淮南晚古生代煤的生烴特征及地質(zhì)意義

秦國建

(煤炭科學(xué)研究總院西安研究院,陜西 710054)

1 引言

淮南煤田是我國華東地區(qū)的重要能源基地,是一個(gè)典型的二疊紀(jì)煤田。其二疊紀(jì)含煤地層厚度變化在610～920m之間,該煤系含煤38層,主要賦存于山西組和上、下石盒子組,其中,13-1煤層、11-2煤層、8煤層、1煤層是主要可采煤層。本煤田受構(gòu)造活動也巖漿活動影響較大,潘集和丁集附近的煤礦井下,見有巖漿侵入體。

煤作為良好的烴源巖,也是獨(dú)特的儲層。組成煤的不同有機(jī)組分,生烴特征差異較大,從某種程度上影響著不同地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征及開發(fā)潛力。本文嘗試以煤的物質(zhì)組成特征為基礎(chǔ),進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型、生氣階段和生氣能力等方面的探討,為煤層氣開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

2 煤儲層的物質(zhì)組成特征

2.1 宏觀煤巖特征

通過對部分礦井的主要煤層進(jìn)行井下觀測與描述,主要煤層的宏觀煤巖類型總的是以半亮煤、半暗煤為主,暗淡煤和光亮煤較少 (圖1)。煤層多呈條帶狀結(jié)構(gòu),以細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)和線理狀結(jié)構(gòu)為主。宏觀煤巖成分中以亮煤和暗煤較多,鏡煤較少,它們交互成層形成條帶狀結(jié)構(gòu)。

表1 新集礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)含量

圖1 重點(diǎn)礦區(qū)主要煤層的煤巖類型和煤體結(jié)構(gòu)圖

各主要煤層中的構(gòu)造煤比較發(fā)育。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤發(fā)育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤為主,上部以碎裂煤為主;8煤以碎粒煤、碎裂煤為主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤發(fā)育 (表1、圖1)。

2.2 顯微煤巖特征

通過主要煤層的顯微組分統(tǒng)計(jì)及顯微鏡下組分鑒定可以看出,淮南不同礦區(qū)各主要煤層的顯微組分中殼質(zhì)組含量比較高 (表2)。

鏡質(zhì)組是各礦區(qū)主采煤層的主要成分,平均值39.5%～81.64%(表2)。煤田內(nèi)由東向西,鏡質(zhì)組含量增高;垂向上,除潘集外,大部分礦區(qū)主要煤層的鏡質(zhì)組含量有自上而下增高的趨勢。顯微鏡下以均質(zhì)鏡質(zhì)體和細(xì)條帶狀或充填狀的基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。

惰質(zhì)組平均含量為17.13%～55.87%。顯微鏡下觀測,主要由粗粒體、碎屑惰質(zhì)體、絲質(zhì)體組成;粗粒體多呈絮狀、云朵狀、團(tuán)塊狀和基質(zhì);絲質(zhì)體主要是氧化絲質(zhì)體,細(xì)胞結(jié)構(gòu)一般保存較差,多呈星狀。

殼質(zhì)組含量高是淮南各礦區(qū)煤的一大顯微煤巖特征,其平均含量4.63%～16.62%,其含量空間變化規(guī)律不明顯。顯微鏡下觀測,13-1、11-2、8號煤層以樹皮體為主,6號煤層以孢子體為主,其次是角質(zhì)體、碎屑?xì)べ|(zhì)體和樹脂體。

表2 部分礦區(qū)主要煤層的顯微煤巖組分、煤質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表

2.3 煤質(zhì)特征

通過對主要煤層的工業(yè)分析和元素分析測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,各礦區(qū)主要煤層的水分含量0.56%～2.31%;灰分含量15.41%～24.30%,屬低中-中灰煤;揮發(fā)份含量21.49%～41.65%。碳含量85%以上,氫含量5.4%左右 (表2)。

3 生烴階段與生烴潛力

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

淮南煤田煤的有機(jī)組成主要是鏡質(zhì)組,其次是惰質(zhì)組,殼質(zhì)組含量較高,有少量的腐泥質(zhì)。根據(jù)P.K.Mukhopaclhyay,H.W.Hagemann及J.R.G ormli關(guān)于干酪根類型的劃分,腐泥質(zhì)屬于Ⅰ型干酪根,殼質(zhì)組屬于Ⅱ型干酪根,鏡質(zhì)組屬于Ⅲ型干酪根,惰質(zhì)組屬于Ⅳ型干酪根。Ⅰ型干酪根主要生成油,Ⅱ型干酪根可生成油和氣,Ⅲ、Ⅳ型干酪根生成氣。

