煤層氣碳同位素階段演化的模擬實(shí)驗(yàn)研究及其應(yīng)用①

段 毅 孫 濤 劉軍鋒 吳保祥 于文修

(中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000;2.長慶油田公司第二采油廠 甘肅慶城 745113)

煤層氣是賦存于煤層中的自生自儲(chǔ)式非常規(guī)天然氣[1]。我國主要煤層氣盆地形成過程具有多期性和復(fù)合疊加的復(fù)雜地質(zhì)條件,導(dǎo)致煤層氣生成和成藏條件比較復(fù)雜。這就是我國現(xiàn)今熱成因煤層氣藏中煤層氣可能主要為煤層演化某一階段的產(chǎn)物,即煤層某一演化點(diǎn)以前的大部分煤層氣因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)解吸逸散掉,可供保存的煤層氣往往是該演化點(diǎn)以后形成的煤層氣。這樣,煤層氣更多的具有“階段聚氣”的特征[2],但是目前還不能很好的認(rèn)識(shí)某一演化階段煤層氣的同位素地球化學(xué)特征。本文通過泥炭和煤巖在封閉條件下的生氣模擬實(shí)驗(yàn)研究,獲得了在不同成熟度點(diǎn)的甲烷產(chǎn)氣率和碳同位素?cái)?shù)據(jù),通過同位素質(zhì)量平衡計(jì)算,確定了成煤有機(jī)質(zhì)從 Ro為 1.2%、1.6%、2.0%、2.4%、2.8%分別演化至 Ro為 3.0%和4.0(3.7)%之間生成的煤層氣甲烷碳同位素組成。這為研究不同起始成熟度階段到最高演化程度之間生成的煤層氣碳同位素組成特征提供了科學(xué)數(shù)據(jù),從而為煤層氣成因研究提供了科學(xué)依據(jù)。

1 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

選取兩組煤巖樣品和一組現(xiàn)代沉積泥炭樣品來進(jìn)行了模擬研究[3]。煤巖樣品分別采自內(nèi)蒙古唐公塔煤礦 6號(hào)煤層(太原組)和山西李雅莊煤礦 2號(hào)煤層(山西組),煤階為長焰煤和肥-氣煤。泥炭樣品采自四川省若爾蓋沼澤地區(qū),采樣深度為 3.0～3.2 m,干酪根C、H、O和N元素含量組成分別為59.8%、4.8%、24.2%和 2.1%,碳同位素組成為-27.1‰。樣品的基本分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤巖及泥炭樣品測(cè)定結(jié)果Tab le 1 Ana lytica l da ta of the coa lsand pea t sam p les

熱模擬實(shí)驗(yàn)在一套高溫高壓熱解裝置上進(jìn)行[4]。實(shí)驗(yàn)?zāi)M樣品預(yù)先粉碎并經(jīng)過MAB(甲醇∶丙酮∶苯=1∶2.5∶2.5)三元溶劑進(jìn)行抽提,制備成干酪根樣品,在氬氣保護(hù)下將 25～50m g封入金管,金管分別放置于 13只壓力并聯(lián)的高壓釜中,通過高壓泵對(duì)高壓釜充水,加壓至 50M Pa,高壓水使金管產(chǎn)生柔性變形,從而對(duì)樣品施加壓力。各高壓釜溫差小于 ±1℃。之后通過微電腦溫度控制器進(jìn)行程序升溫和恒溫,對(duì)樣品加熱,實(shí)驗(yàn)溫度范圍為 300～600℃。溫度波動(dòng)小于 ±1℃。本文采用升溫速率分別為20℃/h和 2℃/h進(jìn)行研究,以期獲得不同升溫速率條件下煤巖熱解生成的氣體組成和碳同位素特征。當(dāng)達(dá)到具體的實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)后,取出其中一個(gè)高壓釜中的熱解固體產(chǎn)物,并對(duì)其干酪根鏡質(zhì)組反射率 (Ro)進(jìn)行測(cè)定。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將金管置于特別設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)中測(cè)定氣體含量,并與 HP8890氣相色譜儀連接,進(jìn)行 C1和 C2-4組分在線測(cè)定,采用外標(biāo)法進(jìn)行定量;同時(shí),烴類氣體進(jìn)行了碳同位素分析。通過同位素質(zhì)量平衡計(jì)算,獲得了不同成熟度 (Ro)區(qū)間生成的甲烷碳同位素值。

