二連盆地富氣凹陷低階煤煤層氣成因及成藏機(jī)制

林海濤，李 玲，唐淑玲，田文廣，李 杰，孟 芹

(1.內(nèi)蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古煤勘新能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；4.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

煤層氣成因機(jī)理復(fù)雜，成因類型多樣，生氣母質(zhì)組成特征、沉積埋藏條件、構(gòu)造-熱演化過程、微生物及水動(dòng)力作用等都影響著煤層氣的形成與演化。伴隨著成煤作用地進(jìn)行，生物成因和熱成因煤層氣先后有序生成，并在地質(zhì)歷史過程中進(jìn)一步演化。不同成因類型的煤層氣在氣體組成、同位素組成以及生氣母質(zhì)類型和降解演化特征等方面存在顯著差異。煤層氣成因類型可劃分為有機(jī)成因氣、無機(jī)成因氣以及混合成因氣。其中有機(jī)成因氣包括原生生物成因氣、次生生物成因氣、熱降解氣和熱裂解氣[1-2]；無機(jī)成因氣一般認(rèn)為主要有大氣來源、深部幔源氣及巖石化學(xué)反應(yīng)氣[3-4]。早期原生生物氣和部分熱成因氣受埋深淺、地層壓力小及構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)等因素影響，難以得到有效保存，大多已散失[5]。次生生物煤層氣對(duì)應(yīng)煤變質(zhì)程度范圍較寬，一般鏡質(zhì)體最大反射率Rmax為0.30%～1.50%，成煤期后煤層因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)被抬升到近地表，含菌地表水下滲灌入煤層，在相對(duì)低的溫度下，煤化過程中產(chǎn)生的濕氣、正烷烴及其他有機(jī)物經(jīng)細(xì)菌降解和代謝作用均可生成次生生物成因氣[6]。

煤層氣成因識(shí)別可概括為組分特征判識(shí)和同位素判識(shí)2 個(gè)方面，具體的指標(biāo)包括C1/∑C1-5、C1/(C2+C3)、δ13C(CH4)、δD(CH4)、δ13C2、δ13C(CO2) 及CDMI 值等。通常以δ13C(CH4)=-55‰為界劃分生物成因氣(≤-55‰)和熱成因氣(>-55‰)，也有學(xué)者研究認(rèn)為δ13C(CH4)最高可達(dá)-50‰[7-8]。生物成因甲烷的產(chǎn)氣途徑一般可劃分為二氧化碳還原、乙酸發(fā)酵及甲基發(fā)酵，對(duì)應(yīng)的甲烷菌類型分別為氫營(yíng)養(yǎng)型、醋酸營(yíng)養(yǎng)型和甲基營(yíng)養(yǎng)型[9]。其中通過乙酸發(fā)酵途徑成因的生物氣δ13C(CH4) 一般介于-65‰～-50‰，而通過CO2還原途徑生成的生物氣δ13C(CH4) 值一般分布在-110‰～-65‰[10-11]。煤層氣生成、運(yùn)移與煤層水密切相關(guān)，通過分析煤層水型水質(zhì)、礦化度、離子特征、穩(wěn)定同位素放射性同位素特征，可判斷煤層水的來源、年齡和演化規(guī)律，對(duì)煤層氣富集成藏指示意義重大[12-13]。通常，生物成因甲烷的氫同位素組成和成因類型與共生煤層水有關(guān)，導(dǎo)致兩種途徑產(chǎn)生的生物氣δD(CH4)分布范圍差異較大，CO2還原生物氣δD(CH4) 介于-250‰～-150‰，乙酸發(fā)酵生物氣δD(CH4)分布在-400‰～-250‰[14]。近年來，有學(xué)者指出基于多種指標(biāo)組合的Whiticar 天然氣判識(shí)圖版[15]在識(shí)別煤層氣成因時(shí)存在互相矛盾或重疊區(qū)無法識(shí)別的情況[16-17]。Milkov 和Etiope 在2018 年提出了新的天然氣成因判識(shí)圖版[18]，依據(jù)該圖版可將原生生物氣與次生生物氣劃分開，并可識(shí)別早期熱成因氣、油伴生熱成因氣以及晚期熱成因氣，可用于低階煤煤層氣中原生生物氣和早期熱成因氣重疊區(qū)的精確判識(shí)。

