Question

煤储层和煤层气的储存

Answer 1

煤层气是一种自生自储的非常规天然气。与常规气藏不同，对于煤层气藏来讲，煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储集层。

(一)煤储层的特征

与常规天然气储层相比，煤层气储层具自身的特殊性，煤层气的赋存与常规天然气也明显不同。表4－6列出了煤储层与常规砂岩储层的异同点。

表4－6常规砂岩储层和煤储层的比较表

1.煤的孔隙结构特征

煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙－孔隙型储层。图4－11是煤储层孔隙结构的理想模型，割理(cleat)将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透性很低;割理是煤中的次要孔隙系统，但却是煤层中流体(气体和水)渗流的主要通道。孔隙和割理都是煤储层研究的重要内容。

图4－11煤的双重孔隙系统图 (据Warren和Root，1963)

割理是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙，其成因有内生和外生(构造成因)之分，规模有大有小，与煤田地质学上的“裂隙”为同义词。在煤层气地质领域，一般将“割理”和“裂隙”通用。

根据孔隙－割理的物理测试结果，通常将煤中孔隙(包含割理)的空间尺度划分为:<0.01μm为微孔，0.01～0.1μm为小孔，0.1～1μm中孔，>1μm为大孔。

2.煤的割理系统

(1)割理的规模类型:割理的规模存在很大差异，小者数微米长，大者数米长。不同规模的割理在煤层中的发育程度相差较大。不同规模的割理，对气体的渗流起着不同的作用。张新民(2002)等按照割理的规模以及割理与煤层、煤岩类型及煤岩成分的关系对其进行了分类(表4－7)。

表4－7割理的规模类型及特征简述表

续表

(2)割理的三维几何形态:割理系统有互相大致垂直的两组，其中延伸长度大，且发育的一组叫面割理;被面割理横切的另一组叫端割理(图4－12)。

图4－12煤中割理系统图 (据张新民等，2002)

割理的长度在层面上可测量到，发育的面割理呈等间距分布，其长度变化范围很大(表4－7)。总体上，煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，面割理越发育、割理高度越大。面割理高度小到几微米，大到几十厘米。

端割理一般与面割理是互相连通的。端割理的长度受面割理间距的控制，面割理间距越宽，端割理越长。端割理与面割理的高度受控因素相同，主要与煤岩类型和煤岩组分有关。割理的宽度与其规模有关。割理规模越大，宽度亦越大，变化范围一般为1μm至几厘米。

割理形态也是多姿多态的，在层面上主要有:①网状，这种割理连通性好，属极发育;②一组大致平行排列的面割理极发育，而端割理极少，这种割理属于发育，连通性属较好;③面割理呈短裂纹状或断续状，端割理少见，这种割理连通性差，属于较发育。剖面上，割理主要呈垂直于层理或微斜交层理平行排列。

3.煤层渗透率

宏观孔隙网络组成了连通性好的面割理和连通性稍差的端割理。面割理与端割理正交并垂直于煤层层面。割理是水和气流动的主要通道。被割理网络所包围的完整煤基质块体中的大部分孔隙为微孔隙，在这些煤中，流体主要通过扩散方式运移。故煤层的渗透性主要取决于煤层中割理的渗透性。根据火柴模型(thematchstickmodel)(Sawyer，1990;Harpalani和Chen，1997)，割理的孔隙度(Φ_c)和渗透率(k)可近似为:

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式中:a和b分别为割理的间距和一个割理孔径的宽度。

割理渗透性由割理密度(间距)、裂缝宽度和开启性、范围和连通性控制。这些因素又取决于煤级、煤质(灰分含量)、煤岩组分、煤层厚度、构造变形、煤化作用和原地压力(Ammosov和Eremin，1963;Close，1993;Laubach et al.，1998)。由于煤层具极强的可压缩性，原地压力可以影响储层渗透性和产量特征。通常，由于超压作用，煤层渗透性随着埋深的加大而减小。因此，美国大多数煤层气产自埋深小于1200m的煤层。煤阶对煤层的渗透性也有显著影响，由表4－8可看出，低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。

