煤層氣地球化學特征及其控制因素

從地球化學角度介紹了煤層氣的組份和同位素地球化學特征，并從煤的顯微組分及煤層氣母質年代、煤層氣的成因類型與演化特征和煤層氣的解吸-擴散-運移效應及流體巖石相互作用等方面分析了煤層氣地化特征的主要控制因素，并初步分析了煤層氣成藏地球化學研究中的幾個關鍵問題。

煤層氣又稱煤層甲烷，指自生自儲于煤層中的氣體，屬非常規天然氣。煤礦中則將煤層中的各類氣體通稱為瓦斯，瓦斯對煤礦生產有極大的危害，煤層氣排入大氣則成為“溫室氣體”，使全球大氣升溫與生態環境惡化，從而危害人類社會的可持續發展。長期以來煤層氣一直被作為煤礦生產的一種主要災害對待，直到20世紀70年代美國在圣胡安和黑勇士盆地進行的和煤層氣地面開發試驗的成功，才真正揭示了這一新型潔凈能源的潛在經濟效益和廣闊前景。我國從20世紀80年代末以來開展煤層氣勘探開發試驗，在山西沁水盆地南部和河東柳林等地區獲得了具有一定日產量的工業煤層氣流。到目前為止，已經在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東部等地區進行了工業開發。

煤層氣地球化學研究是整個煤層氣研究與氣體地球化學中的一個新的重要分支領域，這不僅是因為煤層氣是其研究與開發利用的直接對象，而且其地球化學組成特征還包含了豐富的有關煤層氣成因、形成條件、保存程度和后期運移散失及開發利用價值等信息，在豐富氣體地球化學研究方面具有重要的科學意義和應用價值。

煤層氣成藏地球化學過程及其控制因素是煤層氣基礎理論研究的關鍵之一，但由于煤層氣成藏過程與常規油氣存在本質上的差別，煤層氣藏與常規油氣藏在成藏要素、成藏條件及制約因素等方面存在明顯的差異，在煤層氣藏地球化學領域的研究工作還十分薄弱，近年來發展起來油藏地球化學理論與技術并沒有在煤層氣成藏研究中發揮應有的作用。

隨著煤層氣成藏研究的深入，煤層氣組分與同位素在空間上的非均質性分布現象及其成因機理，煤層氣在煤儲層中的吸附、解吸、溶解、運移和擴散過程中烴類組分與同位素分餾作用，反映煤層氣在成藏過程的地球化學示蹤指標，煤層氣藏的形成-破壞歷史以及煤層氣的富集與散失的聚散動平衡等方面的地球化學研究，也越來越受到人們的關注。

1.煤層氣的地球化學特征

煤層氣組成特征。煤層氣主要由CH4、CO2、C2+、N2、H2S、H2、He等組成[1，2]，CH4為最主要的成分。Scott[3]根據美國1400口煤層氣井氣體成分的統計表明，煤層氣平均成分為CH4為93%，CO2為3%，C2+為3%，N2為1% ，干度指數（C1/C1～5）為0.77～1.0。世界各地生產礦井、煤層甲烷開采氣及煤層解吸氣的成分差異很大，C2+含量為0～70%，CO2含量為0～99%，但一般均以CH4為主。在低成熟和高成熟階段產生的氣體均以甲烷為主，其他階段所產生的煤層氣，其他氣體（如CO2、C2+等）含量會更高些。

煤層氣同位素特征。煤層氣的同位素差異也很大，CH4δ13C變化范圍為-80‰～-16.8‰，δD的變化范圍為-333‰～-117‰，CO2的同位素δ13C變化范圍為-26.6‰～+18.6‰[3]。中國煤層混合氣δ13C分布范圍廣，甲烷碳同位素δ13C1普遍偏輕，其變化范圍為-78‰～-13‰。不同地區、不同地質時代和不同煤級δ13C的分布特征也存在明顯差別[4]。

2.煤層氣地球化學特征的影響因素

煤的顯微組分及煤層氣母質年代。據Schwartzkopf[5]、Whiticar[6]，煤中不同顯微組分的δ13C值之間的差異在3.5‰左右，不同母質、不同的顯微組分生成的甲烷δ13C值不同，其中惰質組、鏡質組、殼質組的δ13C和δD值依次增大；隨著熱成熟度的增加，鏡質組和殼質組其δ13C值稍有增大，而惰質組的δ13C值變化不大。

