煤层气是煤中有机质热演化的产物。不同热演化阶段、不同的热力作用以及在不同的地质背景下所生成的煤层气的数量和质量是有差异的。因此，煤层气富集成藏的基本地质条件受很多因素控制。下面从西北地区煤层气形成的地质背景出发，探讨西北地区煤层气藏形成条件。
1.煤层发育与煤层气形成
煤层气资源的丰富程度与煤系地层的分布、煤层厚度、煤层稳定性及煤层结构关系密切。一定厚度的煤层是煤层气藏形成的基础；煤层厚度越大且稳定性越好就越有利于煤层气藏的形成。鄂尔多斯盆地石炭—二叠纪含煤沉积形成于三角洲环境，因沉降适中、厚度大，且分布广泛而有利于煤层气发育；而准噶尔盆地的石炭—二叠纪含煤沉积形成于地槽区，因沉降过快，形成的煤层多而薄，不利于煤层气发育。早、中侏罗世，整个西北地区处于挤压背景下的内陆坳陷型盆地沉积，形成如塔里木、准噶尔、吐哈、鄂尔多斯、柴达木等一系列大中型挤压盆地，湖泊相沉积发育，形成厚—巨厚煤层，为煤层气形成提供了丰富的物质基础。煤层顶板多为沼泽相或湖相细粒沉积，对煤储层的封盖能力较强，为煤层气成藏提供了有利条件。
2.煤相类型与煤层气聚集
自Teichmüller（1958，1962）提出用煤相（Coal Facies）的概念来表征煤层的形成环境以来，煤相研究在聚煤古地理恢复和再造方面发挥了极大的作用。20世纪70年代起，煤相研究方法已被广泛应用于沉积岩中分散有机质的油气潜力评价研究。本书第三章已经对煤相参数及划分方法做了详细说明，在此不再赘述。
对西北地区煤相的详细研究表明，该地区普遍发育4种类型煤相：即干燥泥炭沼泽相、森林泥炭沼泽相、活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相，但在不同层位（纵向上）和不同地区（平面上）煤相存在明显差异，并发生规律性变化，且煤相纵横向上变化导致煤岩组成发生变化，进而在一定程度上影响煤储层物性及煤层气吸附量。
森林泥炭沼泽相是本区分布最广泛且面积最大的一种煤相类型，在岩相古地理图上，该煤相可分布在冲积相、三角洲和湖泊相带中。由于该煤相以基质镜质体为主，因此具有较强的生气潜力；干燥泥炭沼泽相分布范围广，但面积局限，主要分布在盆地边缘的山麓冲积相和洪积相中，煤层大多发生过氧化作用，煤显微组分以惰性组为主，该类煤相分布区域不是煤层气有利勘探区域；活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相同样分布范围局限，仅在湖盆中心相带发育，有机质含量少且主要以类脂组为主，不利于煤层气生成。
在平面上，准噶尔盆地侏罗系八道湾组煤层的干燥泥炭沼泽相主要分布在盆地北缘和南缘，森林泥炭沼泽相主要分布在盆地北部和东部，活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相分布在盆地中央；西山窑组沉积时期，森林泥炭沼泽相分布范围扩大，干燥泥炭沼泽相分布范围缩小，活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相局限在盆地中南部。吐哈盆地侏罗系煤层主要发育于干燥泥炭沼泽相、森林泥炭沼泽相、活水泥炭沼泽相及开阔水体沼泽相，八道湾组时期，在托克逊-吐鲁番、三道岭为森林泥炭沼泽相，艾维尔沟、哈参2附近为干燥泥炭沼泽相；西山窑组时期，干燥泥炭沼泽相和森林泥炭沼泽相分布范围扩大，且明显东移，活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相分布局限。