表4－8世界部分中、低煤阶煤层气藏试井渗透率参数表

(据陈振宏，2007)

4.煤储层的吸附特征

(1)吸附理论:由于煤是一种多孔的固体，具有很大的内部表面积，因而具有吸附气体的能力。所谓吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程。吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附是由范德华力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱;物理吸附是快速的、可逆的。化学吸附是共价键引起的，气体和固体之间的结合力很强;化学吸附是缓慢的、不可逆的。

煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，这是煤层气与常规储层储气机理不同的物质基础。煤吸附甲烷属物理吸附，理由主要是甲烷的吸附热比气化热低2～3倍，氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的;大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速的、可逆的。因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。

对于物理吸附过程而言，吸附平衡是一个重要的概念。在一个封闭的系统里，固体颗粒表面上同时进行着吸附和解吸这样两种相反的过程。即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面上而成吸附气相;被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游离气相。当这两种作用的速度相等(即单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数)时，在颗粒表面上的气体分子数目维持某一个定量，这时就称为吸附平衡。在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量随气体的温度、压力而变化。显然，这是一种动态平衡状态。即吸附量(V)是温度(t)和压力(p)的函数，可表示为

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在上述函数关系式中，当温度一定时，称吸附等温线;当压力一定时，称吸附等压线。最常用的是吸附等温线，即在某一固定温度下，当达到吸附平衡时，吸附量(V)与游离气相压力(p)之间的关系曲线。在煤层气地质及勘探开发中，某一温度(通常为储层温度)下煤的吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层气含量、确定临界解吸压力、计算煤层气理论回收率等方面具有重要用途。

吸附等温线可以由实验室测试而获得。实际上实验测得的吸附等温线形状很多，大致可归纳为5种类型(图4－13)。图中纵坐标为吸附量a，横坐标p/p₀为相对压力，p₀是气体在吸附温度时的饱和蒸汽压，p是吸附平衡时气体的压力。等温线形态上的差异，反映了吸附剂与吸附质之间相互作用的差别。

图4－13物理吸附的5种类型等温线图 (据朱陟瑶等，1996)

第Ⅰ类吸附等温线的特征是，在较低相对压力时吸附量迅速增加，达到一定相对压力后吸附量趋于恒定的数值(极限吸附量)。极限吸附量有时表示单分子层饱和吸附量，对于微孔吸附剂则可能是将微孔充满的量。

第Ⅱ—Ⅴ类等温线是发生多分子层吸附和毛细凝结的结果。当吸附剂为非孔的或孔径很大可近似看作是非孔的时，吸附层数原则上可认为不受限制，等温线为Ⅱ、Ⅲ型的。当吸附剂为孔性的(不是微孔或不全是微孔的)，吸附层数受孔大小限制，在p/p₀→1时的吸附量近于将各种孔填满所需液态吸附剂的量，吸附等温线为Ⅳ、Ⅴ型的。Ⅱ和Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类型等温线的区别在于起始段曲线的斜率，Ⅱ和Ⅳ型在低压区曲线凸向吸附量轴，Ⅲ和Ⅴ型的是由小变大;在形状上，Ⅱ和Ⅳ型在低压区曲线凸向吸附量轴，Ⅲ和Ⅴ型则凸向压力轴。这些区别反映了吸附质与吸附剂表面作用的强弱。

从吸附等温线可以得到吸附质与吸附剂作用大小、吸附剂表面积、孔的大小及形状、孔径分布等信息。

由于煤储层的温度大都在10～50℃范围，远远高于甲烷的临界温度(－82.5712℃)，煤的等温吸附试验一般也是在这一温度范围内进行的，因而不易发生多层吸附;煤是一种孔隙结构比较复杂、孔径分布不集中的多孔介质，不可能只在特定孔径的微孔结构中发生吸附，即吸附不是以微孔充填为主的过程(艾鲁尼，1992)，故大多数煤的吸附等温线属Ⅰ类。