秦勇[4]根據中國不同地質時代煤層氣甲烷碳同位素值統計結果表明，在相同煤級條件下，隨地質時代變新，煤層氣碳同位素值有變重的趨勢，這種趨勢在中生代和新生代煤層氣之間尤為突出。在整個地質歷史時期中，煤巖有機碳的δ13C1值在35億、20億和4億年前發生“階躍式”變重，導致不同層位煤層氣δ13C存在差別。其主要原因為從中生代到新生代，成煤植物由裸子植物為主要變為以被子植物為主，導致新生代煤層氣δ13C1變重。此外，新生代盆地構造歷史相對簡單，煤層抬升卸壓作用不強烈，煤層氣解吸-擴散效應相對較弱，可能也是導致新生代淺層煤層氣δ13C1更接近于原生帶的重要原因之一。

煤層氣的成因類型與演化特征。與常規油氣的生成階段劃分以及各階段產物不同，泥炭在煤化作用過程中，能過生物成因和熱成因兩個過程分別形成生物成因氣和熱成因氣。由于生物成因氣和熱成因氣在形成時間、生成溫壓、母質和生氣機理等方面的差異，所生成的煤層氣的成分和同位素特征也有較大差異[7]。煤化作用階段早期，泥炭沼澤環境中煤層埋藏淺、溫度低，熱力作用尚不足以使有機質結構變化產生氣體，由微生物對有機質分解作用形成以CH4為主要成分的生物成因氣（原生）。由于生物體對12C的富集，所以生物成因氣的δ13C1值較低，一般介于-55‰～-90‰，甚至更低。原生生物氣的形成可通過兩條途徑：CO2還原生成和醋酸、甲醇和甲胺等發酵轉化成CH4。通常由二氧化碳還原作用生成的甲烷碳同位素較輕（-55‰～-110‰），且富氘（δD值為-150‰～-250‰）；有機酸發酵作用生成的甲烷碳同位素較重，且消耗氘（δD值為-250‰～-400‰）（圖1）。

圖1 煤層氣中的CH4和CO2碳同位素特征

煤層中已生成的濕氣在相對低溫下（一般小于50度），可通過細菌降解和代謝作用形成次生生物氣（甲烷和二氧化碳）。次生生物氣的形成主要造成大量晚期輕同位素生物成因CH4能夠與前期形成的熱成因氣體混合或充填脫氣煤層，經及厭氧細菌能優先破壞大多數濕氣組分，造成CH4富集。次生生物氣的同位素比原生生物成因氣偏重，一般為-65‰～-50‰，但比熱成因氣要輕，與甲烷伴生的二氧化碳成的δ13C顯著富積，達-20‰～+30‰。

早期熱成因氣形成于煤變質作用初期。在煤變質作用之初，煤有機質芳核化程度較低，具大量帶側鏈的官能團，受熱后煤有機質發生降解作用，側鏈或官能團斷裂，生成重烴分子和甲烷、二氧化碳、水等小分子，同時煤有機大分子的芳構化程度提高，二氧化碳被水溶后帶走或進一步還原為甲烷，甲烷被保存在煤層中形成煤層氣。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第565期2014年第33期-----轉載須注名來源由于處于熱成因同位素分餾作用的早期，相對于狹義熱成因氣，早期熱成因氣輕同位素富積，甲烷δ13C為-40‰～-55‰.狹義熱成因氣形成于煤變質作用的大部分時期，相當于烴源巖演化的成熟階段、高成熟階段和過成熟階段。成熟階段生成的氣體中甲烷比例急劇升高，二氧化碳比例急劇下降，并有大量重烴氣和液態烴生成，為典型的濕氣；高成熟階段早期以熱降解生氣為主，但熱降解作用呈減弱趨勢，熱裂解作用逐漸增強，晚期以裂解作用為主。在煤層氣的熱成因過程中，隨著煤化程度的提高，氣體分子中的2C-12C鍵比13C-12C鍵更頻繁地斷開，致使殘留氣體中富集13C，所以熱成因氣體的δ13C1值隨之增大，狹義熱成因氣的同位素一般δ13C為-30‰～-45‰。隨煤變階段和煤中生烴母質而變化[10]。同時隨著煤化程度的提高，甲烷也相對富集氘（δD值大于-250‰）。

