Question

煤层气的成生及演化

Answer 1

研究煤层气的成生机理，首先应当研究煤岩生成演化的地质历史。煤炭源于陆生高等植物，煤的原始有机物质主要是碳水化合物、木质素，成煤作用由泥炭化和煤化作用两个阶段完成。在泥炭化阶段，聚积在沼泽、湖泊及滨、浅海环境下的大量植物遗体，堆积在泥炭坪，经过生物化学作用形成泥炭。随着沉积盆地的沉降，后期沉积物的覆盖，埋藏的深度不断地增加，地层温度、压力也随之增高增大，泥炭变为褐煤。褐煤经过相当长的地史时期，在温度、压力的作用下，变为烟煤—无烟煤。由植物—泥炭—褐煤—烟煤—无烟煤，是经过未成岩—成岩—变质作用，泥炭化—煤化的全过程。

煤的有机质基本结构是甲基、羟基、羧基、醚基等的缩合稠环芳烃，带有侧链和官能团。煤中的碳元素主要集中在稠环中，稠环的结合力强，极其稳定。侧链及官能团之间，以及与稠环之间的结合力较弱，很不稳定。在煤化过程中，随着地温增高，侧链及官能团断裂、脱落不断减少，即有机质脱甲基侧链和含氧官能团作用，而生成以CH₄为主的烃类物质及N₂、CO₂、H₂O等挥发物。煤化过程中，在各种挥发物产出的同时，伴随桥链破裂，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳网中，随着煤化作用的加深，基本结构单元中缩合聚芳核数目不断增加，到无烟煤阶段，主要由缩聚芳核所组成。

石油有机地球化学认为，石油、天然气源于不溶有机溶剂的沉积有机质——干酪根。在现代沉积有机质中，干酪根占有绝对量，但在埋藏过程中有机物经过热降解作用，转化成有限的可溶物质和以烃类为主的挥发物。根据干酪根的元素组成，可以划分为两种类型及介于中间的混合过渡型。两种类型之一是H/C初始比低于2，富含饱和结构，以直链碳构架为主。沉积物富含有机碳，为单胞藻遗体和类脂体，这种干酪根被认为是腐泥型，热降解产物主要是重烃，伴有轻烃和甲烷及其它气体。另一种类型H/C低于1，富含氧，碳构架属杂环或多环类型，以木质素高等植物遗体为主，类脂体少，这种类型称腐殖型，热降解的主要产物是CH₄（干气），同时也伴有轻烃或微量重烃（液态）及其它挥发物。由此可见，成煤理论所谓的煤化作用的地球化学过程，油气成生演化理论所述的有机地球化学过程，即干酪根热降解作用，两者阐述的都是有机质经过地球化学热演化机理的同一过程。

泥炭化阶段属成岩期前阶段，成煤有机物质在<50℃低温条件和地表氧化环境中，由于生物化学（细菌）作用生成少量甲烷及二氧化碳等，呈水溶状态或游离状态散失，在覆水较好的还原环境中，成煤有机质向煤岩转化。

褐煤属煤化作用的低变质烟煤阶段，为干酪根未成熟期，已经进入早期成岩阶段，地温（TTI）＜50℃，镜质体反射率R_o，max<0.5%。此期生物化学作用逐步减弱，有机质热降解已经开始并且逐步加深，泥炭中的成煤有机物质（腐殖型干酪根）向褐煤转化，同时生成甲烷及其它挥发物，成油有机物质（腐泥型干酪根）向沥青质转化的同时亦生成甲烷及少量其它烃类等挥发物。

烟煤阶段的长焰煤、气煤和肥煤、焦煤分属低变质烟煤和中变质烟煤阶段，R_o，max为0.5%～1.3%，此期已进入成岩阶段，亦已进入生油门限，是腐泥质干酪根演化的成熟期，有机沉积物埋深可达1000～4500 m，地温（TTI）为15～160℃，有机质经过热降解，有重烃、轻烃、甲烷及其它挥发物产出。烃演化成熟期还可分三个小阶段：开始生油阶段地温（TTI）为15℃以上，R_o，max为0.65%，是生油门限；生油高峰阶段地温（TTI）为75℃以上，R_o，max 为>0.65%，CPI值为1.1左右；终止生油阶段地温（TTI）为160℃，R_o，max为<1.30%，CPI值<1.3，是生油死亡线。烃演化成熟期正是煤岩变质生烃期，自褐煤开始进入成岩期，随着地层温度的升高，在一定地层压力条件下，成煤有机物质（腐殖型干酪根）经热降解开始生气，烃演化成熟期也是煤化生气的高峰期，“生油死亡线”并非生气死亡线，随着煤层埋深增加，煤岩变质程度继续增高，煤岩生气量还会增高。

烃演化的过成熟阶段可分为早期与晚期。早期阶段是凝析油、湿气阶段，R_o，max为1.30%～2.00%，地温>160℃，埋深>4500 m，相当于焦煤（R_o，max为1.20%～1.70%）、瘦煤（R_o，max为1.70%～1.90%）、贫煤（R_o，max为1.90%～2.50%），是煤化过程主要生气阶段。晚期阶段R_o，max为2.00%～4.50%或>4.5%，属无烟煤或超无烟煤阶段，煤化作用晚期，气体以甲烷为主。随着烃类气体生成量的增加，煤岩基质结构也在不断变化，由于成岩压实作用而使煤岩孔隙、裂隙变少，储集性能变差。中变质煤岩生气量增加，储集性能较好，是有利生气阶段，高变质煤生气量增加，储集性能变差，虽然生气量大，但储集条件变差，煤级越高煤岩变质程度越高，煤储集性能也越差。当然，在煤岩质变至一定程度时，煤岩排烃完结，即生气终止。