由于大多数煤的吸附等温线属Ⅰ类，故可认为煤吸附气体属于单分子层吸附，用Langmuir方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线。

Langrnuir(1916)从动力学的观点出发，提出了单分子层吸附理论，其基本假设条件是:①吸附平衡是动态平衡;②固体表面是均匀的;③被吸附分子间无相互作用力;④吸附作用仅形成单分子层。其数学表达式为

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式中:V为吸附量(cm³/g);p为平衡气体压力(MPa);a为吸附常数，反映吸附剂(如煤的最大吸附能力，与温度、压力无关，而取决于吸附剂和吸附质的性质(m³/g);b为压力常数，取决于温度和吸附剂的性质(MPa^－1)。

(2)煤对甲烷的吸附能力:张新民等(2002)从110余个煤样(来自从褐煤至无烟煤2号等9个煤级的煤层)的等温吸附实验结果得出在模拟地下煤储层条件的情况下，我国煤对甲烷的吸附能力(以最大吸附量，即Langmuir体积表征)较强，Langmuir体积(V_L)值在11.25～51.81cm³/g之间变化(干燥无灰基)(不包括无烟煤1号)。其分布情况如图4－14所示，由于各煤级煤样的数量不均衡，各V_L值区间的数据个数并不完全代表我国煤的V_L值的分布趋势。

图4－14我国煤样Langmuir体积实测值分布直方图 (据张新民，2002)

(3)煤吸附能力的影响因素:煤的吸附能力受煤本身的物理、化学性质及煤体所处的温度、压力等条件的控制。实验结果表明，煤的吸附能力受煤变质程度、温度、水分含量影响较为显著。

煤变质程度对吸附能力的影响。煤对甲烷的吸附是一种发生在煤孔隙内表面上的物理过程，吸附能力受孔隙特征的影响。在煤变质过程中，孔隙在发生着变化，从而影响着煤的吸附能力。张新民等(2002)认为从褐煤至无烟煤2号煤的吸附能力是随着煤化作用的增加而增大(图4－15，图4－16和表4－9)。成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其他各变质阶段的煤，长焰煤至肥煤3个煤阶吸附量增加缓慢，焦煤之后，煤的吸附量开始快速增加，于无烟煤2号煤的吸附能力最强。

图4－1530℃等温吸附Langmuir体积与R_max关系图

图4－16不同变质程度(R_max)煤在45℃条件下的等温吸附曲线图

表4－9不同煤阶煤的吸附常数平均值(t=30℃，含平衡水分)

温度对煤吸附性能的影响。等温吸附实验一般采用的温度是30℃或煤储层温度。图4－17、图4－18为两个代表性的煤样分别在25℃、35℃、45℃和50℃条件下实验得出的等温吸附实验曲线。其中图4－17的煤样YQ四－15R_max为2.69%，图3－18的煤样HJH－8R_max为0.88%。由图4－17和图4－18可见，不同温度下煤的吸附能力有变化。总体的变化趋势是在压力不变的情况下，随着温度的升高，煤的吸附能力降低。用Langrnuir方程，根据各温度条件下获得的Langmuir体积和Langmuir压力，分别计算2MPa、8MPa、12MPa、20MPa压力下的吸附量;将同一压力不同温度的吸附量标绘在“温度－吸附量”坐标图中，即可用线性方程回归温度－吸附量经验公式，如图4－19和图4－20所示。

图4－17YQ四－15煤不同温度下的等温吸附实验曲线图 (据张新民，2002)

图4－18HJH－8煤不同温度下的等温吸附实验曲线图 (据张新民，2002)

