淮北地區(qū)含煤巖系有機地球化學特征及生烴潛力分析

湯磊鑫，周 虎，殷磊磊

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊，安徽 淮北 235000)

0 引言

中國淮北地區(qū)煤炭資源尤為豐富，而煤層氣是與煤炭密切共生的氣體礦產(chǎn)資源，也是新興的能源產(chǎn)業(yè)。煤層氣的開發(fā)可以開拓新能源，改善能源結(jié)構(gòu)，緩解能源緊張，具有顯著的經(jīng)濟效益。目前普遍認為有機質(zhì)豐度、有機物類型及有機物成熟度等有機地球化學指標是煤層氣重要的評價參數(shù)，通過系統(tǒng)采樣分析含煤巖系的有機地球化學特征，對煤層氣資源評價具有重要意義[1]。該文以淮北地區(qū)含煤巖系為研究對象，揭示了其有機地球化學特征，并初步分析其生烴潛力。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

以淮北地區(qū)含煤巖系為研究區(qū)。研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育由老至新為上元古界青白口系、震旦系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系，中生界侏羅系、白堊系以及新生界第三系、第四系。奧陶系在全區(qū)較發(fā)育，在蔣河、閘河向斜之間及以東出露；侏羅系、白堊系主要分布在阜陽斷裂以西及東部靈璧、泗縣和固鎮(zhèn)一帶；第三系分布于蔣河向斜北部、渦陽向斜及阜陽地區(qū)?；幢钡貐^(qū)地質(zhì)簡圖如圖1所示。

圖1 淮北地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of the Huaibei Area

含煤巖系太原組、山西組、下石盒子組及上石盒子組主要分布在蔣河向斜、南坪向斜、渦陽向斜等區(qū)域，亳州、張集有小面積分布。其中煤層、暗色泥巖是主要的生氣母巖。

1.1 氣源巖特征

1.1.1 太原組(C2t)

太原組厚度為110～190 m，一般厚度為140 m，主要由灰?guī)r、粉砂巖和暗色泥巖組成，局部灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、泥巖與薄煤互層。生物碎屑灰?guī)r位于該組頂部，為區(qū)域性標志層K1。煤層總厚為2～4 m，泥巖主要為灰黑色，厚約60 m，有機質(zhì)含量較高，是主要的氣源巖。淮北地區(qū)太原組氣源巖等厚圖如圖2所示。

圖2 淮北地區(qū)太原組氣源巖等厚圖Fig.2 Isopach map of gas source rocks of Taiyuan Formation in Huaibei Area

1.1.2 山西組(P2s)

山西組分布廣泛，一般厚度為100 m，含11號和10號2個煤組，均位于該組下部，是主要含煤地層之一。山西組主要巖性為灰-黑灰色粉砂巖、泥巖夾薄煤層，局部由灰色中細粒-粗粒砂巖與粉砂、泥巖組成，中粗粒砂巖中含少量泥質(zhì)包裹體，底部為黑色泥巖。該組作為氣源巖的含煤地層，暗色泥巖約占全層總厚度的1/3?；幢钡貐^(qū)山西組氣源巖等厚圖如圖3所示。

圖3 淮北地區(qū)山西組氣源巖等厚圖Fig.3 Isopach map of gas source rocks of Shanxi Formationin in Huaibei Area

1.1.3 下石盒子組(P2x)

下石盒子組一般厚度為98 m,含8號、7號和6號3個煤組,均位于該組中下部。主要巖性為灰-灰綠色鋁土質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，局部為粉砂巖-細砂巖與泥巖互層，含紫斑鋁土泥巖為區(qū)域性標志層K2，鋁土質(zhì)泥巖含大量菱鐵礦鮞粒。煤層頂、底板多發(fā)育炭質(zhì)泥巖，煤層、暗色泥巖約占全組總厚度的1/3，是重要的生氣母巖?；幢钡貐^(qū)下石盒子組氣源巖等厚圖如圖4所示。

圖4 淮北地區(qū)下石盒子組氣源巖等厚圖Fig.4 Isopach map of gas source rocks of Xiashihezi Formation in Huaibei Area

1.1.4 上石盒子組(P3sh)

上石盒子組厚度為567～637 m，主要巖性為灰-灰白色厚層細-粗粒砂巖與淺紫色-深灰色厚層粉砂巖泥巖互層，泥巖中含少量紫斑，局部為砂巖、泥巖夾砂質(zhì)頁巖和頁巖。底部中粗粒砂巖為區(qū)域性標志層K3。該組氣源巖的煤層、暗色泥巖厚度不大且分布范圍較窄。