塔里木盆地侏罗系煤层在库拜煤田东段阳霞以东主要发育干燥泥炭沼泽相和过渡泥炭沼泽相；库拜煤田西部主要发育森林泥炭沼泽相，局部地区发育活水泥炭沼泽相和开阔水体沼泽相。在盆地西南部和田一带主要发育干燥泥炭沼泽相和过渡泥炭沼泽相。伊宁盆地北缘和南缘及西部侏罗系煤层主要发育干燥泥炭沼泽相和过渡泥炭沼泽相，盆地中部（B-2孔附近）和东部尼勒克发育森林泥炭沼泽相和活水泥炭沼泽相。三塘湖盆地八道湾组煤层发育活水泥炭沼泽相，西山窑组煤层发育潮湿森林沼泽相，局部发育干燥泥炭沼泽相。鄂尔多斯盆地延安组煤相分布规律较明显。盆地西缘以干燥泥炭沼泽为主，但在汝箕沟、石炭井、华亭等矿区分布有部分开阔水体相及活水泥炭沼泽相；盆地北缘主要分布干燥泥炭沼泽相；宁县、盐池一带为森林沼泽相；神木、榆林、横山一线分布活水泥炭沼泽；富县、延安、子长等盆地中部地带为开阔水体相。纵向上煤相呈规律性变化，如宁夏汝箕沟矿区及内蒙古东胜煤田主采煤层下部大多为干燥沼泽相，向上渐变为过渡沼泽或活水沼泽相，反映侏罗系煤层沉积时期覆水有增加趋势。
鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤层煤相有成带分布的特点，干燥沼泽相主要分布于盆地的北缘河曲、府谷至桌子山北部一带及南缘铜川；活水沼泽相分布于盆地中部柳林至横山堡一线；开阔水体相主要分布于宁夏乌鲁斯太以南地区；桌子山南部至神木一带及环县至韩城一线发育森林泥炭沼泽相。
剖面自下而上煤层形成时期的沼泽覆水深度有减低的趋势，如山西保德、庞庞塔及河津等矿煤层下部以活水沼泽相为主，向上渐变为干燥泥炭沼泽相。柴达木盆地及祁连山地区大部分地区煤相以干燥泥炭沼泽相中的高位沼泽亚相和过渡沼泽亚相为主，活水泥炭沼泽相次之，热水和木里地区则以森林泥炭沼泽相为主。
从上述煤相平面分布趋势可知，在森林泥炭沼泽相发育地带，煤层厚度大且分布稳定，是煤层气生成有利地带。同样，煤储层物性也发育良好，也是有利于煤层气聚集成藏的地带。
3.煤储层显微组成与煤层气生成富集
煤显微组分含量不仅影响煤的生气潜力，还影响煤储层对甲烷的吸附能力。按照热模拟实验（赵庆波等，1997），煤中类脂组产气能力最强，镜质组次之，惰性组最差。而根据第三章研究结果，西北地区煤显微组成以镜质组为主，侏罗系煤镜质组大多介于40%～70%，石炭—二叠系煤镜质组则介于60%～90%。因此，镜质组是煤层气的最大贡献者。而根据本次研究结果，镜质组含量与煤层气最大吸附量（兰氏体积）之间总体上具有正相关关系（图5-1a），而惰性组含量与煤层气最大吸附量（兰氏体积）之间总体上则具有负相关关系（图5-1b），这种关系在区域上也表现明显。所以，镜质组也是煤层气吸附的主要参与者，有可能通过煤显微组分分析，就可以对煤储层的储集性能进行初步预测和评价。
图5-1 西北地区煤中镜质组（a）和惰性组（b）与最大含气量的关系
在平面上，准噶尔盆地侏罗系煤中镜质组大多在50%以上，且以基质镜质体为主（40%～60%），惰性组含量较低（＜10%），壳质组大多超过10%。吐哈盆地侏罗系煤主要以镜质组为主（52%～98%）；惰性组含量较高，一般20%～30%；壳质组含量在2%～12%之间；煤中超微类脂体含量5%～12%。塔里木盆地侏罗系煤显微组分均以镜质组为主（40%～95%），且从东向西增高；惰性组含量一般在12%～20%，由东向西递减；壳质组大多小于1%。