图4－19YQ四－15煤在不同压力下温度与含气量关系图

图4－20HJH－8煤在不同压力下温度与含气量关系图

压力对煤吸附性能的影响。在其他条件不变时，随着压力的升高煤对甲烷的吸附能力增大(图4－21)。

图4－21随着压力的增大煤对甲烷的吸附能力也增大

图4－21a.在较高的温度下(虚线)，煤中储存较少甲烷;当生气量大于煤的吸附能力时就发生运移;图4－21b.随着盆地的抬升冷却生气量降低(实线)，从而导致煤层对甲烷不饱和。大气水中次生生物气的生成和热成因与生物成因气的运移可使煤层重新饱含甲烷。当煤层饱和时，解吸发生的压力就较高，则煤层气解吸只需较少的降压(排水)，甲烷的产量也会较高。

水分对煤吸附性能的影响。张新民等(2002)试验表明，随着煤中水分的增加，Langmuri体积呈减小趋势，这主要是煤的内表面上可供甲烷气体分子“滞留”的有效吸附点位是一定的，煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。

5.煤储层压力特征

煤储层压力是指煤层孔隙中的流体(包括气体和水)压力。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤的裂隙中流向井筒的能量。当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙中扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而采气的。

实际上，原始煤储层压力差别较大。这是由于它受多种因素的影响，如区域水文地质条件、埋深、含气量、地应力等都可对煤储层压力造成影响。一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，将储层压力划分为三种类型(表4－10)。正常储层压力应等于9.5～10.0kPa/m，即基本上等于静水压力梯度;大于10.0kPa/m为高压储层，小于9.5kPa/m为低压储层。

表4－10储层压力类型划分方案表

(二)煤层气的储存特征

一般说来，煤层气以3种状态存在于煤层之中:①吸附在煤孔隙的内表面上;②以游离态分布于煤的孔隙中，其中大部分存在于各类裂隙之中;③溶解于煤层内的地下水中。在煤化作用过程中生成的气体，首先满足吸附，然后是溶解和游离析出，在一定的温度和压力条件下，这3种状态的气体处于统一的动态平衡体系中。

上述这3种状态主要是针对甲烷而言，煤中的各种重烃组分是处于气态还是液态，这取决于煤储层的温度和气体压力。在当前开采深度和气体压力范围内，乙烷是气态，其他重烃呈液态。另外，除上述3种状态外，煤层中的气体还有可能以气体水合物晶体的形式存在，其条件是低温高压，如温度在0℃时，形成甲烷(CH₄)水合物所需的压力为2.65MPa;温度在10℃时，则所需压力为7.87MPa，而在这样的条件只有在深海或永久冻土地带才能出现，在我国煤田内一般是不存在的。由于煤层气成分中乙烷以上的重烃含量很小，所以煤层中烃类物质的相态绝大部分为气态。

1.吸附气

煤层区别于常规天然气储层的主要特征是，大部分气体以吸附的方式储存于煤层中。经测算，吸附状态的气占煤中气体总量的80%～95%以上，具体比例取决于煤的变质程度、埋藏深度等因素(张新民等，1991)。这主要由于煤是一种多孔介质，煤中的孔隙大部分为直径小于50nm的微孔，因而使煤具有很大的内表面积，对气体分子产生很大的表面吸引力，所以具有很强的储气能力。在我国，中、高变质程度的烟煤和无烟煤中实测煤层气含量(干燥无灰基)为10～30cm³/g，最高可达36cm³/g，甚至更高;据测算，煤层的储气能力是同体积常规砂岩储气能力的2～3倍，如图4－22所示。

煤中吸附气含量，可以用直接法，通过煤样解吸试验得到;也可用以用间接法，通过Langmuir方程计算求得。

2.游离气

在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的气体。这部分气服从一般气体状态方程，由于甲烷分子的自由热运动，因而显现出气体压力。游离气的含量取决于煤的孔隙(裂隙)体积、温度、气体压力和甲烷的压缩系数，即

