大寧-吉縣地區(qū)煤層氣成因分析

牟 宣 王 科 姚曉莉

(1.中國礦業(yè)大學，北京 100083；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028)

大寧-吉縣地區(qū)煤層氣成因分析

牟 宣1，2王 科2姚曉莉1

(1.中國礦業(yè)大學，北京 100083；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028)

本文通過大量調查國內外煤層氣成因的相關資料，陳述了煤層氣成因類型及煤層氣在不同成因階段的特征，總結了前人在煤層氣成因方面的研究方法。同時通過對大寧-吉縣區(qū)塊5號、8號煤層氣體成分、熱成熟度以及甲烷碳同位素等的研究，結合大寧-吉縣區(qū)塊的構造特征、水文地質條件等分析了大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣的成因類型。

煤層氣成因 熱成因氣 甲烷碳同位素 氣體成分

1 區(qū)域地質概況

大寧-吉縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶南端，是二疊含煤層系的主要分布區(qū)，同時也是煤層氣勘探開發(fā)的有利目標區(qū)之一。大寧-吉縣地區(qū)地層以元古界地層為基底，之上形成了寒武系霍山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組、三山子組，奧陶系冶里組、亮甲山組、馬家溝組，石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組以及第四系黃土沉積。研究區(qū)內可采煤層為太原組8號煤層和山西組5號煤層，也是煤層氣開發(fā)的主要對象。

大寧-吉縣區(qū)塊整體上為一個西傾的單斜構造。區(qū)內煤層埋深在800m以深，從東向西逐漸增大。大寧-吉縣被薛關-曹井斷裂帶分為東西兩帶，斷裂帶西部由于牽引作用在斷裂帶的上部形成了一北東-南西向展布的長軸背斜構造，構造幅度達到80～120m。背斜構造的西翼地層傾角相對較緩，而靠近斷裂的東翼地層傾角相對較陡。

2 煤層氣成因類型

根據煤層氣的成因，煤層氣主要可以分為生物成因氣和熱解氣。而生物成因氣又可以分為原生成因氣和次生成因氣(表1)。

表1 生物成因和熱成因煤層氣產生的階段

原生成因氣是在有機質沉積后埋藏較淺的時候低溫條件下(一般小于56℃)在生物的催化下生成的甲烷氣。其主要特征是鏡質體反射率小于0.3%，甲烷同位素比較小，一般小于-55‰，甲烷含量高(一般在98%以上)，重烴含量低(一般小于2%)，有時可能含有少量的不飽和烴以及少量的CO2和N2。

次生成因氣是煤層后期發(fā)生抬升，在微生物的作用下將CO2還原成甲烷或由醋酸、甲醇、甲胺等發(fā)酵生成甲烷氣。微生物通過位于補給區(qū)的露頭由大氣降帶入地層，在低溫條件下(<56℃)代謝主要生成甲烷和二氧化碳。次生成因氣成分同樣是以甲烷為主，重烴含量極低，二氧化碳含量一般小于5%。甲烷碳同位素絕大多數(shù)小于-55‰。一般在鏡質體反射率為0.3%～1.50%之間生成。次生成因氣的生成和保存需要以下條件：(1)煤級為褐煤或以上；(2)所在區(qū)域發(fā)生過隆升；(3)煤層有適宜的滲透率；(4)沿盆地邊緣有水回灌到煤層中；(5)有細菌運移到煤層中；(6)有較高的儲層壓力和能存大量氣體的圈閉條件。

當Ro大于0.6后，隨著煤層埋藏深度逐漸變深，溫度大于56℃時由干酪根分解形成甲烷氣。熱解早期含有較多的乙烷、丙烷及其他濕氣成分。濕氣生成階段(Ro為0.6%～0.8%)產生的煤層氣干燥系數(shù)低于0.8。乙烷的含量可能超過11%。碳同位素大于-55‰。隨著溫度和深度的繼續(xù)增加，當Ro大于1.2%后，熱成因甲烷氣大量生成，碳同位素含量逐漸增加。當鏡質體反射率大于2%后，煤層中的液態(tài)烴發(fā)生裂解，生成大量的干氣，而濕氣成分也逐漸減小。

