構(gòu)造-熱演化對(duì)煤層氣生成的制約及常用模擬方法綜述

姚利萍

山西省潞安職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山西 長(zhǎng)治 046000

構(gòu)造-熱演化對(duì)煤層氣生成的制約及常用模擬方法綜述

姚利萍

山西省潞安職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山西 長(zhǎng)治 046000

煤層氣作為煤層的主要衍生烴類，其生成過(guò)程必然受煤層所處盆地的構(gòu)造作用影響，從煤層的構(gòu)造熱演化特征可以得出煤化作用大致主要發(fā)生年代，煤層氣的生成量，也可對(duì)是否有利于煤層氣開(kāi)發(fā)做出評(píng)估。含煤地層構(gòu)造熱演化史對(duì)煤層氣生成、聚集具有影響，二次生烴對(duì)煤層氣的生成具有重要作用，用構(gòu)造熱演化模擬的手段，可以反演含煤盆地所在區(qū)的沉積史和熱演化過(guò)程，并研究它們與煤層氣的關(guān)系，為煤層氣的勘探指明了方向。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究，簡(jiǎn)述并概括了我國(guó)對(duì)于構(gòu)造熱演化模擬方法的相關(guān)研究。

構(gòu)造熱演化；構(gòu)造熱演化模擬；煤層氣

沉積盆地的形成和發(fā)展過(guò)程中，盆地的熱質(zhì)體是動(dòng)態(tài)變化的，不同成因的盆地必然存在不同的熱史狀態(tài)，同樣成因的原盆地經(jīng)歷了不同的改造疊加也會(huì)表現(xiàn)出不同的熱史狀態(tài)。成煤盆地的熱狀態(tài)歷史也決定了其煤巖的成熟史，并影響和制約著生烴作用的類型和規(guī)模。在我國(guó)的幾個(gè)主要含煤盆地如兩淮、鄂爾多斯、沁水盆地、渤海灣等[1,2]，這些成煤區(qū)塊在古生代的成煤沉積環(huán)境基本相同，但在中新生代的構(gòu)造改造過(guò)程中，經(jīng)歷了不同的沉積歷史和構(gòu)造改造，從而最終形成了不同區(qū)域的生烴規(guī)模和生烴類型。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者已從多角度實(shí)驗(yàn)分析構(gòu)造熱演化與煤層氣生成機(jī)理，諸如中國(guó)石油大學(xué)蘇向光等[3,4]依據(jù)鏡質(zhì)體反射率利用EASY% Ro動(dòng)力學(xué)模型對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷進(jìn)行熱演化模擬，通過(guò)對(duì)沾化凹陷四個(gè)洼陷20口井的單井熱史模擬分析該區(qū)新生代的熱演化狀況；中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院朱志敏等[5]從構(gòu)造熱事件分析阜新盆地多能源礦產(chǎn)共存成藏；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的武昱東等[6]采用鏡質(zhì)組反射率古溫標(biāo)和古熱流法恢復(fù)了淮北煤田宿臨礦區(qū)晚古生代以來(lái)的熱史和構(gòu)造沉降史，并探討了與煤層氣生成和運(yùn)移的影響，從而進(jìn)一步分析構(gòu)造熱演化對(duì)煤層氣生成的控制；中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙大地構(gòu)造研究所席先武等[7]采用數(shù)值模擬的手段，反演了新集地區(qū)所在坳陷的沉積史和熱演化過(guò)程，并研究它們與煤層氣的關(guān)系等。

2 煤層氣成因及其控制

眾所周知，煤層氣是在煤巖演變過(guò)程中主要產(chǎn)生的衍生烴類，因而煤層氣的生成不可避免的會(huì)受到構(gòu)造熱演化的影響。不同的熱演化階段對(duì)應(yīng)不同的生氣階段，即不同的溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的煤層氣生成類型，地層連續(xù)增溫時(shí)，煤巖熱演化程度不斷增高；底層長(zhǎng)期處于較高溫時(shí)，煤巖熱演化程度亦會(huì)緩慢增高；當(dāng)盆地抬升時(shí)，底層溫度降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤巖的熱生烴作用終止。地層溫度史決定了煤巖的生烴期次。以此為依據(jù)，煤層氣可以按成因類型分為原生生物成因氣、熱成因氣和次生生物成因氣三類。