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式中:Q_y为游离气含量(cm³/g);Φ为单位质量煤的孔隙体积(cm³/g);p为气体压力(MPa);K为甲烷的压缩系数(MPa^－1)。

图4－22煤与砂岩储气能力比较图 (据Kuuskvaa et al.，1989)

煤中游离气的含量不大。据前苏联科学院艾鲁尼等人的资料，中等变质程度的煤，在埋深300～1200m的范围内，其游离气仅占总含气量的5%～12%。

3.水溶气

水对甲烷有一定的溶解能力。根据煤炭科学研究总院西安分院在20世纪80年代后期进行的系统甲烷水溶试验的结果(表4－11)，一般每升水可溶解零点几升到几升甲烷。与其他气体相比，甲烷在水中的溶解度是较小的。例如，在0℃和常压下，甲烷在水中的溶解度为0.055L/L，而相同条件下乙烷在水中的溶解度为0.098L/L，二氧化碳为1.713L/L，硫化氢为2.67L/L。可以看出，甲烷在水中的溶解度仅为二氧化碳的1/30，是相当低的。尽管如此，当溶解度低的甲烷溶于大量的地下水中，就会有巨大的气体从气藏中运移出去，引起甲烷的散失。在自然界，煤层常常为含水层，当储层压力低到足以使气体能够从煤中解吸出来时，甲烷会因地下水的运动而从煤层中运移出去。

表4－11不同温度、压力和不同矿化度下，水对甲烷的溶解度表

续表

(据张新民等，1991)

(三)煤中气体的流动

在自然界的原始状态下，煤层中的气体以承压状态存在着，气体处于平衡状态，可以将其看作是不发生流动的。但是，当人为活动影响时，如井下采掘活动，气井排水降压等，由于破坏了原始的压力平衡状态，会引起煤层中气体的流动。煤中气体穿过煤层孔隙介质的流动机制可以描述为3个相联系的过程(图4－23)，即:

首先，由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸;其次，穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的;最后，在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。这3种作用是一个互为前提并且连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。

图4－23煤中气体流动的3个阶段图

1.解吸

当储层压力下降到低于临界解吸压力时，气体分子开始解吸，并遵循给定介质的等温吸附过程。解吸过程与时间有关。解吸过程进行的快慢可以用解吸时间来定性表示。所谓解吸时间，是指总吸附气量(包括残留气)的63.2%释放出来所需要的时间，一般用天或小时来表示。为使气体从不饱和气的煤层中开始解吸并产出，必须将地层压力降低到饱和点以下(图4－24)。

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2.扩散流

气体穿过煤基质和微孔的扩散流动是由于体积扩散(分子与分子间的相互作用)、克努森(Knudson)扩散(分子与孔壁间的相互作用)和表面扩散(吸附的类液体状甲烷薄膜沿微孔隙壁的转移)共同作用的结果。

当孔隙直径大于气体分子的平均自由运动路程时，以体积扩散为主;当孔隙相对于气体分子的平均自由运动路程较小时，以克努森扩散为主。表面扩散受气体分子与孔壁表面之间的持续碰撞作用的控制，在这些表面上气体以吸附状态被传输。在表面扩散中一旦发生碰撞，气体分子就立即被吸附在孔壁上。对整个运移过程来说，表面扩散的作用是不大的。

各种类型的扩散流动都是气体分子随机运动的结果。图4－25可用来说明煤基质中甲烷扩散的过程。由于气体分子的随机运动，可以假定试图穿过某一虚拟内表面发生运动的两边气体的百分率相同。这样，由于靠近基质中心一侧(左)的甲烷浓度大于靠近割理一侧(右)，所以试图从左向右穿越的分子数目就大于试图从右向左穿越的分子数目，于是总的运移方向是从左向右，即从煤基质块向割理流动。

