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。对中国不同地质时代和不同煤级的358个井田（矿）煤层气组分的统计显示，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，一般＜10%；重烃气含量随煤级不同而变化（张新民等，2002）。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%（Scott et al.，1994）。从前人统计数据看，井口排采的煤层气无论是热成因气（如美国黑勇士盆地、中国沁水盆地），还是生物成因气（如美国粉河盆地、中国阜新盆地），煤层气的组分差别不是很大，主要为甲烷，平均为97%～99.75%；重烃气及非烃气含量均很低，一般小于2%（表11-1）。相对于常规天然气，煤层气组分比较一致，无论源岩的成熟度高低，煤层气的组分均显示为干气的特征。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，过成熟的晚期阶段气体富集甲烷。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；成熟—高成熟阶段生成的牙哈凝析气田甲烷含量均值只有82.32%，C2-5含量达11.61%。
表11-1 中国典型煤成气与国内外煤层气组分及碳同位素统计
续表
在碳同位素组成上，煤层气与天然气（煤成气）有着明显的差别（陶明信，2005）。热成因的常规煤成气与煤层气碳同位素最大的区别是，成熟度相近源岩的煤层气甲烷碳同位素明显偏轻，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‰），这种现象在其他盆地也普遍存在。造成这种现象的原因主要是受到次生生物作用的影响。