中国煤层气地球化学特征及成因论文.doc

中国煤层气地球化学特征及成因论文 煤层气成因研究一直是人们关注的热点问题之一前人对煤层气的成因类型与地球化学示踪指标先后进行过研究Rightmlre、RiceC2将煤层气划分为生物成因气和热成因气；Scott3将煤层气划分为原生生物气、次生生物气和热成因气；Smith4对次生生物气的地球化学特征进行了研究；戴金星将煤层气划分为原生或原型煤层气和变干或变轻煤层气总体看来有关煤层气的成因类型研究目前尚缺乏统一的认识笔者主要利用中国目前己进行煤层气开发试验的沁水、阜新等地区煤层气地球化学分析结果结合煤层瓦斯资料剖析中国煤层气的地球化学特征以期对煤层气的成因形成一个系统性的认识 1煤层气地球化学特征 11组分特征 从国内外煤层气开采的钻井排采气、钻井煤岩解吸气及其组分分析发现煤矿采掘面的煤岩解吸气组分变化较大其次为煤矿抽放气和钻井煤心解吸气而最具代表性的排采气的组分变化较小根据排采气的数据统计煤层气的组分以甲烷为主甲烷含量一般大于97%部分在99%以上；重烃气的含量较低一般小于1%多数小于01%；非烃气体一般小于2%非烃气体中主要为凡其次为C2以前者为主（表1） 13煤层气与常规天然气地球化学特征对比 由于煤层气主要赋存于煤层并以吸附气为主基本上没有经过二次运移同时煤层气的气源类型单一因此煤层气地球化学特征与常规天然气有一定的差异煤层气组分主要表现于高甲烷含量和低重烃气为干气或特干气；常规天然气不同演化阶段气体组分不同未成熟的生物气和高成熟的裂解气为干气成熟阶段生成的热降解气重烃含量较高为湿气由于煤层气碳同位素受后期改造影响较大表现碳同位素偏轻；常规天然气碳同位素主要受源岩母质类型和演化程度影响随着演化程度增高碳同位素逐渐变重期地质改造根据煤的演化程度原生煤层气分为生物成因甲烷和热解成因甲烷 煤化作用是从泥炭向褐煤到无烟煤的转化过程原生生物成因甲烷主要发生于由植物转变为泥炭阶段即相当于煤层埋藏初期成岩作用早期到亚烟煤阶段热演化程度只97%S13C！19%是在高温（250C）条件下残余干酪根、液态烃和部分重烃裂解形成甲烷重烃含量低热成因煤层气在形成过程中随着煤岩热演化程度的增高主要产出甲烷、二氧化碳和重烃这3种组分在煤岩热模拟实验中显示甲烷含量是随着热演化程度增大而增大二氧化碳和重烃随着热演化程度的增大而变小煤岩在热演化初期C2含量很高早期CO2含量可达60%以上但最终的煤层气成分以甲烷为主这主要是煤岩热演化程度越高甲烷产率越大并且煤层对其吸附性强而早期形成的CO2容易溶解于水被水带走不容易赋存于煤层中原生热成因煤层气组分主要是CH4其次为N2、C2和重烃对中国不同地质时代358个井田（矿）的热解成因煤层气组分统计表明CH4含量为6655%9998%一般为85%93%；CO2含量为03558%一般小于20%；N2的含量变化很大但一般小于10%；重烃气含量随煤级不同而变化；甲烷碳同位素值一43%一10%明显比生物气的甲烷碳同位素重 中国以原生热解煤层气为主的煤层气藏主要发育于中高煤阶含煤盆地这类盆地的煤层都经历了两次煤化作用一般都经历过12个生气高峰并在异常高的古地温场下发生二次生气作用为煤层气成藏富集提供了强大的气源高煤阶煤层气的成因以热成因为主煤层随着埋深、温度、压力的增大和煤化作用的增强煤变成富碳和富氢的挥发性物质而甲烷、二氧化碳和水是去挥发分作用过程中的主要产物如沁水盆地煤的变质程度普遍较高从气煤到无烟煤都有分布在盆地北部和南部主要为无烟煤及贫煤Ro为22%40%煤层气主要为热成因沁水盆地南部从海西期至今上古生界煤层经历过快速埋藏、埋深小幅波动和埋深持续减小的构造演化古地温经历了正常、高异常和正常3个阶段三叠纪末期在正常古地温条件下煤层达到最大埋深由于区域变质作用造成煤层气的第一次生成累计生气量达到8145m3/t主要是生成原生生物气；燕山期热事件造成煤阶增高引起煤层气的第二次生成这次生气范围广生气强度大累计生气量可达35910m3/t主要为热成因煤层气为目前沁水盆地南部的主要成因类型（图3）沁水盆地南部潘庄、樊庄排采井煤层气CH含量达到98%以上重烃、N2、C2含量均较低为特干气甲烷碳同位素值为一3539%2963%也表明以热成因煤层气为主 