可以进行充分的热演化，并有助于生气，同时轴部构造活动稳定，断裂、裂缝不发育和盖层稳定均有利于煤层气的富集。因此，在向斜构造中，一般具有轴部高含气量，往边缘隆起含气量降低直至风氧化带分布的特点。
图4-22 美国圣胡安盆地Fruitland组煤层含气量等值线(m3/t)图
图4-23 沁水盆地晋城地区地质构造形态与3号煤含气量关系
图4-24 向斜构造煤层气富集模式
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