4.2.1 煤成气的组分
抚顺煤炭研究所采用测试气体组分的方法，在2304气相色谱仪上分析O2、N2、CH4、CO2及戊烷以前的常量烷烃组分，采用面积归一法定量。H2用外标法定量，混入的空气按氧含量扣除；烃类气体组分使用203 气相色谱仪进行微量分析，定性系采用标准样标定，其中16个峰经实际标定，其余的峰则依实际峰之间可能出现的理论峰推断，定量是用色谱数据处理机自动处理，最后用差减法将常量分析结果加以校正。
测试表明，煤成气中不论是钻孔中采集的聚煤气，还是矿井中的煤层气（煤矿瓦斯）或者煤样解吸气，其主要组分有甲烷、二氧化碳、氮气和重烃气。此外，还有少量氢气、一氧化碳、硫化氢以及氩气等稀有气体等（图4.4）。煤层气的自然组分以甲烷为主，含量一般在80%以上，二氧化碳的含量大多在5%以下。
图4.4 煤层烃类气体产出与煤级关系
（据于良臣等，1985）
HM—褐煤；CY—长焰煤；QM—气煤；FM—肥煤；
JM—焦煤；SM—瘦煤；PM—贫煤；WY—无烟煤
甲烷和氮气含量的关系是互为消长的，随着埋藏深度的加深，甲烷含量增加、氮气减少（表4.4），只有甲烷带中的气体组分才是以煤化作用产物为主，这也是研究的主要对象。在瓦斯风化带内则混入了空气、表生作用带生物化学和化学作用的气体产物。于良臣等（1981）认为，煤中重烃含量与煤化程度密切相关，气煤、肥煤和焦煤中重烃浓度较高，可达2%～22%，至无烟煤阶段重烃含量已明显降低。
表4.4 煤成气组分及甲烷碳同位素数据
*据原石油工业部资料。
采用煤层采样进行实际测量气体组分的方法来研究煤层烃类气体的产出阶段（图4.4），通过对生气岩热模拟实验产出的烃类气体组分的系统分析，可知煤的热解气的烃类气体组分是很复杂的（图4.5，表4.5和表4.6），除以烷烃为主外，有的还含有芳烃、环烷烃和不饱和的烯烃等。
对其气体组分可以得出如下认识：①实验温度在350～450℃（相当于气煤、肥煤和部分焦煤阶段）期间产气成分最为复杂多样，低温和高温的产物均较单一，主要是丁烷以前的烃类；②甲烷的含量在实验温度升高的初期呈下降趋势，在400℃时降至最低点（12%左右），其后随温度的上升含量明显增加（图4.6），过500℃后增加势头减缓，至600℃时（无烟煤阶段）甲烷含量可达70%以上；③乙烷、丙烷含量的变化是近于同步的，实验温度在200～300℃时（褐煤阶段）含量降低，之后到450～500℃时（焦煤阶段）含量稳步上升，焦煤以后乙烷、丙烷含量急剧下降，但到600℃时乙烷的浓度仍可达8%左右；④重烃中C4、C5含量的变化是相似的，350℃以前含量增加（气煤阶段含量最高），温度再增高则含量逐渐降低，至600℃时近于消失；⑤重烃中C6、C7、C8的含量随实验温度升高而加大，至400℃左右时（气煤、肥煤交界处）达最高值，随后又趋降低，且C8、C7迅速消失，呈典型的正态曲线变化。
图4.5 永荣煤层气田气煤热模拟实验（450℃）烃类气体气相色谱图
（据李明潮等，1990）
4.2.2 煤成气中碳、氢同位素特征
4.2.2.1 含煤地层和煤成气的碳同位素分析
在稳定同位素的有机地球化学研究中，碳同位素的研究发展迅速，因其对鉴别母质类型、进行源岩对比方面效果显著，在天然气、石油和煤的研究中占有重要地位。工作中也实测了一批煤、暗色泥岩、煤层气、浅层聚煤气以及热解气的稳定碳同位素数值。
一般认为，δ13C值随生气母质不同而有较大的差异，腐殖型偏重，腐泥型较轻。测试资料表明（表4.7），煤的碳同位素值在－19.94‰～－30.13‰间变化，多为－22‰～－26‰，与煤的变质程度关系不大，平均值为－24.27‰。含煤地层中暗色泥岩的δ13C值与煤极为相近，平均值为－24.60‰，亦较偏重，是腐殖型（Ⅲ型）干酪根的碳同位素相对富集13C的典型特征。