中国煤层气地质条件复杂没有绝对的原生煤层气由于不同成因煤层气的混合造成组分和碳同位素值的不确定性因此在判断煤层气成因时要结合煤的热演化程度和煤所处的地质条件才能更好地判识煤层气的成因 Z2煤层气次生改造作用 次生改造作用是煤层气受后期改造的一个特色对煤层气地球化学特征影响较大可使煤层气组分和同位素发生变化有别于常规天然气煤层气次生改造主要包括解吸作用、次生生物作用和水溶解作用 22、1解吸作用 煤岩具有多孔隙介质和较大的比表面积对气态物质具有很强的吸附作用煤层气一般以吸附态赋存于煤层中煤的吸附是属于物理吸附符合Langmmr方程24即当温度一定时在一定的压力范围内煤对煤层气（甲烷）的吸附能力随压力升高而增大反之当压力下降时吸附态煤层气则会逐步或部分发生解吸而变为游离态 煤层气在解吸过程中其组分和碳同位素组成都可发生解吸分馏变化通过对13CH4与12CH4在煤孔隙表面的吸附特性及其吸附势研究认为13CH在煤孔隙表面的吸附势与吸附空间普遍大于12CH4且有随压力增加而增加的趋势在高压下煤对13CH4的选择性更强；在吸附势相同时吸附同样体积的甲烷所需的压力13CH4比12CH4低13CH4与煤表面作用的色散力高于12CH4这一机理说明在等压条件下优先解吸的是12CH4而13CH4则具有优先吸附、滞后解吸的特点因此煤层气随解吸时间增加解吸甲烷碳同位素具有变重趋势 对于煤层气解吸对甲烷碳同位素的分馏变化中国不少学者做过这方面的实验沁水盆地样品的解吸实验结果发现随着解吸时间的增加样品解吸气中甲烷同位素变重相同时间的解吸作用再次解吸气比初次解吸甲烷同位素重（表3）对云南富源县1口钻井的二叠系第16煤层的煤心进行了煤层气同位素解吸分馏实验在自然条件下进行一次性气体解吸对连续解吸出的气体按先后顺序进行了9次取样测试甲烷碳同位素组成变化依次为+451%一464%0469%o一465%o一463%一462%一460%460%一451%除了前3次甲烷碳同位素值稍为变轻外从第3次开始甲烷碳同位素值依次变重；对甘肃宝积山煤田井下1个煤样实验块煤第一、第二次解吸气的S13C1值分别为394%和330%这些实验也验证了煤层气解吸的分馏效应 由于煤层气的解吸分馏效应随着解吸时间的增长和优先解吸出的12CH4的散失在不考虑煤层气水溶解分馏效应的情况下解吸作用可致使煤层气组分和甲烷碳同位素的变化甲烷碳同位素应比原生煤层气的要偏重 12、2次生生物作用 次生生物作用可以发生于不同煤阶的煤层但主要发生于低煤阶现在中国低煤阶含煤盆地发现了次生生物气如山西霍州李雅庄煤矿山西组2号煤层Ro为087%096%煤层气样的CH4含量为9935%6835%C2H6含量为0022%001%N2含量为463%3087%含少量的C2（038%006%）及Ar、S2等组分（图4）烃类组分的干燥系数匕/匕均大于0999；S13Ci为一591%o617%从组分特征来看S13C1一55%属于原生生物气；而热成因煤层气的S13C1值则一般大于一50%其主体分布范围约在一45%一30%因此李雅庄煤层甲烷的碳同位素组成具有典型生物气的特征但正常的情况下煤岩R值为08%10%时应处于热成因甲烷开始产生的阶段而李雅庄煤层气碳同位素值表现的煤岩演化阶段与镜质体反射率相矛盾这恰恰是次生生物气的特征2629表明李雅庄煤层气主要为次生生物气由于构造运动导致地层抬升后上覆地层的剥蚀前期达到热成熟阶段的煤层出露地表或与地表水直接沟通形成的热成因气大量散失但在生物作用下煤层仍然可以继续生烃即次生生物气煤层中一般都或多或少的保留下一定数量的热成因气因此后期生成的次生生物气则必然与早期热成因气相混合 