表1 煤化程度達(dá)到2．0%的鏡質(zhì)體反射率值時(shí)的氣體體積構(gòu)成

表2 生物成因和熱成因煤層氣的階段

原生生物成因煤層氣形成于沉積有機(jī)質(zhì)的埋藏早期、泥炭向煤轉(zhuǎn)變的低溫階段（溫度低于50度），即Ro＜0.3%或Ro＜0.5%的熱演化階段經(jīng)微生物作用而生成；熱成因煤層氣則是在溫度逐步升高至50攝氏度以上、0.5%＜Ro＜0.3%、煤化作用逐步增強(qiáng)的過(guò)程中產(chǎn)生；而當(dāng)煤系地層在后期被構(gòu)造作用抬升近地表至溫度低于50攝氏度時(shí)，由地表水帶入的微生物降解已形成的濕氣則將生成次生生物成因氣。可以看出，溫度條件、經(jīng)肢體反射率、煤化作用程度以及后期構(gòu)造作用等，是不同類型煤層氣生成的基本前提。

3 構(gòu)造熱演化的重要性

我國(guó)作為一個(gè)煤炭資源的大國(guó)，不僅具有豐富的煤炭資源，而且還蘊(yùn)藏著巨大的淺層煤層氣。我國(guó)勘探、開(kāi)發(fā)淺層的煤層氣，主要通過(guò)對(duì)構(gòu)造熱演化史的研究，并以其為主體，將含煤盆地（煤田）的構(gòu)造發(fā)展史、有機(jī)質(zhì)熱演化史和淺層煤成氣的賦存規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了多維一體的研究，從而可以得出我國(guó)的淺層煤層氣資源的評(píng)估。

構(gòu)造熱演化研究是對(duì)“以構(gòu)造為骨架，沉積為實(shí)體，地化為依據(jù)”的煤層氣資源評(píng)價(jià)方法的發(fā)展和體現(xiàn)，它將盆地的構(gòu)造發(fā)育史、沉積埋藏史和有機(jī)質(zhì)熱演化史等研究有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。含煤盆地構(gòu)造熱演化史特征決定了該煤田（或盆地）的淺層煤層氣資源。

4 構(gòu)造-熱演化的常用模擬方法選擇

構(gòu)造-熱演化模擬常用的方法是利用古溫標(biāo)來(lái)反演盆地沉積層的受熱史和埋藏史，鏡質(zhì)體反射率方法具有易于準(zhǔn)確測(cè)定和測(cè)試成本低廉的特點(diǎn)，在油田和煤田系統(tǒng)取得了廣泛的應(yīng)用。

4．1 沉積盆地?zé)嵫莼M的尺度

沉積盆地形成和發(fā)展過(guò)程中，盆地的熱體制是動(dòng)態(tài)變化的。盆地動(dòng)態(tài)熱體制的研究可歸結(jié)為盆地?zé)釟v史的重建或恢復(fù)，并且熱歷史的重建可以在巖石圈和盆地兩種不同的尺度上進(jìn)行：

（1）在巖石圈尺度上，盆地的熱體制換邊與下伏巖石圈的構(gòu)造-熱演化，包括巖石圈伸展剪薄、地幔底劈侵位、巖漿活動(dòng)、地殼均衡等密切相關(guān)。由于盆地的形成過(guò)程極為復(fù)雜，往往是多個(gè)不同成因機(jī)制的演化階段的疊合，而現(xiàn)有的盆地定量模型都經(jīng)過(guò)了顯著的簡(jiǎn)化，只反映主要的構(gòu)造-熱作用過(guò)程，加之模型邊界參數(shù)的不確定性，因此巖石圈尺度的構(gòu)造-熱演化在一定程度上只能將其視為半定量的，這種方法只能提供盆地的熱背景概念。

（2）在盆地尺度下，盆地的熱體制變化既受控于盆地內(nèi)的一些物理工程，沉積與埋藏、抬升與剝蝕、沉積壓實(shí)亦即吸熱和放熱化學(xué)反應(yīng)、地下水活動(dòng)、火山巖漿活動(dòng)等，也取決于盆地地步熱流的變化。反演計(jì)算可分為直接反演和簡(jiǎn)介反演兩類：直接反演以樣品的熱史路徑作為反演參數(shù)，具有多解性，僅適用于單個(gè)樣品的簡(jiǎn)單線性增溫或降溫的熱史路徑，且不涉及樣品的埋藏式。簡(jiǎn)介反演是建立在埋藏史重建和盆地內(nèi)物理工程模擬的基礎(chǔ)上，以古溫標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型正演模型以盆地底部熱流Q和剝蝕量He作為反演迭代參數(shù)，然后根據(jù)盆地埋藏史簡(jiǎn)介確定地層的熱史路徑。

