煤与煤岩组分及聚煤特征对煤成气的影响

煤与煤岩组分及聚煤特征对煤成气的影响

中国有40多个煤炭盆地，煤炭资源丰富。根据天然气勘探结果。我国60%以上的大中型气田的气源与煤和煤系源岩有关,近年来鄂尔多斯盆地发现的苏里格大气田、陕141大气田和塔里木盆地库车坳陷发现的克拉2大气田,以及吐哈盆地发现的油气田,其形成都与煤系烃源岩有关。各类含煤岩系的煤岩组成、热演化阶段和有机地球化学特征控制了煤成气态烃和液态烃的产率和分布。在煤岩组成与煤成烃机理、煤成烃判识和煤成油气的评价等方面已进行了较多研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22],但对我国煤成烃的勘探前景尚有不同认识。本文在已有研究成果的基础上,重点将共聚焦激光扫描显微镜和13CNMR(13C核磁共振)等观测分析结果与煤岩显微组分的热演化生烃模拟实验的结果相结合,进一步讨论煤成烃的成因与评价。1岩和煤形成的组成1.1均质镜质体在热演化实验中的产率我国主要大型含煤盆地中,西北侏罗系煤、华北石炭-二叠系煤和第三系煤均以富含镜质组、惰质组的腐殖煤为主,东北第三系煤镜质组含量一般达67.7%～98.2%,辽宁、吉林第三系煤的镜质组含量更高(见表1)。据吐哈盆地侏罗系煤镜质组的模拟实验结果,热演化过程中主要产气态烃。镜质组中均质镜质体和基质镜质体的生烃性能有一定差别,Ro值达2%的均质镜质体在热演化实验中气态烃产率为77.41mg/g,轻烃产率为6.73mg/g(见图1a),气态烃和轻烃共占总产烃率(84.7mg/g)的91.4%。在煤成液态烃最主要的中等演化段(Ro值为1.0%),气态烃+轻烃的产率为33.53mg/g,占总烃产率的95.5%,其中轻烃产率占34%,液态烃产率为1.57mg/g,仅占总烃产率的4.5%。煤中均质镜质体在热演化过程中基本是生气,特别是高成熟的含煤盆地,勘探方向主要为煤成气。基质镜质体在热演化实验中气态烃产率为141.9mg/g,轻烃产率为6.17mg/g(见图1b),气态烃+轻烃占总烃产率(143mg/g)的99.2%,在液态烃最主要生成的中等热演化阶段的气态烃+轻烃的产率为22.14mg/g,占总烃产率的71.4%,其中轻烃产率占56.7%,液态烃产率为8.86mg/g,占总烃产率的28.6%。吐哈盆地侏罗系煤中基质镜质体比均质镜质体的总产烃率高0.7倍,液态烃产率高4.6倍,在中等演化程度阶段有部分液态烃产出。1.2煤中壳质组含量已有研究结果表明,煤中H/C原子比高的壳质组是有利的生油组分。根据澳大利亚吉普斯兰盆地和库珀盆地煤成烃的产出规律,煤中富氢组分要达到20%～30%,或煤和含煤岩石中每克有机碳的液态烃产率要达到30～80mg/g,才能排烃运移,形成有工业价值的煤成油田。我国多数含煤盆地煤中壳质组含量不高,一般达不到以上标准,并且壳质组在煤中的分布有很大的不均匀性,仅在少数地区或含煤岩系的个别层段壳质组比较富集。我国著名的江西乐平和浙江长广一带分布的二叠系树皮残殖煤中的树皮体含量高达70%～80%,甚至更高,河北苏桥、山东兖州等地均有含壳质组比较富集的煤分层,南方第三系也有部分富含壳质组的层段。在已发现煤成油产出的吐哈盆地,侏罗系西山窑组(J2x)和八道湾组(J1b)煤中壳质组含量一般不太高,据大量样品常规煤岩显微组分的定量资料[11,12,13,14,15,16,17,18,19],西山窑组煤中壳质组平均含量为9.45%,八道湾组煤中壳质组平均含量为6.46%。但西山窑组和八道湾组都见有煤中壳质组含量较高的分层。在西山窑组39件样品中,壳质组含量大于10%的占45%,其中个别样品壳质组含量高达38%,八道湾组壳质组含量相对低一些,57件样品中壳质组含量大于10%的占22.3%,其中个别样品的壳质组的最高含量为27.5%,常规煤岩显微组分的定量结果见表2。据样品观察,吐哈盆地存在煤成油,除了煤中有壳质组含量相对较高的分层以外,另一个重要因素是煤中广泛存在多种类型的微壳质体和发棕褐色荧光的基质镜质体。