3 大寧-吉縣地區(qū)煤層氣地質特征

煤層氣組分和碳同位素組成與取樣條件密切相關。如果取樣條件有差別(井口采樣和解析氣)，即使是同一口井測得的煤層氣組分和甲烷碳同位素值數(shù)據變化也較大。本次研究主要采用解吸取樣。

3.1 煤層演化程度

有機質演化總體表現(xiàn)為隨有機質埋深的增大而增大。大寧-吉縣區(qū)塊煤層埋深自東向西逐漸加深，因此大寧-吉縣區(qū)塊5號和8號煤層熱成熟度也是從東向西逐漸增大(見圖1和圖2)。同時，埋藏較淺的5號煤層的有機質成熟度也較埋藏較深的8號煤層大。

成熟度是判斷煤層氣成因的一個重要指標。一般情況下，生物成因氣的鏡質體反射率小于0.3%。當鏡質體反射率大于0.6%時進入熱成因氣。從表2中可以看出大寧-吉縣地區(qū)5號煤層成熟度分布在1.372%～3.030%，平均2.013%；8號煤層成熟度分布在1.590%～3.165%，平均2.267%；研究區(qū)煤層主要為焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤三號，處于高變質階段，因此從煤層氣演化程度上分析，大寧-吉縣煤層已經進入了過成熟階段，煤層已經基本停止了生烴(見圖1)。現(xiàn)今煤層氣是在地質歷史上以熱成因的方式形成后，在后期構造和水文的影響下發(fā)生運移形成了如今的煤層氣格局。

圖1 煤化作用階段及氣體生成

3.2 大寧-吉縣區(qū)塊氣體成分特征

3.2.1 5號煤層

區(qū)塊5號煤層氣體成分主要以甲烷為主，含量在93.89%～99.27%，含量高。5號煤層整體上最大值和最小值之間的跨度不大。整體呈西北東南大中間小的趨勢。僅在山口附近和吉C附近甲烷含量小于96%。乙烷等重烴含量比較小，范圍在0.03%～1.00%內變化，平均含量為0.156%，干濕指數(shù)C1/C1+大于0.99，為典型的干氣。含有少量二氧化碳、氫氣、氮氣等非烴成分。在非烴組分中，氮氣的體積分數(shù)相對較高，可能是由于空氣中氮氣混入所致。氮氣含量跟甲烷含量存在此消彼長的負相關性(見圖2和圖3)，顯示富含氮氣的地層水滲入煤層，有可能生成次生生物成因氣。考慮到研究區(qū)煤層熱演化程度相對較高，以腐植型煤為主，具有這種氣體組分特征的煤層氣可能是熱成因氣或者為次生成因(具體氣體成分含量見表3)。

圖2 5號煤層CH4與N2含量的關系

3.2.2 8號煤層

圖3 8號煤層CH4與N2含量的關系

區(qū)塊8號煤層氣成分同5號煤層相似。成分還是以甲烷為主，但是甲烷含量明顯比5號煤小，其他氣體成分均比5號煤層大(氣體具體成分含量見表3)，可能與沉積有機質的生煤母質有關。同時，8號煤層甲烷含量的跨度比較大，變化范圍為55.138%～98.47%。重烴含量含量比較低(平均為0.195%)，也屬于典型的干氣。8號煤層在區(qū)塊東南部出現(xiàn)劇烈降低的趨勢，如吉H井的甲烷含量為55.14‰，但鏡質體反射率確達到了1.778%，同時氮氣含量達到了55.14%，說明該地區(qū)處于氧化帶。

考慮到研究區(qū)煤層熱演化程度相對較高，其Ro值為1.3%～3.2%，以腐植型煤為主，具有這種氣體組分特征的煤層氣可能為熱成因氣或者是次生成因。

表2 大寧-吉縣區(qū)塊甲烷碳同位素和成熟度

表3 大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣氣體成分及含量

3.3 碳同位素特征

5號和8號煤層甲烷的穩(wěn)定碳同位素均從區(qū)塊東部向西部呈增大的趨勢(見表2)，其原因是研究區(qū)整體為一西傾的單斜構造，區(qū)塊東緣為供水區(qū)，向西水動力條件逐漸減小，水動力強的的地層能帶來更多的甲烷菌而使甲烷菌生氣作用相對強烈，最終導致甲烷碳同位素含量向西逐漸增大。