巖石圈和盆地兩種尺度的比較和結(jié)合，不僅可以檢驗(yàn)所選擇的盆地模型，提供盆地成因的信息，而且可以揭示盆地構(gòu)造演化過(guò)程中巖石圈的伸展量、厚度變化等參數(shù)，從而成為盆地構(gòu)造演化研究的一種新的途徑和方法，是通常所說(shuō)的沉積盆地?zé)崮M。

4．2 常用古溫標(biāo)數(shù)據(jù)類型

建好的古溫標(biāo)通常應(yīng)具備如下條件：（1）在巖石中廣泛分布容易取得大量或較系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；（2）某一物理特性或化學(xué)特性對(duì)溫度的敏感，主要受溫度控制且溫度范圍較寬；（3）受溫度作用后具不可逆性；（4）結(jié)果具有相當(dāng)?shù)木龋阋苑磻?yīng)溫度變化細(xì)節(jié)無(wú)論用何種古溫標(biāo)進(jìn)行盆地?zé)崾坊謴?fù)，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是古溫標(biāo)的理論動(dòng)力學(xué)模型和應(yīng)用方法。

4.2.1 鏡質(zhì)體反射率指標(biāo)

鏡質(zhì)體反射率原本用來(lái)標(biāo)定煤階，是鏡質(zhì)體所經(jīng)歷的最高古溫標(biāo)和有效受熱時(shí)間綜合作用的結(jié)果，且具有不可逆性，記錄溫度區(qū)間廣（從成巖階段到變質(zhì)階段，可達(dá)350度）。其測(cè)試方法簡(jiǎn)單，測(cè)試成本低，適用于系統(tǒng)采樣和測(cè)試。

不同學(xué)者提出了基于鏡質(zhì)體反射率化學(xué)動(dòng)力學(xué)的擬合計(jì)算方法，通過(guò)用重建的沉積埋藏史和假設(shè)一個(gè)熱歷史模型，計(jì)算沉積盆地有機(jī)質(zhì)受熱過(guò)程，在用實(shí)測(cè)的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，通過(guò)反復(fù)修改熱歷史模式，使計(jì)算的成熟度和盆地實(shí)測(cè)的成熟度一致或最大程度的吻合。概括起來(lái)可以分為以下三類：

僅與溫度有關(guān)，或者與溫度和事件有關(guān)，但以溫度為主函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@些方法提出了有機(jī)質(zhì)成熟度、溫度和受熱時(shí)間關(guān)系的雛形。

單一活化能，或者活化能是溫度函數(shù)的Arrhenius一級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型，這類模型也只能是一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，因?yàn)閱我换罨懿荒苣M不同溫度和加熱速度范圍內(nèi)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。

平行Arrhenius一級(jí)反應(yīng)高斯活化能分布模型，是根據(jù)鏡質(zhì)體反射率組分隨時(shí)間和溫度的變化，用不同的活化能分布的Arrhenius一級(jí)平行反應(yīng)方法簡(jiǎn)歷的鏡質(zhì)體反射率與熱誠(chéng)數(shù)計(jì)算的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型。相對(duì)而言，不僅適用于各種地質(zhì)地?zé)釛l件，而且能模擬有機(jī)質(zhì)成熟過(guò)程中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。近年來(lái)，在國(guó)際上得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，這類模型的典型代表就是Easy%R0化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

4．3 Easy%R0模型原理

Easy%R0模型[2]是Sweeney在VITRIMAT模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新的，經(jīng)過(guò)多種熱歷史下盆地驗(yàn)證，在預(yù)測(cè)中到高成熟度時(shí)具有較高的精度，目前在國(guó)際上廣為接收。

該模型用四個(gè)相互平行的化學(xué)反映來(lái)描述鏡質(zhì)體成熟，這些反應(yīng)具有相同的頻率因子，不同的活化能E。模型在熱模擬以及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上分別求取有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中脫水、脫二氧化碳、脫甲基及脫高碳數(shù)烷基等一系列平行反應(yīng)所需的反應(yīng)活化能及其分布范圍然后根據(jù)Arrhenius化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理建立起數(shù)學(xué)模型，以定量模擬鏡質(zhì)體反射率的演化歷程：