三塘湖-巴里坤煤显微组分中镜质组30%～50%，惰性组20%～30%，壳质组＞10%，三塘湖局部壳质组＞50%，富氢显微组分发育是该区的一个显著特点。伊宁盆地煤显微组分以镜质组为主，一般介于45%～70%，个别高达90%（B-2孔），半丝质组在10%以下，丝质组介于20%～35%，壳质组在2%～13%之间；在盆地南北缘煤显微组分以惰性组为主，镜质组含量明显偏低。鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤的显微煤岩组分以镜质组为主，含量在59.8%～83.8%，丝质组次之。盆地西缘中部镜质组含量一般大于70%左右，丝质组含量12%左右。北部府谷及南部镜质组相对较低，盆地中部及东部镜质组在80%左右，丝质组含量多低于10%。延安组煤的显微组分以镜质组含量较低，丝质组含量较高为特点。汝箕沟矿区煤的镜质组含量局部最高达96%。
在平面上，由盆地周缘向盆地中心镜质组含量增加，丝质组含量减少。盆地北缘的东胜地区煤的镜质组含量最低，一般在40%～50%之间，陕西神府、榆横地区煤的镜质组含量较高，镜质组含量在60%～70%之间。盆地西缘除汝箕沟、石炭井、华亭等矿区镜质组含量大于60%外，其他地区均在40%左右。柴达木盆地侏罗系煤的显微组成在木里和热水矿区以镜质组为主，而大通、旺尕秀、大煤沟及绿草山等矿区则以惰性组为主。
煤显微组成的上述变化趋势表明，在塔里木拜城、准噶尔昌吉、阜康、吐哈艾维尔沟、鄂尔多斯柳林、汝箕沟、韩城等地，煤显微组分以镜质组为主，而上述地区煤储层的含气量和最大吸附量也较高。因此，煤显微组成对煤层气生成富集产生明显影响。
4.煤级对煤层气生成富集的影响
煤的演化程度（煤级）不仅影响煤的生气潜力，还影响着煤储层对甲烷的吸附能力。煤级太低不利于煤层气藏的形成。对未变质的褐煤可形成生物化学气，热解气即将开始生成。由于褐煤围岩和储层固结程度差，透气性好，封闭差，致使含量低的煤层气大都散失，因此煤层含气量不高。煤级太高也失去对甲烷的储集能力，同时煤储层的孔隙度也很低，储气能力也十分有限，不能形成煤层气藏。因此，低、中、高煤级烟煤和无烟煤可以形成煤层气藏。从图5-2可知，煤储层最大含气量随煤级增高而呈阶跃式增加，在Ro，m位于0.4%～0.7%时最大含气量随煤级增加而急剧增大，在Ro，m介于0.7%～1.6%之间时，最大含气量随煤级增高缓慢增大，当Ro，m大于1.6%～2.54%时，最大含气量增加较快。煤级与煤层含气量之间的关系在区域上也表现得比较明显。总体上，高含气量矿区与高煤级分布区吻合，区域展布格局一致。如新疆塔里木库拜煤田西部赋存中—高变质煤，最大含气量达16.82 m3/t，准噶尔阜康煤级为肥煤，最大含气量达14.14 m3/t，吐哈艾维尔沟煤级达焦煤阶段，最大含气量高达24.23 m3/t，鄂尔多斯汝箕沟矿区煤级为无烟煤，最大含气量高达26.20 m3/t，柳林、韩城、铜川等地，煤级可达焦煤-贫煤，含气量10～12 m3/t。而低煤级分布区与较低含气量分布区域也较为吻合。西北地区下—中侏罗统的区域煤级普遍偏低，为长焰煤-气煤，煤储层含气量不高。
图5-2 西北地区煤层镜质组反射率与最大含气量的关系
