中国煤层气地球化学特征及成因

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1、中国煤层气地球化学特征及成因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。Rigre、RiceC2将煤层气划分为生物成因气和热成因气；Scott[3]将煤层气划分为原生生物气、次生生物气和热成因气；Smith[4]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

2、个系统性的认识。1煤层气地球化学特征1.1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0.1%;非烃气体一般小于2%，非烃气体中主要为凡，其次为C〇2，以前者为主（表1)。1.3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

3、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

4、只。0.5%。这一阶段，由于煤层埋藏浅、温度低，腐殖型干酪根经厌氧细菌进行生物化学降解作用而生成，这类气体以高甲烷含量和轻甲烷碳同位素为特征，甲烷含量一般97%，S13C!一55%。。由于煤层气原生生物气形成时间早，煤层处于成岩作用阶段，上覆盖层还没有有效的封闭，因此，煤层中的原生生物气很难保存下来，尤其是中国高煤阶煤层气藏，经历了多次构造活动和煤层的深埋与抬升，很难见到原生生物气的踪迹。原生生物气一般出现于煤岩成熟度很低的阶段，如吐哈盆地沙尔湖地区中侏罗统西山窑组煤岩热演化程度为褐煤，煤岩R。为0.40%?0.47%，沙尔湖地区SS3井侏罗系5个煤层气组分测试结果表现

5、出原生生物气特征(表2)。煤化作用到高挥发分A烟煤至无烟煤阶段，主要是热成因形成的煤层气，经历热降解作用和热裂解作用。热降解作用发生于成煤作用的长焰煤到瘦煤阶段，煤岩热演化相当于R。为0.5%?1.9%。这一阶段是腐殖型干酪根经过热催化作用降解形成甲烷，以产气为主，也可生成少量煤成油，在气煤、肥煤和焦煤阶段，油、重烃和甲烷各自均有一次产出的高峰期[8]。煤型热解气仍以甲烷为主，但重烃增多，重烃含量约在3%?20%。热裂解作用发生于贫煤到无烟煤阶段，煤岩热演化相当于只。1.9%，是在高温（250°C)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

6、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，C〇2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、C〇2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66.55%?99.98%，一般为

7、85%?93%；CO2含量为0?35.58%，一般小于2.0%；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1?2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