1.2 構(gòu)造及巖漿巖

淮北地區(qū)位于中朝準地臺南緣，在石炭、二疊紀煤系地層形成后，受印支、燕山運動影響，基本形成了區(qū)內(nèi)目前的構(gòu)造格局。構(gòu)造線方向主要為北北東向，自西而東，斷裂構(gòu)造依次為阜陽斷裂、岳集斷裂及劉廟斷裂。東西向宿北斷裂橫貫全區(qū)，該斷裂以北地區(qū)有幾個小型巖漿巖侵入體，呈串珠狀北東向展布，最大的是丁里巖體，面積約為20 km2。巖性為花崗閃長巖、閃長玢巖及輝綠巖等，多以巖床、巖脈等產(chǎn)狀順層侵入煤系地層，破壞煤層原始結(jié)構(gòu)，部分地區(qū)吞蝕煤層。巖漿熱異常是淮北地區(qū)煤變質(zhì)程度高于淮南、徐州地區(qū)的主要原因。

2 樣品采集及分析方法標準

系統(tǒng)采集分析了淮北地區(qū)朔里煤礦、劉橋煤礦和蘆嶺煤礦石炭—二疊系炭質(zhì)泥巖、煤及灰?guī)r等樣品126件,其中太原組17件、山西組32件、下石盒子組34件、上石盒子組43件。對采集到的樣品開展有機地球化學數(shù)據(jù)測試,其中總有機碳含量21件,瀝青A分析21件,族組分分析21件,干酪根元素分析16件,飽和烴氣相色譜分析15件,芳烴紅外光譜分析15件,熱解分析6件,鏡質(zhì)體反射率分析11件。各項分析均在安徽省地質(zhì)實驗研究所進行，該研究所具有各項實驗分析測試所需資質(zhì)。其中有機碳含量測試依據(jù)標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》進行，巖石熱解分析試驗依據(jù)標準GB/T 18602—2012《巖石熱解分析》執(zhí)行，試驗中有效參數(shù)包括最大熱解峰溫Tmax、氣態(tài)烴量S1、可溶烴量S2和熱解烴量S3；鏡質(zhì)體反射率使用顯微光度計在室內(nèi)常溫下進行測量，依據(jù)行業(yè)標準SY/T 5124—1995《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率測定方法》檢測。

3 含煤巖系有機地球化學特征

3.1 有機質(zhì)豐度

評價含煤巖系有機質(zhì)豐度的指標主要是有機碳、瀝青A及總烴的含量[2]?；幢钡貐^(qū)有機質(zhì)含量測定結(jié)果見表1，可以看出，不同巖性的有機質(zhì)豐度不同。

表1 有機質(zhì)豐度統(tǒng)計表

煤：有機質(zhì)含量最高，有機碳含量平均為69.16%，最高達77.22%；氯仿瀝青A含量平均為55.16×10-4，最高為156.00×l0-4；總烴含量平均為1 477.78×10-6，最高達3 522.40×10-6。

泥巖：有機碳含量平均為3.97%,最高達11.64%；氯仿瀝青A含量平均為4.15×10-4，最高為17.00×10-4；總烴含量平均為158.81×10-6，最高達589.90×10-6。

灰?guī)r：僅在劉橋礦區(qū)ZK511孔采到一個生物碎屑灰?guī)r(K1)樣，有機碳含量為0.08%，不能作為生氣母巖。

總的來看，煤的有機碳含量一般大于60%，全區(qū)變化不大；氯仿瀝青A和總烴在宿北斷裂以南地區(qū)含量較高，煤和暗色泥巖是主要的生氣母巖?；幢钡貐^(qū)煤炭資源豐富，具有較好的生氣物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 有機質(zhì)類型

3.2.1 干酪根分析

3種類型干酪根具有明顯差別：Ⅰ型干酪根H/C 值較高，一般大于1.5；Ⅱ型干酪根H/C值為1.0～1.5；Ⅲ型干酪根H/C值較低，一般小于1.0[3]。由表2淮北地區(qū)干酪根元素分析結(jié)果可以看出，H/C值為0.52～1.41，煤層干酪根H/C值平均為0.92，泥巖H/C值平均為0.67，均小于1.0；O/C值為0.03～0.11，具有Ⅲ型干酪根的特點。

表2 淮北地區(qū)干酪根元素分析數(shù)據(jù)表Table 2 Table of elemental analysis ofkerogen in Huaibei Area

3.2.2 碳同位素(δ13C)

3種類型干酪根碳同位素δ13C大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，Ⅰ型干酪根δ13C多在-30‰以上，Ⅱ型干酪根δ13C為-25‰～-29‰，Ⅲ型干酪根δ13C為-21‰～-25‰[4]。

淮北地區(qū)煤層及泥巖碳同位素δ13C值為-22.8‰～-24.74‰(見表3)，說明淮北地區(qū)煤系地層干酪根類型為腐植型Ⅲ型。

表3 淮北地區(qū)煤層、泥巖碳同位素分析結(jié)果表Table 3 Table ofisotope analysis results of coal and mudstone in Huaibei Area