式中：w—?dú)埩羧芤簼舛龋籄-頻率因子；E-反應(yīng)活化能；R-通用氣體常數(shù)；T-絕對(duì)溫度。

表3 EASY% R0模型使用的化學(xué)計(jì)量因子和活化能值

反應(yīng)程度F可以把通過(guò)時(shí)間溫度歷史分解為一系列恒溫或等速率階段而求得。

式中：F為敬重某底層地界的第j個(gè)埋藏點(diǎn)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)程度，t為第j個(gè)埋藏點(diǎn)的埋藏時(shí)間；Tj為第j個(gè)埋藏點(diǎn)的古地溫；校正系數(shù)：a1=2.334733，a2=0.250621,b1=3.330657,b2=1.181534。

根據(jù)反應(yīng)程度F，簡(jiǎn)歷起模擬鏡質(zhì)體反射率及其演化的數(shù)學(xué)模型。

Easy% R0=exp(3.7F-1.6)

在此模式中，F(xiàn)的范圍為0～0.85，R0的最大值小于4.7

Easy%R0模型正演熱史的過(guò)程，用Easy% R0模型正演古地溫史的步驟如下：

(1)重建地層埋藏史；

(2)給定地溫史，結(jié)合埋藏史酸楚各地層的古地溫場(chǎng)；

(3)利用Easy%R0模型計(jì)算各生油層的R0史；

(4)用實(shí)測(cè)地層的先進(jìn)R0和上樹(shù)理論R0進(jìn)行對(duì)比。如果擬合得很好，則認(rèn)為給定的地溫史就是地層世紀(jì)經(jīng)歷的地溫史。相反，如果擬合得不好，則重復(fù)2，3步驟，知道擬合程度較好為止。

4．4 故熱流法原理

打的熱流是巖層中最主要、最普遍存在的熱源，是地殼深部熱特征的反映，也是用來(lái)標(biāo)志區(qū)域基本地?zé)崽卣鞯臒崃繀?shù)。打的熱流在樹(shù)枝上為熱導(dǎo)率與地溫梯度的乘積，由于先進(jìn)熱流、驗(yàn)尸熱導(dǎo)率以及巖石的比熱、密度均可通過(guò)測(cè)量得到，所以古溫標(biāo)計(jì)算值就可以表示為古熱流值(Q)、埋藏史(Z)及時(shí)間t的函數(shù)：

這種將熱歷史與埋藏史相結(jié)合的熱史反演方法就是故熱流法，由于在繁衍過(guò)程中考慮了故熱流隨埋深和時(shí)間的變化以及在沉積演化過(guò)程中注入沉積、剝蝕等非穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)，適用于鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析。繁衍過(guò)程中首先將模擬的鉆井剖面分成若干個(gè)構(gòu)造層，通過(guò)對(duì)每個(gè)構(gòu)造層內(nèi)盆地底部熱流（Q）不整合面剝蝕厚度（He）這兩個(gè)變量的迭代，使得理論古溫標(biāo)數(shù)據(jù)（R0值）的演化曲線與先進(jìn)實(shí)測(cè)古溫標(biāo)數(shù)據(jù)（R0值）大道最佳擬合，從而實(shí)現(xiàn)反演盆地?zé)崃魇泛筒徽厦鎰兾g厚度的目的。

需要注意：只要其活化能與溫度相關(guān)時(shí)（無(wú)論用何種古溫標(biāo)凡炎熱），都只能反演出地層大道最高古地溫時(shí)及其之后的熱史，對(duì)于最高古地溫時(shí)刻之前的熱史，則只能利用盆地構(gòu)造-熱演化模型或構(gòu)造熱沉降史與熱流的關(guān)系來(lái)制約和估計(jì)。最高古地溫之前和其他無(wú)法直接確定故熱流的地址時(shí)間點(diǎn)，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的地質(zhì)構(gòu)造背景，給定可能的故熱流范圍進(jìn)行搜索反演。

圖1 不同的熱年代學(xué)方法的完善與變形-時(shí)間-熱演化關(guān)系圖

5 結(jié)論

綜上可以看出，構(gòu)造熱演化的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)具有很大的研究潛質(zhì)，而且能夠從地質(zhì)角度很合理的解釋煤層氣生成機(jī)理，含煤地層構(gòu)造熱演化史對(duì)煤成氣生成、聚集具有影響，二次生烴對(duì)煤成氣的生成具有重要作用，用構(gòu)造熱演化模擬的手段，可以反演含煤盆地所在區(qū)的沉積史和熱演化過(guò)程，并研究它們與煤層氣的關(guān)系，構(gòu)造熱演化特征對(duì)于煤層氣的資源勘察、勘探開(kāi)發(fā)具有很強(qiáng)的預(yù)見(jiàn)作用、指導(dǎo)作用、理論作用，為煤成氣勘探指明了方向。

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