Question

煤层气成因

Answer 1

1.煤层气的形成过程

煤层气主要有生物成因和热成因两种成因机制。低煤阶泥炭和褐煤具有较高的孔隙度，含水量较高，在低温条件下形成生物成因甲烷和少量其他流体。成熟度增加，水被排出，孔隙度减小，温度上升到细菌生存的上限而使得生物成因甲烷减少，同时复杂有机质裂解作用释放出甲烷和重烃，并伴有部分非烃气体的形成。煤岩成熟度达到R_o＝0.6%时，热成因烃类气开始生成，并一直贯穿整个煤化作用过程（图 11-1）（Clayton，1998）。

图11-1 煤化作用过程中不同组分天然气的产率

（据Clayton，1998）

目前开发的煤层气均位于1500m以浅的浅部煤层，煤层多经历了构造抬升作用，当煤层抬升到适合生物生存的温度范围时，煤层中有机质和CO₂在生物作用下转变为甲烷形成次生生物气，即使是高演化程度的煤岩，在抬升过程中仍有次生生物气混入，表现为甲烷碳同位素值轻于-55‰，不同盆地、不同构造背景这种混入的程度有所差别（图11-2）。

往往通过数值模拟和物理模拟预测煤的生气潜力。早期由Macrae（1954）、Juntgen（1975）等提出的预测模型，通过观察煤化作用过程中元素成分的变化，计算出甲烷的生成量和残留在煤中的量。这些模型在后来的研究中广为采用，并与其他模型进行对比。根据这些研究结果，煤的生气潜力范围为100～300L/kg（Juntgen，1975；Rice，1993）。

图11-2 煤层沉积埋藏和抬升过程中不同成因煤层气的形成

2.煤层气的成因鉴别

经过40多年的研究，国内外对煤层气的成因有了一定的认识，总体上将有机成因煤层气划分为三大类、五小类，分别是：生物气，包括原生生物气和次生生物气；热成因气，包括热降解气和热裂解气；以及混合气。这些分类主要采用煤层气的组分组成、甲烷碳氢同位素组成、乙烷碳同位素以及煤岩热演化程度等指标，通常采用图示方法对煤层气成因进行鉴别，典型图版有 Bernard（1978）图版、Schoell（1983）图版、戴金星（1996）图版和Whiticar（1999）C-D图版，这些图版均采用组分含量和稳定碳同位素或者甲烷碳、氢同位素的二维数据组合对煤层气成因进行判别。

由于煤层气的成因具有明显的阶段性和复杂性，不同地区、不同地质背景煤层气成因类型不同，判别煤层气成因时需综合考虑各种因素。本节在前人研究的基础上，根据实测数据，利用煤层气成因判别常用的甲烷碳同位素、氢同位素和组分含量3个参数的信息，建立扩展的C-D鉴别图版（图11-3），结合研究区的地质特征，对煤层气的成因进行综合判别。扩展的C-D鉴别图版中，X轴和Y轴分别为甲烷的氢同位素和碳同位素，稳定同位素是煤层气的指纹特征，利用这两者能够比较好地分辨出生物气和热成因气，以及生物气中的不同作用类型，同时还能反映煤层气所经历的次生作用；图版中以气泡体积的大小表示煤层气烃类气体组分含量值，即C₁/C_2＋，烃类组分含量可以反映煤层的演化阶段和煤层气所经历的次生作用等信息。

与以往的煤层气成因判别图版相比，扩展的C-D图版除了能对生物气（乙酸发酵，CO₂还原作用）、热成因气和混合气进行判别外，还可以对低熟热成因气、热降解气和热裂解气进行区分。低熟热成因气地球化学特征表现为分布在热成因气的范畴之内，其甲烷碳同位素为-40‰≥δ¹³C₁≥-45‰，比生物成因煤层气δ¹³C₁略重，C₁/C_2＋比生物气（小于4000）大，介于4000～10000之间，同时煤层热演化程度较低，R_o在0.5%左右，如阜新盆地煤层气属于典型的低熟热成因气。热降解气的典型特征是分布在热成因气范畴的中部，与低熟热成因气相比具有较重的甲烷δ¹³C₁值（大于-40‰）和δD值（-150‰≥δD≥-200‰），以及较小的C₁/C_2＋值（与生物气C₁/C_2＋值相近），主要是因为煤层在热降解气生气阶段，以湿气为主。圣胡安盆地煤层气是热降解气典型的例子。热裂解气的标志是具有很高的甲烷δ¹³C₁值（大于-40‰）和δD值（大于-200‰），同时C₁/C_2＋值也很高，由于此阶段天然气的重烃组分等其他组分在温度的作用下遭受了裂解，使甲烷含量相对增加，热裂解气的煤岩热演化程度高，R_o在2.5%以上。

图11-3 煤层气成因扩展的C-D鉴别图版

沁水盆地南部煤层气的样品均落在图11-3所示图版中热成因气的热裂解气以及与岩浆等热事件有关的热成因气区域，即沁水盆地南部煤层气以热裂解气与异常热事件有关的热成因气为主。结合实际地质条件，沁水盆地南部煤层气热演化程度较高，R_o值在3.0%左右，达到了高变质无烟煤阶段，如果假设研究区主要以单一深成变质作用为主，石炭-二叠系的煤层所处温度在83～153℃之间，最大的R_o值不会超过1.5%，仅靠深成变质作用不能完全解释沁水盆地南部煤岩进入高演化程度现象。研究区包裹体、磷灰石、锆石裂变径迹和矿物岩石学等方面均证明，区域岩浆热变质作用是沁水盆地南部煤岩进入高演化阶段的主要原因。岩浆热事件使煤层温度迅速升高，一方面会导致煤层生气量的增加，另一方面使原先生成的烃类发生裂解。在晚侏罗世，燕山构造运动使沁水盆地煤层强烈抬升，造成煤层出露于地表并遭受地表水的渗入，原始煤层气的同位素在水动力条件下发生分馏效应，构造抬升过程中煤层温度和压力的改变又可能发生煤层气的解吸-扩散效应和生物改造作用，改变了原始煤层气的地球化学特征。因此，沁水盆地煤层气为与岩浆相关的热裂解气，且经历了次生改造作用。

与沁水盆地南部不同，韩城地区煤层气的主要来源为热降解气成因，韩城地区煤层热演化程度处于贫煤阶段，R_o值在1.6%～2.2%的范围内，属于热降解气生成阶段。在白垩纪末期，燕山构造运动使韩城地区煤层抬升，煤层出露并接受地表水的补给和渗入，水动力条件、生物作用及解吸-扩散作用使煤层气发生同位素分馏效应。

阜新盆地煤处于低成熟热演化阶段，R_o主要分布于0.5%～0.6%之间，受辉绿岩墙侵入引起的接触变质作用的影响，局部煤层R_o可达到1%以上。根据判别图版，阜新盆地煤层气主要属低成熟热降解气，并有次生生物气的混合。