3.2.3 巖石熱解分析

選取劉橋礦區(qū)2個煤巖樣(7號和10號煤層)、4個泥巖樣進行熱解分析，從表4結(jié)果可以看出，煤和泥巖的氫指數(shù)均小于50 mg/g，根據(jù)利用氫指數(shù)劃分干酪根類型原則，淮北地區(qū)干酪根類型屬于ⅢB型[5]。

表4 淮北地區(qū)巖石熱解分析氫指數(shù)結(jié)果Table 4 Hydrogenindex results of rock pyrolysis analysis in Huaibei Area

3.2.4 族組分

淮北地區(qū)瀝青A族組分測定結(jié)果(見表5)表明,飽和烴含量低,芳香烴在劉橋礦含量較高,達到53.6%，部分樣品大于瀝青質(zhì)含量；非烴質(zhì)在蘆嶺礦含量高,為53.2%?？偟膩砜?芳香烴、非烴和瀝青質(zhì)含量高,且瀝青質(zhì)>芬香烴>飽和烴,瀝青質(zhì)>非烴,各樣品(飽和烴/芳香烴)值一般小于1。與非煤系生油巖(飽和烴/芳香烴)值小于1明顯不同[6]。

表5 淮北地區(qū)瀝青A族組分測定結(jié)果Table 5 Results of Group A component determination of asphalt in Huaibei Area

煤系有機質(zhì)富含瀝青質(zhì)，非煤系有機質(zhì)富含飽和烴，兩者在氯仿瀝青A組分三角圖上分別落入2個不同的范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 氯仿瀝青A組分三角圖Fig.5 Triangular diagram of Chloroform bitumen A component

3.2.5 飽和烴氣相色譜和芳烴紅外光譜特征

煤及煤系泥巖與非煤系生油巖有機質(zhì)來源不同，煤系中有機質(zhì)主要來自陸生高等植物，非煤系生油巖有機質(zhì)主要來自海生動物，兩者環(huán)境不同，物源不同，導致了各自演化物的特征不同[7]。來源于煤系有機質(zhì)的飽和烴氣相色譜圖，主峰碳為C25～C29；非煤系生油巖有機質(zhì)的飽和烴氣相色譜圖，主峰碳為C15～C19[8]?；幢钡貐^(qū)飽和烴氣相色譜主峰碳多在C25，朔里、蘆嶺礦區(qū)個別樣品在C18～C21。可能是煤層形成時地殼升降運動造成了2種物質(zhì)來源的結(jié)果(見表6)。色譜分析中Pr/Ph全部小于1，大部分小于0.5，表現(xiàn)為植烷優(yōu)勢，說明煤系形成于還原環(huán)境[9]。

圖6所示為煤系與非煤系生油巖芳烴紅外光譜對比圖。從圖6可以看出，淮北地區(qū)煤及泥巖的2 920 cm-1，1 460 cm-1及1 380 cm-1吸收峰強度小于非煤系生油巖,而1 600 cm-1,810 cm-1及750 cm-1吸收峰強度大于非煤系生油巖,同時吸收峰強度750 cm-1>810 cm-1>880 cm-1。Ⅲ型干酪根表現(xiàn)為較強的1 600 cm-1吸收峰和相對較弱的2 920 cm-1和1 460 cm-1吸收峰，也就是說淮北地區(qū)煤及泥巖具有Ⅲ型干酪根特點[10]。

圖6 煤系與非煤系生油巖芳烴紅外光譜對比圖Fig.6 Comparison of infrared spectra of aromatic hydrocarbons between coal-bearing and non-coal-bearing source rocks

3.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度的高低，決定其在演化過程中生烴能力的大小及成烴狀態(tài)[11]。鏡煤反射率、孢粉顏色的深淺、巖石熱解峰溫及生烴潛力的大小是評價有機質(zhì)成熟度的主要指標[12]。

3.3.1 鏡煤反射率

淮北地區(qū)與鄰區(qū)相比，巖漿活動強烈，侵入巖體多，受巖漿熱異常的影響，煤變質(zhì)程度高，高變質(zhì)的無煙煤、自然焦多處發(fā)育，這在淮南及徐州地區(qū)是少見的。因此，與煤變質(zhì)程度對應(yīng)的鏡煤反射率值R°max較大，絕大部分地區(qū)R°max> 1，部分地區(qū)R°max>2，最高的R°max>5，淮南、徐州北區(qū)鏡煤反射率一般小于1。