對(duì)于熱成因氣生成能力較差的低煤階煤層，生物成因氣可能成為其主要的氣源，具備生物成因氣生成環(huán)境是低階煤煤層氣富集成藏的重要條件之一。美國(guó)提出的“生物型或次生煤層氣成藏”理論，促進(jìn)了粉河、尤因塔等低階煤盆地煤層氣的商業(yè)性開發(fā)[19]。除美國(guó)外，加拿大、澳大利亞也發(fā)現(xiàn)了生物成因煤層氣藏。對(duì)于以低煤階煤為主的內(nèi)蒙古二連盆地來說，生物成因氣可能成為其增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要資源基礎(chǔ)。因此，探索其煤層氣成因及成藏機(jī)制，建立煤層氣成藏模式，對(duì)于二連盆地乃至內(nèi)蒙古地區(qū)低階煤煤層氣資源選區(qū)和評(píng)價(jià)具有重要的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)是全國(guó)重要的能源和戰(zhàn)略資源基地，地域遼闊，資源富集。“十二五”期間內(nèi)蒙古自治區(qū)開始推動(dòng)西部中高階煤煤層氣勘探工作，“十三五”期間煤層氣勘探開發(fā)重點(diǎn)由內(nèi)蒙古西部中高階煤向東部中低階煤轉(zhuǎn)移。目前二連盆地吉爾嘎朗圖、霍林河、巴彥花等凹陷以及海拉爾盆地低階煤煤層氣見氣良好，初步具備規(guī)模開發(fā)的潛力，為本次主要研究對(duì)象。

二連盆地群位于內(nèi)蒙古中部，東西長(zhǎng)約960 km，南北寬85～426 km，面積約117 685 km2。盆地群受NEE、NE 向和EW 向展布的基底斷裂控制，總體呈現(xiàn)“五坳一隆”的格局，分布5 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，由21 個(gè)凸起和56 個(gè)凹陷組成[20](圖1a)。含煤地層分布廣泛，發(fā)育良好，聚煤時(shí)代主要為中生代侏羅紀(jì)和早白堊世，主要含煤地層有下侏羅統(tǒng)紅旗組、下白堊統(tǒng)騰格爾組(大磨拐河組)和賽罕塔拉組(伊敏組)(圖1b)。

圖1 二連盆地群凹陷分布及典型地層綜合柱狀圖Fig.1 Sag distribution and typical composite stratigraphic column of the Erlian Basin Group

吉爾嘎朗圖凹陷位于二連盆地群蘇尼特隆起帶東北部，為同沉積斷層控制的斷陷型含煤凹陷，主體為北東向?qū)捑徬蛐睒?gòu)造，凹陷內(nèi)斷層發(fā)育，多為正斷層[21]。主要含煤地層為下白堊統(tǒng)賽罕塔拉組，煤層層數(shù)多、厚度大，含5 段可采煤組，主采煤層為5 號(hào)煤和6 號(hào)煤，單煤層最大煤厚達(dá)114.75 m，主力煤層埋深在0～917 m，屬于淺埋巨厚煤層。巴彥花凹陷和霍林河凹陷位于烏尼特坳陷的東北端，二者相鄰，整體呈NE-NNE 向展布，均為半地塹式斷陷盆地，盆緣受正斷層所限，區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，主要含煤地層為下白堊統(tǒng)騰格爾組，煤層埋深適中，最深不超1 200 m[22]。三個(gè)富氣凹陷煤變質(zhì)程度均較低，鏡質(zhì)體最大反射率Rmax介于0.24%～0.60%，平均0.39%，煤類主要為褐煤和長(zhǎng)焰煤。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

本次研究主要對(duì)二連盆地重點(diǎn)富氣凹陷進(jìn)行了系統(tǒng)資料收集和采樣測(cè)試化驗(yàn)，共采集煤層氣樣149 件，水樣22 件，樣品采集涵蓋吉爾嘎朗圖、霍林河和巴彥花3 個(gè)凹陷。其中氣樣采用排水集氣法，解吸氣樣用鹽水瓶密封倒置，水樣取自連續(xù)穩(wěn)排3 個(gè)月以上的井口產(chǎn)出水，基本排除了壓裂液影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括煤層氣體組分、碳/氫同位素測(cè)試，煤層水水型水質(zhì)、氫氧同位素、水中溶解無機(jī)碳同位素(δ13CDIC)測(cè)試及放射性同位素3H 和14C 測(cè)試。其中煤層氣組分和穩(wěn)定同位素測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心完成，分別應(yīng)用Hiden-3F-PIC 快速反應(yīng)質(zhì)譜儀和MAT-253 氣體同位素質(zhì)譜計(jì)測(cè)定。地層水地球化學(xué)測(cè)試在西安煤科檢測(cè)技術(shù)有限公司完成，其中水型水質(zhì)采用5110VDV 電感耦合等離子體光譜儀和Eco Ic 離子色譜儀測(cè)定，地層水δ18O、氘(δD)、氚(3H)及δ13CDIC采用MAT 253 Plus型氣體同位素質(zhì)譜儀測(cè)試，放射性同位素14C 定年實(shí)驗(yàn)采用NEC1.5SDH-1 加速器質(zhì)譜儀。δ13C 和δD 測(cè)定結(jié)果分別相對(duì)于13C 與12C 同位素豐度比(VPDB) 和海水中D 與H 同位素豐度比(VSMOW)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 煤層氣地球化學(xué)特征