研究區(qū)5號和8號煤層的甲烷碳同位素相差不大，均大于-55‰。由表2可以看出5號煤甲烷碳同位素均值為-40.534‰，變化范圍是-29.55‰～-56.07‰。而8號煤甲烷碳同位素平均值為-41.88‰，變化范圍為-27.43‰～-72.35 ‰。并且隨著成熟度的增加，碳同位素也逐漸加重。由于生物成因氣的甲烷碳同位素值均小于-55‰，因此從區(qū)塊內煤層甲烷碳同位素特征可以確定研究區(qū)煤層氣成因為熱成因氣。

然而根據甲烷碳同位素和C1/C2+C3的交匯圖來看，大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣成因為擴散運移分餾，即該區(qū)煤層氣為次生成因氣(見圖4和圖5)。由于大寧-吉縣區(qū)塊在燕山運動的影響下發(fā)生過地層隆升，受到地表的剝蝕，然后沉降。同時，區(qū)塊內地層總體為一西傾的單斜，在東部抬頭地區(qū)發(fā)生了裸露。這些地質條件均為次生成因氣形成的優(yōu)越環(huán)境。由該區(qū)的地質演化可以看出該區(qū)煤層氣受過后期改造，發(fā)生了解吸-擴散-運移形成的。

圖4 5號煤層煤層氣成因交匯圖

圖5 8號煤層煤層氣成因交匯圖

綜上所述，大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣成因為次生成因氣與熱成因氣的混合類型。該區(qū)在石炭世在燕山運動的影響下發(fā)生快速沉降，沉積形成了二疊系太原組8號煤層和山西組5號煤層；到侏羅世早期盆地又發(fā)生抬升，接受了地面的剝蝕；早侏羅世晚期地殼又發(fā)生沉降，埋深和溫度的逐漸升高，煤層也逐漸開始生氣，隨著熱成熟度的逐漸增大，熱成因氣的生成先增大后減小，到現(xiàn)今，煤層熱成熟度達到2%左右，煤層基本已經停止了甲烷氣的生成。從晚侏羅世到現(xiàn)今盆地的沉積作用已經停止，持續(xù)緩慢上升。在此過程中，由于該區(qū)位一向西傾的單斜構造，東邊地區(qū)水動力比較強，因此從東部邊緣有流水灌入到煤層中，對盆地形成的熱成因甲烷進行了解吸-擴散-運移等改造。

4 結論

本文通過分析大寧—吉縣區(qū)塊煤層氣成因，主要得到一下結論：

(1)大寧—吉縣區(qū)塊煤層氣成分主要為甲烷，含有極少量的重烴和非烴氣體；甲烷碳同位素均值為-41‰左右；煤巖熱成熟度平均大于2%，綜合分析該區(qū)煤層氣主要為次生成因氣與熱成因氣的混合氣。

(2)大寧-吉縣地區(qū)煤層氣有機質成熟度已經達到了無煙煤三號，煤層已經基本停止了生氣，生成的熱成因氣是經過后期改造而成。

(3)區(qū)塊東南部(吉H附近)甲烷含量急劇減小，氮氣含量達到了55.14%，判斷其為氧化帶。

(4)區(qū)內水動力條件從東往西逐漸減弱，在水動力條件的影響，甲烷碳同位素含量自東向西呈增大趨勢。

(5)由于本區(qū)整體為一個西傾的單斜構造，煤層埋深向西逐漸加深，所以區(qū)塊內煤層演化程度也呈西高東低的趨勢。

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(責任編輯 韓甲業(yè))

Genesis Analysis of CBM in Daning-Jixian Region

MOU Xuan1,2, WANG Ke2, YAO Xiaoli1

(1. China University of Mining and Technology, Beijing 100083; 2. PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028)

The paper introduces the types of CBM genesis and the characteristics of CBM in difference genesis stages, and summarizes the research methods related to the genesis of CBM, based on the investigation of relevant materials at home and abroad. By studying on the gas component, thermal maturity and methane carbon isotope in No.5 and No.8 coal seams of Daning-Wuxian Region, and combining with the structure characteristics and hydrogeology conditions in this region, it analyzes the types of CBM genesis in Daning-Wuxian Region.

Genesis of CBM; thermogenic gas; methane carbon isotope; gas component

牟宣，在職研究生，助理工程師，研究方向為煤層氣地質工程與信息管理。