2 結(jié)果與討論

從表2中可以看出,泥炭在熱模擬成熟度 Ro值從 1.2%、1.6%、2.0%、2.4%、2.8%分別演化至3.0%時(shí),20℃/h升溫速率生成的甲烷碳同位素組成分別為-37.8‰、-37.6‰、-37.3‰、-36.2‰和-36.6‰。反映了在成煤物質(zhì)演化過程中,階段生成的甲烷碳同位素組成表現(xiàn)為,起始演化程度越高,達(dá)到Ro為 3.0%時(shí)生成的甲烷碳同位素組成越重。太原組煤和山西組煤階段生成的甲烷碳同位素組成演化趨勢(shì)與上述泥炭的相同。

泥炭在 2℃/h升溫速率下,其在成熟度 Ro值從1.2%、1.6%、2.0%、2.4%分別演化至 3.0%時(shí)生成的甲烷碳同位素分別為-37.2‰、-36.9‰、-36.1‰、-35.2‰。與 20℃/h升溫速率生成的甲烷碳同位素組成進(jìn)行比較,顯示在相同的成熟度(Ro)區(qū)間,高升溫速率下生成的甲烷碳同位素組成比較輕。升溫速率對(duì)太原組煤和山西組煤階段生成的甲烷碳同位素組成的影響與上述泥炭的相同。

不同的樣品,在相同的成熟度 (Ro)區(qū)間,其熱模擬生成的甲烷碳同位素組成不同,例如 20℃/h升溫速率下,泥炭樣品的最輕,太原組煤樣品的最重,山西組煤樣品介于上述兩者之間。

不同樣品熱模擬成熟度 Ro值從 1.2%、1.6%、2.0%、2.4%、2.8%分別演化至 4.0(3.7)%(表3),生成的甲烷碳同位素組成及其變化特征與上述演化至 Ro值 3.0%是相似的,即起始演化程度越高,達(dá)到Ro為 4.0%時(shí)生成的甲烷碳同位素組成越重;同一樣品在相同的成熟度 (Ro)區(qū)間,高升溫速率下生成的甲烷碳同位素組成比較輕;不同的樣品,在相同的成熟度(Ro)區(qū)間,其熱模擬生成的甲烷碳同位素組成不同。但是,相同樣品在相同升溫速率和相同的成熟度(Ro)區(qū)間,演化至 Ro值 4.0%生成的甲烷碳同位素組成比演化至 Ro值 3.0%生成的甲烷碳同位素組成重,說明成熟度(Ro)區(qū)間的起始演化程度相同,末尾演化程度越高,生成的甲烷碳同位素組成越重。

由于我國主要煤層氣盆地形成過程具有多期性,從而使煤層氣更多的具有“階段聚氣”的特征。我們的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果為煤層氣“階段聚氣”的判識(shí)提供了依據(jù)。從上述模擬實(shí)驗(yàn)資料來看,“階段聚氣”的煤層氣碳同位素組成與該演化階段的起始 Ro值和末尾Ro值密切相關(guān),起始和末尾 Ro值越高,煤層氣碳同位素組成越重。升溫速率是影響煤層氣碳同位素組成的另一個(gè)重要因素,相同成熟度區(qū)間,高升溫速率下形成的煤層氣碳同位素組成比較輕,因此,在實(shí)際研究煤層氣的成因時(shí)要考慮升溫速率對(duì)煤層氣碳同位素組成的影響。煤巖母質(zhì)性質(zhì)也影響煤層氣碳同位素組成,特別是殼質(zhì)組含量的小量變化都會(huì)影響煤層氣碳同位素組成,例如,雖然山西組煤巖樣品的成熟度比太原組煤巖樣品的高,但是山西組煤巖的殼質(zhì)組含量略高于太原組煤巖,使其在相同成熟度區(qū)間,生成的甲烷碳同位素組成輕于太原組煤巖生成的甲烷碳同位素。另一個(gè)主要的證據(jù)是在 3個(gè)樣品中,在相同成熟度區(qū)間,泥炭生成的甲烷碳同位素組成最輕,這說明煤層氣保留的原始成分越多,則其碳同位素組成就越輕。