煤层气含气量与煤级的上述变化关系与煤化作用跃变是一致的，表明煤化作用机理对煤储层含气量具有重要的控制作用。在褐煤-气煤阶段，煤层气含量急剧增高主要是由于生物地球化学作用和煤化作用共同作用结果，在这一阶段煤中水分急剧减少，大分子基本结构单元侧链不断脱落生成煤层气，煤中孔隙空间由于生气量的增加而被充填，导致煤层气含量快速增加，在此阶段生成的煤层气主要为低熟气和生物成因气。在Ro，m＞1.3%的焦煤阶段，发生煤化作用第二次跃变，煤中有机质已进入高成熟阶段，发生热裂解作用而生气，各种物理化学性质发生明显变化或转折，孔隙度、渗透率、裂隙率及比表面等继续增大，生气作用和吸附作用进一步增强。但由于孔隙空间增加与渗透性和内生裂隙增加同步，导致煤储层中气体不断扩散-运移而含气量增加缓慢。在瘦煤-无烟煤阶段，煤中含气量再度增加较快，是由于在甲烷不断生成的同时煤中孔隙空间明显增加且吸附性能明显增强的结果。
5.煤变质作用对煤层气生成富集的影响
煤变质作用对煤层气生成富集的影响主要体现在对煤的生气量、吸附能力和储集物性的控制作用。大量研究表明，煤的生气量随煤变质程度加深而增大，这是煤储层含气量增高的物质基础。实测资料也证明，煤含气量与煤变质程度呈正相关关系。在西北地区煤变质作用主要为深成变质，即随煤层埋深增加煤变质程度加深，因早—中侏罗世煤普遍埋深浅、厚度大，正常埋深仅能使煤的变质程度达长焰煤-气煤阶段，而目前在准噶尔南缘阜康、塔里木拜城、吐哈艾维尔沟及野马泉等地发育赋存肥煤、焦煤及瘦煤等；在鄂尔多斯汝箕沟还发育无烟煤。很显然，这是用深成变质作用观点难以解释清楚的。鄂尔多斯东缘三交—柳林也发育焦煤；南部澄合—韩城发育瘦煤-贫煤。从西北地区煤类分布与构造活动和区域古地热场分布可以看出，其中准噶尔南缘高变质煤分布与南侧对接带附近因活动断裂的存在导致异常热叠加变质作用有关，吐哈东西两侧野马泉矿区和艾维尔沟高变质煤则与博罗科努-阿其克库都克深大断裂活动引发中新生代岩浆侵入和深部热向浅部释放有关，塔里木库车则是由于局部上地幔隆起、隐伏岩体沿天山南坡断裂带展布以及更新世末期小型侵入岩体沿断裂分布导致早—中侏罗世煤发生异常热叠加变质，鄂尔多斯汝箕沟是由于隐伏岩体存在导致无烟煤的形成，并以汝箕沟向斜为高变质煤带由此向西北煤变质降低为肥煤（杨起等，1996）。而澄合—韩城、离柳地区则分别位于北纬36°线和北纬38°线附近，是晋城-沁水-翼城和阳泉-西山高煤级带的西延部分。因此，这两个高变质带的存在与燕山期异常高古地热场有关（叶建平等，1998）。杨起等（2000）研究表明，岩浆热变质作用可改善煤储层孔隙度和渗透率，并促进煤生气作用发生。从西北地区煤储层含气量分布可知，异常热叠加变质作用存在的地区煤层气含量高，且煤储层孔隙结构类型和低温氮吸附曲线类型都有利于煤层气扩散-解吸。因此，受异常热叠加变质作用影响的矿区（煤田）是煤层气富集成藏的有利场所，也应是煤层气勘探开发的有利地区。
6.构造作用与煤层气生成富集
煤层形成前后的构造运动对煤层气的生成、富集成藏、保存产生深刻影响。成煤前的构造背景对成煤规模、煤层分布、煤的热演化程度影响大，成煤期后的构造作用，尤其是最后一次构造活动决定了聚煤盆地现今的基本面貌和煤层气分布特征，对煤层气富集成藏控制极为明显。因此地质构造对煤层气藏起着重要的、综合性的影响作用。塔北、乌恰、焉耆、尤尔都斯、吐哈、艾维尔沟、三塘湖等含煤盆地位于天山褶皱带，煤田构造以开阔褶皱为主，逆冲推覆构造也较发育，煤层厚度大，以低变质煤为主，煤层气含量中等，具有一定的煤层气开发条件。准噶尔、伊犁等中间地块位于天山-兴蒙海西褶皱带内，分布准东、准南、准北侏罗纪煤田，这些煤田在构造上位于地块与褶皱带之间的过渡地带，以开阔褶皱、单斜或鼻状构造为主，构造简单，煤层厚度大，储量丰富，煤层含气量较高，是有利的煤层气开发地区。