大寧-吉縣地區(qū)煤層氣成因分析

牟 宣 王 科 姚曉莉

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

本文通過(guò)大量調(diào)查國(guó)內(nèi)外煤層氣成因的相關(guān)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(jié)了前人在煤層氣成因方面的研究方法。同時(shí)通過(guò)對(duì)大寧-吉縣區(qū)塊5號(hào)、8號(hào)煤層氣體成分、熱成熟度以及甲烷碳同位素等的研究，結(jié)合大寧-吉縣區(qū)塊的構(gòu)造特征、水文地質(zhì)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(zhì)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(shí)也是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的有利目標(biāo)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(nèi)可采煤層為太原組8號(hào)煤層和山西組5號(hào)煤層，也是煤層氣開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。

大寧-吉縣區(qū)塊整體上為一個(gè)西傾的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)煤層埋深在800m以深，從東向西逐漸增大。大寧-吉縣被薛關(guān)-曹井?dāng)嗔褞Х譃闁|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(zhǎng)軸背斜構(gòu)造，構(gòu)造幅度達(dá)到80～120m。背斜構(gòu)造的西翼地層傾角相對(duì)較緩，而靠近斷裂的東翼地層傾角相對(duì)較陡。

2 煤層氣成因類型

根據(jù)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(chǎn)生的階段

原生成因氣是在有機(jī)質(zhì)沉積后埋藏較淺的時(shí)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(zhì)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?zé)N含量低(一般小于2%)，有時(shí)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(guò)位于補(bǔ)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?zé)N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(zhì)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(jí)為褐煤或以上；(2)所在區(qū)域發(fā)生過(guò)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(xì)菌運(yùn)移到煤層中；(6)有較高的儲(chǔ)層壓力和能存大量氣體的圈閉條件。

當(dāng)Ro大于0.6后，隨著煤層埋藏深度逐漸變深，溫度大于56℃時(shí)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(chǎn)生的煤層氣干燥系數(shù)低于0.8。乙烷的含量可能超過(guò)11%。碳同位素大于-55‰。隨著溫度和深度的繼續(xù)增加，當(dāng)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(dāng)鏡質(zhì)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(zhì)特征

煤層氣組分和碳同位素組成與取樣條件密切相關(guān)。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(cè)得的煤層氣組分和甲烷碳同位素值數(shù)據(jù)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(jī)質(zhì)演化總體表現(xiàn)為隨有機(jī)質(zhì)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(hào)和8號(hào)煤層熱成熟度也是從東向西逐漸增大(見(jiàn)圖1和圖2)。同時(shí)，埋藏較淺的5號(hào)煤層的有機(jī)質(zhì)成熟度也較埋藏較深的8號(hào)煤層大。

成熟度是判斷煤層氣成因的一個(gè)重要指標(biāo)。一般情況下，生物成因氣的鏡質(zhì)體反射率小于0.3%。當(dāng)鏡質(zhì)體反射率大于0.6%時(shí)進(jìn)入熱成因氣。從表2中可以看出大寧-吉縣地區(qū)5號(hào)煤層成熟度分布在1.372%～3.030%，平均2.013%；8號(hào)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(wú)煙煤三號(hào)，處于高變質(zhì)階段，因此從煤層氣演化程度上分析，大寧-吉縣煤層已經(jīng)進(jìn)入了過(guò)成熟階段，煤層已經(jīng)基本停止了生烴(見(jiàn)圖1)?，F(xiàn)今煤層氣是在地質(zhì)歷史上以熱成因的方式形成后，在后期構(gòu)造和水文的影響下發(fā)生運(yùn)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(hào)煤層

區(qū)塊5號(hào)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(hào)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(shì)。僅在山口附近和吉C附近甲烷含量小于96%。乙烷等重?zé)N含量比較小，范圍在0.03%～1.00%內(nèi)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?dú)獾确菬N成分。在非烴組分中，氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，可能是由于空氣中氮?dú)饣烊胨?。氮?dú)夂扛淄楹看嬖诖讼碎L(zhǎng)的負(fù)相關(guān)性(見(jiàn)圖2和圖3)，顯示富含氮?dú)獾牡貙铀疂B入煤層，有可能生成次生生物成因氣?？紤]到研究區(qū)煤層熱演化程度相對(duì)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(jiàn)表3)。