將這些研究成果可以應(yīng)用于沁水盆地南部煤層氣成因的研究。沁水盆地南部是我國目前最主要的煤層氣開發(fā)試驗(yàn)區(qū)[7,8]。主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組,主要為無煙煤,Ro值約為2.75%～4.79%。趙孟軍等[2]研究認(rèn)為,沁水盆地南部晉城地區(qū)的煤層氣應(yīng)該具有“階段聚氣”的特征。桑樹勛等[9]的研究結(jié)果表明,三疊紀(jì)末期沁水盆地南部生成的煤層氣由于后期抬升而遭到破壞,晚侏羅世-晚白堊世是沁水盆地南部主要煤層的有效生氣階段,也是煤層氣的主要封存時(shí)期;并且在中侏羅世末時(shí),煤層的 Rmax為 1.75%,晚白堊世末時(shí),煤層的Rmax為 4.05%,Ro值在我們研究的范圍內(nèi)。沁水盆地南部煤層氣碳同位素組成分布在在-33.7‰～-30。 2‰之間 (表4),與泥炭在升溫速率 2℃/h下,Ro值從1.6%、2.0%、2.4%演化至 3.7%生成的甲烷碳同位素組成(-33.6‰～-31.5‰)相似,這說明沁水盆地南部煤層氣是在中侏羅世末以后 (Ro>1.6%)聚集而成,具有“階段聚氣”的特征,與上述前人研究的結(jié)果是一致的;同時(shí),也與我們的碳同位素動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果相同,我們將碳同位素動(dòng)力學(xué)研究獲得的資料與沁水盆地陽城地區(qū)二疊系自然煤層氣樣品的甲烷碳同位素組成比較研究發(fā)現(xiàn),陽城地區(qū)煤層氣甲烷碳同位素組成與早白堊世(K1)演化至今的煤層氣甲烷碳同位素值相近 (未發(fā)表資料),同樣反映了沁水盆地南部陽城地區(qū)煤層氣具有“階段聚氣”的特征。

表2 泥炭和煤熱模擬R o 1.2%～3.0%區(qū)間生成的甲烷δ13 C值Tab le 2 δ13 C va lues ofm ethane genera ted by therm a l sim u la tion of pea tand coa lsw ith R o range of 1.2%～3.0%

表3 泥炭和煤熱模擬R o 1.2%～4.0%區(qū)間生成的甲烷δ13 C值Tab le 3 δ13 C va lues ofm ethane genera ted by therm a l sim u la tion of pea tand coa lsw ith R o range of 1.2%～4.0%

表4 沁水盆地南部煤層氣碳同位素組成Tab le 4 Carbon isotop ic com position of coa l bed m ethane from the sou thern Q in shu iBasin

3 結(jié)論

為了認(rèn)識(shí)“階段聚氣”的煤層氣碳同位素特征,對(duì)具有不同顯微組成和演化程度的煤巖及原始成煤物質(zhì)泥炭進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn),研究了不同成熟度區(qū)間熱解煤層氣甲烷碳同位素的影響因素和同位素組成特征。取得的研究結(jié)果為:(1)不同成熟度區(qū)間的煤層氣碳同位素組成受控于該演化階段的起始 Ro值和末尾 Ro、升溫速率、煤巖母質(zhì)性質(zhì)和原始成煤物質(zhì)保留程度;(2)確定了成煤有機(jī)質(zhì)從 Ro為 1.2%、1.6%、2.0%、2.4%、2.8%分別演化至 Ro為 3.0%和 4.0(3.7)%之間生成的煤層氣甲烷碳同位素組成,這為研究不同成熟度區(qū)間生成的煤層氣成因提供了科學(xué)數(shù)據(jù);(3)將這些研究結(jié)果應(yīng)用到沁水盆地南部煤層氣研究,認(rèn)為該地區(qū)煤層氣是在中侏羅世末以后(Ro>1.6%)聚集而成,具有“階段聚氣”的特征。

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