鏡煤反射率及煤階建立的Ⅲ型干酪根熱解生烴模式，鏡煤反射率R°max= 0.6～1.1 時為成熟階段；R°max=1.1～2.0時有機質(zhì)有大量烴氣生成，處于高成熟階段[13]。從表7中可知，淮北地區(qū)有機質(zhì)全部達到成熟、高成熟階段，少部分已進入過成熟階段。

表7 淮北地區(qū)煤層和暗色泥巖煤鏡質(zhì)體反射率(R°max)統(tǒng)計表Table 7 Statistical table of vitrinite reflectance of coal seams and dark mudstone in HuaibeiArea

3.3.2 孢粉顏色

有機質(zhì)熱演化過程中，隨著變質(zhì)程度的增高，有機質(zhì)化學組成趨向于碳化，顏色由淺變深，特別是孢子、花粉化石反映明顯。其孢子化石的顏色由淺至深分為5個熱變指示帶以確定有機質(zhì)成熟情況：Ⅰ是未成熟，為黃色；Ⅱ是近成熟，為橙色；Ⅲ是成熟，為棕色；Ⅳ是高成熟，為暗棕色；V是過成熟，為黑色[14]。

淮北地區(qū)孢子化石的顏色大都分為棕色、暗棕色或棕紅色，處于第Ⅲ、第Ⅳ指示帶即成熟、高成熟階段。蘆嶺礦孢子化石的顏色較淺，變質(zhì)程度較低，與鏡煤反射率測定結(jié)果基本吻合(見表8)。

表8 孢子與花粉顏色統(tǒng)計表Table 8 Statistical table of spore and pollen color

3.3.3 熱解峰溫及生烴能力

最大熱解峰溫Tmax劃分巖石有機質(zhì)熱演化階段的溫度節(jié)點為435 ℃，455 ℃和465 ℃，分別對應(yīng)未成熟階段、低成熟階段、高成熟階段和過成熟階段[15-16]，從測試結(jié)果看，對應(yīng)了太原組、山西組和下石盒子組。上石盒子組6個樣品的熱解峰溫Tmax為488～550 ℃(見表9)，說明淮北地區(qū)煤系有機質(zhì)均進入成熟階段。

表9 巖石熱解分析結(jié)果(劉橋礦區(qū))Table 9 Results of rock pyrolysis analysis (Liuqiao mining area)

在巖石熱解分析中，代表生烴能力潛力的S2值較低，其中煤為12.27～24.40 mg/g，泥巖為0.25～5.63 mg/g，說明煤變質(zhì)程度高，有機質(zhì)處于高成熟階段，大量烴類物質(zhì)釋放，生烴潛力不大[17]。

4 生烴潛力分析及有利區(qū)預(yù)測

淮北地區(qū)含煤巖系有機地球化學特征表明,煤的有機碳含量平均值為69.16%,暗色泥巖有機碳含量平均值為3.97%,均大于0.40%,可視為氣源巖。干酪根元素分析H/C值基本小于1；碳同位素δ13C值均為-22.8‰～-24.74‰；巖石熱解分析氫指數(shù)均小于50 mg/g；族組分分析(飽和烴/芳香烴)值一般小于1；飽和烴氣相色譜主峰碳多在C25,來源于陸生高等植物；芳烴紅外光譜2 920 cm-1,1 460 cm-1和1 380 cm-1吸收峰強度小于非煤系生油巖,而1600 cm-1,810 cm-1和750 cm-1吸收峰強度大于非煤系生油巖,均表明有機質(zhì)具有Ⅲ型干酪根特點,且以ⅢB為主?；幢钡貐^(qū)R°max大部分大于1.1，說明有機質(zhì)基本達到成熟、高成熟階段，少部分已進入過成熟階段。

淮北地區(qū)含煤巖系具有較好的生氣條件，但同時還要有良好的蓋層及儲氣構(gòu)造。從地層發(fā)育情況看，石炭、二疊系砂巖多為泥質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，孔隙度和滲透率較差[18]。而灰?guī)r中裂隙發(fā)育，溶洞較多，連通性好，是良好的儲氣空間。煤層氣主要位于背斜核部，特別是大型盆地及凹陷中的次級背斜對儲氣更為有利，圈閉條件好，上覆地層厚度大，有利于蓋層的形成及保存[19]。

生烴潛力區(qū)地層主要以太原組、山西組、下石盒子組為主，煤及炭質(zhì)泥巖分布較廣，為淮北地區(qū)主要氣源巖。同時，童亭背斜和宿南背斜作為蓋層是有利的儲氣空間。因此，淮北地區(qū)童亭背斜和宿南背斜是生烴潛力有利區(qū)(如圖7所示)。

圖7 淮北地區(qū)生烴潛力有利區(qū)預(yù)測圖Fig.7 Forecast map of favorable areas for hydrocarbon generation potential in Huaibei Area