根據(jù)不同顯微組分的生烴特征,按有機(jī)組份百分含量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,通過相關(guān)公式計(jì)算,淮南各礦區(qū)主要煤層的干酪根類型指數(shù)TI值為 (-55～-74) ＜0,屬于Ⅲ型干酪根,以產(chǎn)氣為主。

3.2 煤層氣生成階段

煤系地層形成后,進(jìn)入三疊紀(jì),一直連續(xù)接受沉積,當(dāng)埋深達(dá)1600m時(shí),大約為早三疊世,煤層溫度大約有60℃ (古地溫梯度2.65℃/100m,常溫帶16.8℃),煤分子開始發(fā)生熱裂解、聚合、變質(zhì),隨之熱解氣生成,隨著埋深、溫度、壓力增高,直至中三疊世,煤層埋深約2600m,地溫為86℃左右,伴隨煤深成變質(zhì)作用進(jìn)行,氣生成。印支運(yùn)動使地殼抬升,終止了煤的深成變質(zhì)作用及氣的生成,但繼之而來的是印支運(yùn)動增強(qiáng)了該區(qū)的熱流值,地溫增高,出現(xiàn)二次變質(zhì)和二次生氣,該地溫持續(xù)到燕山期 (140Ma),持續(xù)時(shí)間120～60Ma,盡管期間溫度提高不多,但持續(xù)時(shí)間長,因而一直有煤層氣生成,140Ma之后地溫開始降低煤變質(zhì)作用停止,煤層氣生成也隨之終止。

3.3 煤的生烴特征

肖賢明等根據(jù)干酪根光學(xué)鑒定及單組分的熱模擬和地球化學(xué)研究,提出中國陸相烴源巖的產(chǎn)烴指數(shù)HP和產(chǎn)油指數(shù) OP,根據(jù)顯微組分定量結(jié)果,可按下式計(jì)算：

式中 xi,yi——分別代表第 i類生烴母質(zhì)與生油母質(zhì)百分含量;

HPi,OPi——分別為 i生烴母質(zhì)的產(chǎn)烴指數(shù)HP與產(chǎn)油指數(shù)OP值。

淮南各主要礦區(qū)煤中殼質(zhì)組主要是孢子體、樹皮體,次是角質(zhì)體、碎屑?xì)べ|(zhì)體和樹脂體,少量的瀝青質(zhì)體、藻類體、熒光體。產(chǎn)烴指數(shù)殼質(zhì)組采用650,鏡質(zhì)組采用150,惰質(zhì)組采用50。產(chǎn)油指數(shù)殼質(zhì)組采用600,鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組采用0。

通過上述公式計(jì)算,淮南各礦區(qū)煤的產(chǎn)烴指數(shù)主要 (∑HP)為141.7～226.9,產(chǎn)油指數(shù) (∑OP)為31.80～114.81(圖2)。可以看出,淮南煤田的煤以產(chǎn)氣為主,可生成少量的油。

4 結(jié)論

(1)礦區(qū)內(nèi)各主要煤層中的構(gòu)造煤比較發(fā)育。整體上,糜棱煤、碎粒煤占到50%以上。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤發(fā)育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤為主,上部以碎裂煤為主;8煤以碎粒煤、碎裂煤為主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤發(fā)育。

(2)本區(qū)煤中殼質(zhì)組含量高,平均含量4.63%～16.62%;通過顯微組分求出的干酪根類型指數(shù)TI為 (-55～-74) ＜0,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型干酪根,以產(chǎn)氣為主。其中,產(chǎn)烴指數(shù) (∑HP)為141.7～226.9,產(chǎn)油指數(shù) (∑OP)為 31.80～114.81。

(3)諸多事實(shí)表明,本區(qū)煤體結(jié)構(gòu)破碎,主要是受到礦區(qū)高地應(yīng)力、強(qiáng)烈的構(gòu)造作用所致。雖然本區(qū)煤的生氣潛力很大,但是強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動致使本區(qū)煤儲層的滲透率特低,地面煤層氣開發(fā)受限,必須采取井下煤與煤層氣一體化開發(fā)的模式進(jìn)行。

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