表4.5 生气岩热模拟实验生成烃类气体成分及含量数据 %
国内外有关研究（戚厚发，1985）表明，煤成气和油型气的δ13C1值存在着随源岩成熟度的加深而增大的规律。Stahl求出了δ13C1和Ro的关系回归线，并认为，在相同成熟度情况下形成的天然气，煤成气的δ13C1值比油型气重13‰～14‰左右。我国煤层气的δ13C1值大部分不符合Stahl得出的有关规律，而深层聚煤气则基本一致。
生气源岩的热模拟产气的碳同位素数据与源岩的δ13C1值很相近，表明是同源的，这自然是可信的。如阜新煤热模拟气样在300℃、400℃和450℃时的δ13C1值为－23‰～－25‰，600℃和650℃时亦然，与煤样的测值极为接近。同时，热解气中的甲烷随实验温度的升高，其δ13C1值的变化有由重变轻、再变重的演化趋势，而且同一热解温度的泥岩δ13C1值较煤偏重（图4.7）。这可能是由于实验初期的低温阶段，实验进行得还不充分，δ13C1值较为分散；当温度达到400℃左右时，试样中储集的早期生物化学作用的产气和新热解的气体一起产出，而使δ13C1值偏轻；当温度达到600℃及其以上的高温时，热解作用进行得非常充分，因此，最能代表源岩的母质特征，产生与源岩相似的较重的δ13C值。
表4.6 各类烃体积分布 %
图4.6 煤样热模拟实验烃类气体产出与煤级关系
（据李明潮等，1990）
HM—褐煤；CY—长焰煤；QM—气煤；FM—肥煤；JM—焦煤；SM—瘦煤；PM—贫煤；WY—无烟煤
表4.7 含煤地层中煤层、暗色泥岩干酪根δ13C数据
图4.7 生气岩热模拟实验热解气的δ13C1与温度的关系
（据李明潮等，1990）
1—水城气煤；2—淮南B11煤；3—永荣气煤；4—阜新长焰煤；5—淮南A1煤；6—长广气煤；
7—米泉气煤；8—大雁褐煤；9—大雁炭质泥岩；10—阜新灰色泥岩
我国以及世界上的煤炭资源成煤物质的母质类型均以腐殖型为主。但在研究煤的稳定碳同位素时，只粗略地区分腐殖型煤和腐泥型煤是不够的。研究发现，同一煤样中的不同显微组分产出甲烷的δ13C值是不同的（图4.8），镜质组的δ13C1值随热解温度变化而波动较大，在相当于肥煤的阶段出现最低值，且较壳质组和惰性组的δ13C1值均轻，但在较低和较高煤化阶段，镜质组的δ13C1值却较其他两组分的相应值都重。壳质组与惰性组的δ13C1值变化趋势相似，但壳质组的相应数值总是处于较重的位置。
图4.8 水城煤层气田气煤各显微组分热解气δ13C1与温度关系
（据李明潮等，1990）
1—镜质组；2—壳质组；3—惰性组
研究煤成气中甲烷的碳同位素特征，目的在于判识天然气的成因类型，从而为气源岩的追溯提供科学信息。从所测的煤层瓦斯和浅层聚煤气的δ13C1值来看（表4.4），其值的变化范围大（－32.82‰～－66.32‰），且多轻于－50‰，但也有规律可循。总的来看，未成熟期和成熟期初期的煤层气δ13C1最轻，即相对富含12C；而随有机质演化程度增高，δ13C1随之变重，由长焰煤、气煤阶段的－61‰～－52‰可变至无烟煤阶段的－40‰～－32‰。戚厚发（1985）亦指出过，煤层瓦斯和含煤地层天然气中的δ13C1值具有随变质程度加深而增大的趋势。同时，不少研究者（戴金星等，1986）还发现，埋藏较深（＞2000 m）的聚煤气，其δ13C值较重，而且可与国外的典型煤成气进行对比。对于我国煤层气和浅层聚煤气的 δ13C1值与公认的煤成气的标准 δ13C1值（－35‰～－22‰）相比普遍偏低的现象，一些研究者（戚厚发，1985；戴金星等，1986）作过一些解释，现连同笔者看法归纳如下：