用分辨率较高的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察,发现基质镜质体和结构镜质体中常包含较多微米级—亚微米级的的微壳质体。例如结构镜质体和基质镜质体中的微树脂体(见图2a、图2b)、分布在结构镜质体边缘的微荧光质体(见图2c、图2d)、微渗出体(见图2e)、结构镜质体中分布有网络状荧光沥青体(见图2f),以及零星分散于基质镜质体质中的微壳屑体、微藻屑体等,微壳质体含量可达10%～20%。吐哈盆地侏罗系煤中比较常见的壳质组主要包括细角质体、木栓质体、孢子体和分散与溶散在基质镜质体质中的各种微壳质体,它们都是煤成液态烃的重要物源。由于煤中富含微壳质体的荧光基质镜质体比较丰富,可能对煤成油的贡献也较大。煤中H/C原子比比较高的富氢显微组分主要包括角质体、孢子体、树脂体、木栓质体、树皮体、藻质体、沥青质体和沥青渗出体等。它们在一般腐殖煤中含量不高,但一些多水的湖、沼沉积和水流比较通畅的沼泽沉积中常存在富含以上壳质组的煤分层。由图3可见,藻质体和角质体液态烃产率最高,在液态烃的主要生烃阶段,藻质体液态烃产率达377.4mg/g,角质体液态烃产率达276.9mg/g,孢子体液态烃产率为69.8mg/g,树皮体的液态烃产率为40.3mg/g,气态烃产率为98.4mg/g,这主要与树皮体煤源岩的镜质组反射率稍高有关。壳质组中各种壳质体的生烃性能也有一定差别,据实验研究结果,在中等热演化阶段(Ro值为0.7%～1.0%),不同壳质体的液态烃产率为40.3～377.4mg/g,约占总烃产率的45%～85%,最高可达89%。2煤的热演化及脂链碳等元素含量与煤的碳化指标的关系煤和煤岩组分的分析测定结果(见表3)表明,不同热演化程度和不同显微组分的结构参数差别很大。生烃量大和生油性能好的壳质组,H/C原子比的值高,芳碳率低,脂碳率高,甲基、α亚甲基、亚甲基和次甲基含量较高;而生烃性能相对较差并以生气为主的富镜质组—惰质组的腐殖煤的H/C原子比的值较低,芳碳率高,脂碳率低,甲基、α亚甲基、亚甲基和次甲基含量低。随着煤的热演化程度增高,H/C原子比的值降低,芳碳率增高,脂碳率降低,甲基、α亚甲基、亚甲基和次甲基含量降低,芳香碳缩聚程度增加,向石墨化方向发展。煤的Ro值由0.59%增高到4.68%(长烟煤—无烟煤),H/C原子比由0.83降低到0.37,芳碳率(faTOSS)由0.68增高到0.93,脂碳率(fA1)由0.21降至0.01,脂碳中对液态烃产出意义最大的脂链碳fAH(亚甲基、α甲基、次甲基)含量很低。与相同热演化程度的烟煤和镜质组相对比,各种壳质组都明显富氢(见表3),壳质组的H/C原子比一般大于1,最高达1.5,fa均较低,一般小于0.5,而且脂碳中对液态烃产出意义最大的fAH高达0.31～0.52,比相同热演化阶段的全煤样镜质组高了3～5倍,说明煤成液态烃能力主要与壳质组和煤大分子结构中的亚甲基、α甲基、次甲基的含量有关。据煤热演化样品的核磁共振分析,在300～350℃时TDDH(质子偶极去相)和T1H(质子自旋晶格驰豫时间)出现双指数,表明有流动相产生。3热演化对煤生烃性能的影响在国内外煤成烃的勘探实践中,很多学者已针对不同含煤盆地和不同的实验研究方法,提出过多种煤成烃的评价方法和指标。煤成烃评价的思路与石油地质中烃源岩的评价相比,其主要特点是由于煤和含煤岩石是有机质高度富集的沉积岩,一般不存在有机碳的下限指标问题,有机碳含量仅在煤成烃资源计算中十分重要。此外,由于煤在不同热演化阶段都有天然气产出,煤在不同热演化阶段的物理化学性质和产烃性能差别很大,各种生烃性能的测定指标受热演化程度影响很大。本文讨论煤成烃的评价指标,主要是针对低成熟烟煤生气和生油性能的评价指标,特别是有利于反映含煤盆地煤成油勘探前景的指标。分析实验研究结果表明,能反映煤生烃性能的指标很多,例如:煤岩组分中的壳质组类型和含量,元素组成中H/C原子比的高低,热解分析中S1、S1+S2、TOC、IH指数、有机碳和有效碳的含量,13CNMR测定中的芳碳率和脂碳率以及甲基、亚甲基、次甲基的含量,以及可溶有机质氯仿沥青“A”含量等。其中比较经济实用的主要指标是Rock-Eval热解分析中的S1、S2、TOC、IH指数