河西走廊、祁连侏罗系含煤盆地位于加里东褶皱带内，煤田构造变形中等，煤系赋存在北西向的不对称向斜内，向斜两翼大多被逆冲断裂切割，煤层气相对富集的矿区较少。柴北缘侏罗系含煤盆地也是位于秦祁昆褶皱带的中间地块，构造变形以走向逆冲断层切割为主，煤级以长焰煤为主，煤层含气量低。鄂尔多斯盆地南缘渭北煤田铜川、韩城矿区位于华北地台与秦岭印支褶皱带的过渡地带，煤田内的构造受秦岭褶皱带控制，总体上呈南北向发育逆冲推覆构造，具有较好的煤层气资源前景。鄂尔多斯盆地位于华北地台，构造稳定，煤层分布赋存条件简单，盆内发育石炭—二叠系和侏罗系煤，煤炭资源和煤层气资源丰度高，资源量大，是煤层气勘探开发的主要地区。
7.围岩封闭条件与煤层气保存
煤层气藏中气体是以吸附态存在，气藏压力比较低。因此，对于盖层的要求不如常规天然气苛刻。但煤层顶底板岩层的封盖性能对煤层气的保存和富集仍然起着十分重要的作用。良好的封盖层可以减少煤层气的渗流运移和扩散散失，保持较高的地层压力，维持最大的吸附量，减弱地层水对煤层气的散失。煤层围岩的封闭性主要受两方面因素的控制：一个是沉积环境；另一个是岩性、厚度及其侧向分布范围。不同沉积环境形成的不同盖层类型具有不同的封盖能力。西北地区封盖层大致可以分为5种类型：砂岩型、泥岩型、砂泥岩互层型、灰岩型及油页岩型等。鄂尔多斯盆地石炭系太原组煤层形成于陆表海碳酸岩台地，顶板发育灰岩层，对煤层气封盖起促进作用。而山西组煤层气含量较高的有利矿区均分布于滨海三角洲和潟湖-潮坪相区，展布在河流相区的矿区煤层气含量却较低。西北准噶尔、塔里木和吐哈等盆地，下—中侏罗统煤层顶底板大多为砂岩，因此在靠近顶底板附近煤层气含量明显降低。
8.地层压力与煤层气保存
地层压力对煤层气藏的影响主要体现在对煤储层物性孔隙度、渗透率和煤层气吸附量的控制作用。随压力增加，煤层气吸附量增大，在盖层条件好的承压区或煤层侧向尖灭区易于形成高压，在此区域不仅煤层气吸附量大，且游离气也较富集，这是煤层气富集成藏的主要因素。另外，随地层压力增加，煤层孔隙度和渗透率发生明显变化，煤储层渗透率随有效应力（地层压力与孔隙流体压力之差）增大而减小，孔隙度也存在类似的变化。准噶尔准东、玛纳斯、呼图壁及鄂尔多斯吴堡和离柳等矿区存在超压，对煤层气成藏极为有利。
9.水文地质条件与煤层气富集成藏
水文地质条件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。一般而言，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，而滞流带煤层气含量高。西北地区侏罗系煤田沉积在坳陷型盆地中，地下水以盆地为单元形成独立的水文系统，属于裂隙型煤田水文地质类型区。矿区地下水的循环主要为在山前接受降水补给，地下水在扇缘地区以泉或沼泽形式排泄，少数矿区可接受地表水补给，而以蒸发为其主要排泄形式。总体上该地区降水量稀少，而蒸发量却很大，因此存在水压封闭气藏的可能性较小。但鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤田属于孔隙-岩溶型水文地质类型区，陕北、渭北、河东及宁北石炭—二叠纪煤田及内蒙古桌子山矿区中，含水岩层为石炭系太原组及奥陶系马家沟组灰岩，地下水受岩性及构造裂隙发育程度控制。富水极不均一，地下水主要接受大气降水及地表水渗漏补给，其排泄主要沿着构造裂隙及溶蚀孔洞运动，地下水位埋藏较深，因此该区易于形成水压封闭气藏。