1）煤层若较接近地表（200～300 m），由于细菌的积极活动而形成生物甲烷，从而引起煤层气甲烷碳同位素变轻。
2）含煤地层抬升、埋藏变浅时，因压力减小，煤层气就会解吸扩散，分子小、质量轻的甲烷要比重烃气解吸容易，且速度快。同时，甲烷分子中轻的12C由于极性较好，与重的13C相比容易解吸，且速度快，从而造成煤层气变轻、变干。在联邦德国鲁尔、萨尔地区也有类似现象。戴金星等（1986）将冀中苏（桥）13号井山西组煤心（Ro为0.61%）先后进行过多次解吸，第一瓶解吸气的δ13C1为－46.6‰，第二瓶为－43.2‰，第三瓶为－34.8‰，第四瓶为－32.6‰；即愈早解吸的气愈轻，且最先解吸的第一瓶气比该井（深层）聚煤气的δ13C1值相应地约轻10‰～15‰。在唐山地区采集的4个钻孔中的浅层聚煤气的δ13C1平均值为－64.7l‰，而6个煤层气（煤层抽放瓦斯样）的δ13C1平均值为－58.21‰，即先期解吸而聚集起来的钻孔气样的δ13C1值偏轻。这一现象若是普遍规律，则对气源对比和勘探部署具有现实意义。
3）地层中部分继承有成煤早期的生物甲烷气，从而引起煤层气甲烷碳同位素的变轻。
4）煤层中烃类气体大部分以吸附状态存在于煤的微孔之中，有利于甲烷与煤本身之间同位素的交换。有些人则强调了甲烷与二氧化碳之间的同位素交换效应，这是两种（或多种）分子间相同元素互换的特殊化学反应，致使二氧化碳相对富集13C，而甲烷相对富集12C，因此可以较好地解释高煤级的煤层气甲烷碳同位素变轻的现象。
5）由于煤中存在着一定数量的类脂组分和似石油物质，它们在煤化过程中产生适量的烃类气体，此种气体的存在会导致δ13C1值的偏轻。
笔者认为，从煤热模拟成烃模式的讨论中已知，液态烃和重烃在产气的成熟期产出最盛，在高成熟期的贫煤和无烟煤阶段已趋于消失或减少；其消失或减少的部分主要裂解成了甲烷，似可用此来解释高成熟期煤成气的δ13C值偏轻的现象。
6）由于不同煤岩显微组分生成的甲烷的δ13C值存在明显差异，而煤中主要组分镜质组的δ13C1值在Ro＝0.8%～1.25%时出现最低值，这对成熟期中期的煤成气的δ13C1值的偏轻可能会有一定的影响。
7）我国煤成气的地质构造背景甚为复杂，多种成因的天然气（煤成气、油型气、生物气）在漫长的地质年代中混合在所难免，这或许也是造成我国煤成气的δ13C1值较世界典型煤成气偏轻的原因之一。
总之，造成煤成气尤其是浅层煤成气碳同位素变异的因素是复杂的，应综合分析，区别对待，不宜用单一成因来解释。目前已有资料尚少，还有待今后进一步探讨。
4.2.2.2 煤成气的氢同位素分析
甲烷氢同位素与母质、成熟度的关系密切，但在很大程度上还受到环境的影响。此项研究在国内尚处于起步阶段，对氢同位素的运用还不如碳同位素成熟。从笔者测试的一些资料来看，其随成熟度的变化，与碳同位素有相似之处（图4.9），即随实验温度升高，热解气中的甲烷氢同位素（δDCH4）值也有由重变轻、再变重的变化。
图4.9 生气岩热模拟实验热解气的δDCH4与温度的关系
（据李明潮等，1990）
1—大雁褐煤；2—阜新长焰煤；3—水城气煤；4—米泉气煤；5—淮南A1煤；6—永荣气煤；7—淮南B11煤；8—阜新灰色泥岩
图4.10 水城气煤各显微组分组热解气的δDCH4与温度关系
（据李明潮等，1990）
1—镜质组；2—壳质组；3—惰性组
同一煤样的不同显微组分热解出的甲烷的δD值亦不相同（图4.10），在相同温阶时，它们的δDCH4值变化是，惰性组＞镜质组＞壳质组。