实验研究次生生物成因与热成因混合所引起的甲烷碳同位素变化效应首先采集了两组煤层气气样一组为产自海拉尔盆地的气样（1号样品）其甲烷含量为89%S13C1值为一732%代表次生生物气；另一组为分别产自沁水盆地和靖远煤田的2个气样（2号和3号样品）其甲烷含量分别为9896%和975%S13C1值为一312%和一424%代表不同热演化阶段的热成因气然后将2号样和1号样3号样和1号样分别按8：2、：4、=5、=62=8的体积比例混合配置成两个系列（各由5个样品组成）的实验用样品代表次生生物气与热成因气以不同比例混合的煤层气并对混合气样的甲烷碳同位素组成进行了测试（表4） 实验结果表明：每一系列的所有混合样品的S13C1值均介于其两个原始样品的S13C1值之间；随生物气的含量比例降低系列混合气样的S13C1值依次变重；系列样品的S13C1值的变化幅度虽然并不严格符合两种原始气的配置或混合比例但仍然具有明显的规律由此可见两种不同成因类型煤层气的混合将导致甲烷碳同位素组成发生显著的变化次生生物气作用通常与煤层的破坏有着密切的联系前期的热成因气散失严重因此后期生物作用的进程与生成的次生生物气量决定了煤层气碳同位素的表征 12、3水溶解作用 从我国主要大中型煤成气田天然气与我国主要含煤盆地和澳大利亚南悉尼盆地煤层气的甲烷碳同位素统计对比发现煤层气甲烷碳同位素值与常规煤成气甲烷差别很大煤层气甲烷碳同位素普遍轻于常规天然气甲烷碳同位素即煤层气甲烷碳同位素比常规煤成气偏轻煤层气明显富集12CH4M（5）我国华北地区太原组煤系直接覆盖在奥陶系灰岩之上煤系与下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层强径流带容易产生水力联系所以太原组的煤系水动力条件往往强于上部的山西组煤系在煤层甲烷碳同位素值方面太原组的煤系甲烷碳同位素轻于山西组煤系的现象十分普遍例如沁水盆地南部地区晋试2井、晋试3井均显示出太原组15号煤层甲烷碳同位素轻于山西组3号煤层（图6） 图6沁水盆地南部地区3号、5号煤层甲烷碳同位素值特征 煤层甲烷通过盖层扩散散失煤层甲烷碳同位素应该变重而不是变轻因为12CH4比13CH4容易扩散扩散效应会使煤层中13CH4富集因此不大可能是扩散作用导致煤层甲烷散失；煤层甲烷的损失也不可能是水驱作用因为水驱过程中存在气水界面不会使煤层甲烷碳同位素发生变化 水溶解作用可以使煤层甲烷碳同位素发生分馏作用使煤层中残留的甲烷碳同位素值变轻m323模拟实验用蒸馏水在常温下对天然气进行长时间的淋滤结果表明经过水淋滤后的天然气甲烷碳同位素会明显变轻；随着淋滤时间增加甲烷碳同位素变轻程度加大（图7）说明水溶解作用对甲烷碳同位素可以产生分馏效应更容易把13CH4溶解带走径流水区地下水对煤层气破坏的现象除了使含气量降低外主要表现在流动的地下水可使煤层甲烷碳同位素变轻变轻的程度受水动力强度影响因此由于奥陶系灰岩层地层水的冲刷溶解作用我国华北地区太原组煤层气甲烷碳同位素值轻于上覆的山西组但在局部滞留区则表现出正常的甲烷碳同位素垂向变化序列（图6） 3结论 （1）我国煤层气组分以甲烷为主为干气煤层气甲烷碳同位素分布于一723%0249%0具有双峰分布特征重碳同位素主要分布于一28%40%0 主要分布于高煤阶地区轻碳同位素主要分布于一48%一64%主要分布于中低煤阶地区；乙烷碳同位素值分布于一267%0125%0与常规天然气中的煤成气乙烷碳同位