图4－25煤基质中甲烷扩散的过程图

3.达西流

一般认为，在中孔(直径大于100nm)以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗透，并且可能存在两种方式，即层流和紊流。由于煤层内孔隙的大小、形态、曲率非常复杂，具有明显的不均匀性，因此为了简化煤层中气体流动状态，通常认为煤层中气体流动属于层流渗透，且服从达西(Darcy)定律。即流体的流速v与其压力梯度成正比。它的简单表达式为:

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式中:k为煤层的渗透率(10^－3μm²);μ为流体的绝对黏度，对于甲烷，μ=1.08×10^－5Pa·s; 为流体的压力梯度(Pa/m)。

(四)煤储层箱和含气特征

1.煤储层箱

各个盆地中煤储层的性质不同，具有较好油气通道和甜点的区域只占不到盆地生产区面积的10%。煤层气的经济可采要求众多地质要素聚集在一个适当的时间框架中，而且还须有可操作性及合适的环境。煤层气勘探开发的关键是识别煤储层箱。煤储层箱是指具有相似储层属性的封隔体，包括含气量、渗透率、水和气组分等。

2.煤层含气性特征

煤层含气性指煤层气含量。煤层气含量是指单位重量煤中所含煤层气的体积，单位为m³/t。

煤层气含量和煤层厚度有关，煤层厚度越大，稳定性越好，对煤层气的生成量和资源量规模起决定性作用。煤是煤层气的母质，在同等煤级条件下，煤层越厚生气量越大，煤层气丰度也越高。

煤层集生气层与储集层于一体，故煤的生气量与储集性能对煤的含气量有重要影响。煤层的生气量与成煤物质、煤变质程度有关;储气能力与煤的变质程度、煤岩成分、气体压力等因素有关，而压力又与煤储层的埋深、区域水文地质、气生成量有关;除煤层自身条件外，煤储层的保存条件对煤层气含量也有重要影响。这些诸多的影响因素以及复杂的相互配置关系造成煤层气含量的差异变化。而这些因素又可归结为4个方面:

(1)煤变质对煤层气含量的影响:煤变质对煤层气含量的影响，主要是通过对煤的生气量和煤的吸附能力的控制作用而体现的。研究表明，煤的生气量随着煤变质程度的增加而增大，且随着煤变质程度的提高，煤对甲烷的吸附能力逐渐增大。这说明在相同的保存条件和煤储层压力条件下，变质程度愈高，煤中吸附的甲烷愈多，即煤层气含量越高。

(2)煤储层埋藏深度对气含量的影响:据Langmuir吸附理论，随着压力的增大，煤对甲烷的吸附量呈非线性增加。随着埋藏深度的增大，煤层的压力增大，煤对甲烷的吸附能力增强，煤层含气量增大。

(3)水文地质与煤层气含量的关系:水动力对煤层气具有水力封闭和水力驱替、运移的双重作用。水力封闭作用有利于煤层气的保存，而水力驱替、运移作用则引起煤层气的逸散及在新条件下的聚集(常规圈闭)。一般讲，地下水压力大，煤层气含量高，反之则低;地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流区则含量高。

(4)聚煤环境与煤层气含量的关系:含煤地层沉积环境主要有两类，即海陆过渡相沉积环境和陆相沉积环境。海陆过渡相形成的煤层，煤的还原程度高，镜质组含量通常较高，水体中的藻类、浮游动物往往残余成煤，形成富含烃类的沥青质体，构成亮褐煤和烟煤中微粒体的前身。在陆相沉积环境中形成的煤惰质组含量较高，惰质组由于炭化作用而变的惰性，富含碳，在煤化作用过程中挥发性物质少，生气量也少;而且煤层中藻类、浮游生物少见。由于镜质组的生气量大于惰质组，沥青质体生烃量比镜质组和壳质组高;因此，海陆交互沉积环境中形成的煤层的生气量、储气能力均大于陆相沉积环境中形成的煤层。