煤系氣是怎樣形成的

許行行 傅雪海

近年來，“碳中和”三個字不斷出現(xiàn)在大眾視野?！爸泻汀币鉃檎撓嗟郑概懦龅亩趸嫉葴厥覛怏w以植樹造林、節(jié)能減排等形式抵消。減少碳排放、緩解全球變暖一直是國際上的熱點話題。2020年9月22日，中國國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”

目前，國際上為緩解全球變暖均設定了碳中和目標，而減少碳排放最有效的辦法還是要從根源上解決，即使用清潔能源。2020年，我國天然氣消費量約為3259億立方米，產(chǎn)量為1925億立方米，對外依存度高達41%，這一趨勢仍在逐年增長，亟需加大國內(nèi)天然氣勘探開發(fā)強度。煤系氣作為一種以甲烷為主的非常規(guī)天然氣，是一種清潔高效的能源，在工業(yè)、電力、民用等諸多方面具有廣泛的用途。自從危害煤礦開采安全的瓦斯被人們成功開采之后，煤層氣——煤系氣的一種類型——產(chǎn)量逐年上升，2020年突破200億立方米，其他類型的煤系氣也陸續(xù)被人們發(fā)現(xiàn)、開采和利用。煤系氣的開發(fā)對于增加新能源、減輕礦井災害、改善生態(tài)環(huán)境都大有裨益。

什么是煤系氣呢？弄清楚煤系氣之前，需要了解什么是煤系。煤系是在一定地質(zhì)歷史時期形成的，含有煤層或煤線，并具有成因聯(lián)系的一套沉積巖系，通常由煤層、泥頁巖、致密砂巖以及灰?guī)r相互組合而成。煤系氣則泛指賦存在煤系中的各類天然氣（煤礦開采涌入巷道的部分稱為瓦斯），包括煤層氣、煤系泥頁巖氣、煤系砂（灰）巖氣。

煤系中煤層、泥頁巖以及伴生的油頁巖等層系，富含有機質(zhì)，所以也被稱為烴源巖。烴源巖經(jīng)過一系列的生物化學、地球化學作用，在埋藏、構造、熱演化等地質(zhì)作用過程中產(chǎn)生大量的烴類氣體。其中，賦存在煤層中的為煤層氣，賦存在泥頁巖層系中的為泥頁巖氣，賦存在致密砂巖、灰?guī)r層中的為致密氣。上述“三氣”也被稱為非常規(guī)天然氣，以區(qū)別于常規(guī)天然氣。所謂常規(guī)天然氣，是指由常規(guī)油氣藏開發(fā)出的天然氣，也就是勘探實踐發(fā)現(xiàn)的能夠用傳統(tǒng)的油氣生成理論解釋的天然氣。

煤系氣的形成要經(jīng)歷富有機質(zhì)烴源巖的沉積過程，包括聚集有機質(zhì)烴源巖和分散有機質(zhì)烴源巖的沉積。

聚集有機質(zhì)烴源巖主要是指煤層的沉積。在濕潤的泥炭沼澤環(huán)境中大量出現(xiàn)和生長的高等植物為煤層的沉積奠定了物質(zhì)基礎。在漫長的地質(zhì)歷史時期，曾經(jīng)出現(xiàn)過植物大爆發(fā)事件，在長年或周期性積水并充分濕潤的沼澤環(huán)境中生長的高等植物死亡后，植物遺體被泥沙覆蓋，在生物和化學作用下逐漸形成泥炭，然后埋藏于地下，在上覆地層壓力和地熱的作用下最終形成煤層或煤線，覆蓋的泥沙也逐漸演變?yōu)槟囗搸r和砂巖。

分散有機質(zhì)烴源巖的形成則與浮游生物有關。沼澤水體變深導致高等植物不能生長，但是沼澤中存在大量的浮游生物，這些浮游生物死亡后會沉積在深水泥巖中，再經(jīng)過一系列的生物化學作用就形成了富分散有機質(zhì)烴源巖。

煤層或煤線以及富含有機質(zhì)的烴源巖為微生物的生長和繁衍提供了物質(zhì)基礎，在微生物的代謝和地熱作用下分別產(chǎn)生了生物成因氣和熱成因氣，并賦存在煤層、泥頁巖、砂巖和灰?guī)r中，形成了煤系氣。

煤系氣的形成過程復雜而漫長，簡而言之可以分為兩個階段。第一階段煤系埋深一般淺于1000米，這是一個適合微生物生長的環(huán)境，可以發(fā)生一系列由微生物控制的生物化學作用，它們吃著煤層或巖層中的有機物質(zhì)并代謝釋放出氣體，由于此時埋深較淺，未被上覆巖層壓實成巖，生成的氣體量相對較少，故不易保存，往往在后期的地質(zhì)歷史演化過程中慢慢逸散了；第二階段煤系埋深大于1000米，地層溫度逐漸升高，微生物無法生存，溫度的作用使煤系中的有機質(zhì)發(fā)生熱降解、熱裂解轉(zhuǎn)化作用，生成熱成因氣。熱成因氣占今天勘探開發(fā)的煤系氣中的大部分。

煤系氣與含煤地層的配置關系也是復雜多樣。在煤層和富有機質(zhì)泥頁巖中“出生”的氣，首先會在煤層、泥頁巖中保存下來，形成煤層氣和泥頁巖氣。這些層系中的氣體飽和以后，多余的氣體會沿著煤層、泥頁巖中的孔隙和裂隙運移到砂巖層中。砂巖是一種主要以石英和長石等礦物組成的沉積巖層，孔隙十分發(fā)育，煤層和富有機質(zhì)泥頁巖中“出生”的氣更易“鉆”進去。當砂巖層在上覆地層的重力作用下，從疏松多孔變成致密少孔，“鉆”進去的氣再也“鉆”不出來，此時儲存在其中的氣體就稱為致密砂巖氣。

泥頁巖層比較特殊，它本身由富含有機質(zhì)的沉積巖組成，與煤層不同的是它所含的有機質(zhì)較煤層少，無機質(zhì)所占的比例比煤層要大得多。所以跟煤層一樣，它除了本身可以產(chǎn)生氣體外，也可接收來自其他烴源巖層的氣體。由于煤系中泥頁巖層、砂巖層、煤層交替重復出現(xiàn)，于是產(chǎn)生了煤層氣、泥頁巖氣、致密砂巖氣等多種多樣的組合類型。

煤系氣在形成之后，會慢慢在地層中散失殆盡，能夠保留至今的氣體，缺少不了“封蓋條件”。煤系氣不僅可以通過一些滲透率很低的烴源巖層本身進行封蓋，而且可以利用巖層中的氣、水壓力差或者地層中氣體的濃度差進行封蓋保存。

隨著對煤系氣資源的不斷研究，人們對于煤系氣的形成、聚集、保存以及成藏特征也有了更深一步的了解，為煤系氣的采集和利用提供了堅實的基礎。煤系氣作為一種清潔能源，不僅能為我國經(jīng)濟建設提供能源支撐，而且也符合我國綠色能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。