圖2 5號(hào)煤層CH4與N2含量的關(guān)系

3.2.2 8號(hào)煤層

圖3 8號(hào)煤層CH4與N2含量的關(guān)系

區(qū)塊8號(hào)煤層氣成分同5號(hào)煤層相似。成分還是以甲烷為主，但是甲烷含量明顯比5號(hào)煤小，其他氣體成分均比5號(hào)煤層大(氣體具體成分含量見(jiàn)表3)，可能與沉積有機(jī)質(zhì)的生煤母質(zhì)有關(guān)。同時(shí)，8號(hào)煤層甲烷含量的跨度比較大，變化范圍為55.138%～98.47%。重?zé)N含量含量比較低(平均為0.195%)，也屬于典型的干氣。8號(hào)煤層在區(qū)塊東南部出現(xiàn)劇烈降低的趨勢(shì)，如吉H井的甲烷含量為55.14‰，但鏡質(zhì)體反射率確達(dá)到了1.778%，同時(shí)氮?dú)夂窟_(dá)到了55.14%，說(shuō)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(duì)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(hào)和8號(hào)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(shì)(見(jiàn)表2)，其原因是研究區(qū)整體為一西傾的單斜構(gòu)造，區(qū)塊東緣為供水區(qū)，向西水動(dòng)力條件逐漸減小，水動(dòng)力強(qiáng)的的地層能帶來(lái)更多的甲烷菌而使甲烷菌生氣作用相對(duì)強(qiáng)烈，最終導(dǎo)致甲烷碳同位素含量向西逐漸增大。

研究區(qū)5號(hào)和8號(hào)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(hào)煤甲烷碳同位素均值為-40.534‰，變化范圍是-29.55‰～-56.07‰。而8號(hào)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(nèi)煤層甲烷碳同位素特征可以確定研究區(qū)煤層氣成因?yàn)闊岢梢驓狻?/p>

然而根據(jù)甲烷碳同位素和C1/C2+C3的交匯圖來(lái)看，大寧-吉縣區(qū)塊煤層氣成因?yàn)閿U(kuò)散運(yùn)移分餾，即該區(qū)煤層氣為次生成因氣(見(jiàn)圖4和圖5)。由于大寧-吉縣區(qū)塊在燕山運(yùn)動(dòng)的影響下發(fā)生過(guò)地層隆升，受到地表的剝蝕，然后沉降。同時(shí)，區(qū)塊內(nèi)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(zhì)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(zhì)演化可以看出該區(qū)煤層氣受過(guò)后期改造，發(fā)生了解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移形成的。

圖4 5號(hào)煤層煤層氣成因交匯圖

圖5 8號(hào)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?yàn)榇紊梢驓馀c熱成因氣的混合類型。該區(qū)在石炭世在燕山運(yùn)動(dòng)的影響下發(fā)生快速沉降，沉積形成了二疊系太原組8號(hào)煤層和山西組5號(hào)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(kāi)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(dá)到2%左右，煤層基本已經(jīng)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(jīng)停止，持續(xù)緩慢上升。在此過(guò)程中，由于該區(qū)位一向西傾的單斜構(gòu)造，東邊地區(qū)水動(dòng)力比較強(qiáng)，因此從東部邊緣有流水灌入到煤層中，對(duì)盆地形成的熱成因甲烷進(jìn)行了解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移等改造。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析大寧—吉縣區(qū)塊煤層氣成因，主要得到一下結(jié)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?zé)N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(jī)質(zhì)成熟度已經(jīng)達(dá)到了無(wú)煙煤三號(hào)，煤層已經(jīng)基本停止了生氣，生成的熱成因氣是經(jīng)過(guò)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?dú)夂窟_(dá)到了55.14%，判斷其為氧化帶。

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

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

[1] 接銘訓(xùn).鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開(kāi)發(fā)前景[J].天然氣工業(yè),2010,30(6):1-6.

[2] 張虎權(quán),王廷棟,衛(wèi)平生等.煤層氣成因研究[J].石油學(xué)報(bào),2007,28(2):29-34.

[3] 田文廣,湯達(dá)禎,王志麗等.鄂爾多斯盆地東北緣保德地區(qū)煤層氣成因[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,18(3):479-484.

[4] 宋巖,張新民,柳少波等.中國(guó)煤層氣地質(zhì)理論研究進(jìn)展[C].//第四屆中國(guó)石油地質(zhì)年會(huì)論文集.2011:16-17.

(責(zé)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?yàn)槊簩託獾刭|(zhì)工程與信息管理。