煤層氣的解吸-擴散-運移效應及流體巖石相互作用。由于甲烷比重烴容易被礦物解吸，甲烷分子中12CH4由于極性弱，比13CH4容易解吸，導致解吸帶、原生帶和過渡帶中甲烷同位素分存范圍不同，在煤層構造變動中，煤層發生強烈解吸-擴散，原生帶中富含的12CH4首先向上擴散運移，致使解吸帶中甲烷δ13C值偏輕，一般為-40‰～-70‰，原生帶中甲烷值偏重，一般為-20‰～-30‰，過渡帶煤層甲烷δ13C值介于兩都之間。據吳俊[12]研究，不同脫氣階段煤層存在分異現象，通常具有真空脫氣δ13C1<一次脫氣δ13C1<二次脫氣δ13C1的規律。秦勇研究了華北地區上古生界氣煤，其煤層氣δ13C1隨埋深增大而逐漸變重，在埋深800m～1000m左右達到全國氣煤中煤層氣的擬合統計值（-57‰～-52‰），在埋深1500m左右趨于腐殖型常規天然氣的甲烷穩定碳同位素組成，在埋深2000m之后基本上不再變化，保持在-45‰～-35‰之間，并由此認為，①原生煤層氣的甲烷碳同位素組成與常規煤型天然氣沒有本質差別，處于熱解氣階段的煤層中幾乎不存在殘余生物氣，否則深部煤層中煤層氣δ13C1就會明顯偏輕；②在垂向剖面上，存在著煤層氣垂向分帶現象，這種現象起源于煤層埋深變淺而卸壓條件下，由于的12CH4極性弱于13CH4，致使12CH4優先解吸，碳同位素發生分餾，并在擴散-運移過程中煤層氣12CH4相對富集，形成原生帶-過渡帶-解吸帶由重到輕的垂向分帶序列。

影響煤層氣運移過程中發生同位素分餾的因素主要有：①酸性水中的二氧化碳可導致CH4和CO2同位素產生交換，從而使得δ13C1偏輕；②甲烷分子通過多孔性煤介質時，會產生碳同位素的解吸-擴散分餾效應；③氣體成分中的重烴成分具有類似液態烴的性能，有很強的被吸附性。在吸附和解吸的動態過程中形成較大的孔隙壓力，驅替并推動甲烷氣體分子的運移，最終導致碳同位素的擴散分餾或驅替分餾；④煤田內頻繁的地質構造活動和巖體的破壞，給煤層甲烷的運聚提供了外部條件，導致煤層甲烷的間隙性運移，結果造成甲烷碳同位素的分餾，表現為運移出來的甲烷δ13C1偏低，而存在于煤層中的δ13C1偏重。

此外，煤層氣中CH4和CO2之間碳同位素交換作用、巖漿接觸變質作用[4]、水動力作用、其他類型氣體混入[12]等也可造成煤層甲烷的同位素分餾作用。

3.煤層氣成藏過程地球化學研究的關鍵問題

煤層氣成藏過程中的地球化學問題主要包括煤層甲烷氣的擴散作用、甲烷氣在煤儲層中的運移分餾作用及混合作用等過程的地球化學機理，并據此分析煤層氣的散失量和散失歷史，進行運移過程的地球化學示蹤和煤層分隔性研究等。

擴散量的地球化學研究。煤層氣在脫附（解吸）過程中甲烷同位素將發生明顯的分餾作用，據秦勇等、吳俊研究，一次脫附的煤層氣δ13C1一般比二次脫附的輕，與煤層的地域、層域、時域及煤級無關。表明輕碳同位素的甲烷首先從煤層中脫附，導致在脫附過程中，殘留在煤層中的煤層氣甲烷同位素變重。可以通過天然氣或同位素的地球化學分餾作用的地球化學動力學研究，分析天然氣的散失量。

煤層氣運移過程的地球化學研究。煤層氣在煤儲層運移過程中，無論是烴成分還是同位素組成均可能發生明顯的地色層分餾作用，可以根據這一原理示蹤分析煤層氣的運移趨勢、運移方式和定量評價運移規模。

煤層氣成藏聚散動平衡研究。煤層氣成藏過程實際上是處于生成-吸附（富集）-擴散（散失）的動態平衡過程。一方面煤巖在煤化過程中生成甲烷氣且被煤層所吸附，另一方面，在甲烷氣被吸附的同時也存在解吸、溶解散失的過程。這兩個相互依存的過程，受到煤的生烴條件、煤級（熱演化歷史）、煤層水動力條件、溫度、壓力等因素的制約，只要建立可靠的生烴模型和擴散模型，并準確確定各種邊界條件和動態變化規律，就可以進行煤層氣成藏過程的聚散動平衡分析。

其他方面的研究。根據煤層氣藏內天然氣組成特征的變化趨勢研究煤層在縱向上的分隔性以及在橫向上的連通性。還可望根據煤層中的甲烷包裹體成分和測溫資料分析煤層生烴歷史和成藏歷史。

（作者單位：1西安石油大學 地球科學與工程學院；2延長油田股份有限公司青化砭采油廠）