3.1.1 煤層氣組分特征

由表1 可知，二連盆地低階煤煤層氣組分以CH4為主，由淺至深CH4體積分?jǐn)?shù)從6.8% 增加到99.9%(圖2a)。CO2體積分?jǐn)?shù)介于0.6%～10.0%，其中吉爾嘎朗圖凹陷CO2體積分?jǐn)?shù)隨埋深增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，在300～500 m 區(qū)間出現(xiàn)異常高值(圖2b)。C2+體積分?jǐn)?shù)為0～0.4%，N2體積分?jǐn)?shù)在0.8%～92.3% 變化，N2濃度表現(xiàn)出隨埋深增加而降低的趨勢(shì)(圖2c)，說明N2主要來源于大氣。C1/∑C1-5 普遍>0.99，表明二連盆地煤層氣均為干氣。CDMI 值(CDMI=w(CO2)/w(CO2+CH4)×100%)平均為1.17～10.12，不同凹陷CDMI 差異較大，吉爾嘎朗圖凹陷明顯高于其他兩個(gè)凹陷(表1)。

表1 二連盆地低階煤煤層氣組分與同位素組成特征Table 1 Components and isotopic compositions of coalbed methane in low-rank coals in the Erlian Basin

圖2 二連盆地煤層氣組分體積分?jǐn)?shù)與埋深關(guān)系Fig.2 Burial depth-varying component volume fractions of coalbed methane in the Erlian Basin

通常干燥系數(shù)(C1/C2+)可用于初步判識(shí)氣體成因，C1/C2+介于1 000～4 000 為生物成因氣，C1/C2+<100 為熱成因氣[23-24]。二連盆地煤層氣干燥系數(shù)在221～9 401，平均為269～5 634，CH4濃度高、重?zé)N及CO2濃度低，總體上表現(xiàn)出生物成因氣特征。

3.1.2 煤層氣穩(wěn)定同位素特征

二連盆地煤層氣碳、氫同位素普遍偏輕，其中δ13C(CH4)介于-70.3‰～-48.0‰，大多數(shù)小于-55.0‰，平均值為-60.55‰；δD(CH4) 介于-285.5‰～-189.0‰，主體小于-190‰，平均值為-252.34‰，整體表現(xiàn)出生物成因氣特征。δ13C(CO2)變化范圍較大，介于-37.6‰～1.94‰，平均為-20.59‰。

3.2 煤層水地球化學(xué)特征

3.2.1 煤層水化學(xué)特征

煤層產(chǎn)出水的化學(xué)特征可用于分析地下水化學(xué)場(chǎng)特征和微生物代謝活動(dòng)狀態(tài)。由表2 可知，研究區(qū)煤層產(chǎn)出水pH 為7.5～9.0，為堿性水，陽離子以Na+為主，陰離子以為主，Cl-次之，、含量低，礦化度介于1 241.5～5 593.0 mg/L，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na型、Cl·HCO3-Na 型。綜合認(rèn)為研究區(qū)煤層現(xiàn)今水體環(huán)境較為穩(wěn)定，水動(dòng)力較弱。

表2 二連盆地低階煤煤層氣井產(chǎn)出水地球化學(xué)特征Table 2 Geochemical characteristics of produced water from coalbed methane wells in low-rank coals in the Erlian Basin

3.2.2 煤層水成因及來源

地表水補(bǔ)給作用使微生物進(jìn)入煤層，攜帶微生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低鹽度、帶走代謝廢物等促進(jìn)產(chǎn)甲烷。通過煤層產(chǎn)出水放射性同位素氚(3H)的測(cè)定可判斷煤層產(chǎn)出水在各凹陷的滯流時(shí)間[25]。由表3 可知，吉爾嘎朗圖凹陷煤層水3H 檢測(cè)值小于1.0 TU，表明煤層產(chǎn)出水年齡早于1 952 a。14C 定年分析顯示巴彥花凹陷煤層水表觀年齡為(38 790±1 020 a)，吉爾嘎朗圖凹陷煤層水表觀年齡介于29 330～47 490 a，可推測(cè)煤層水為第四紀(jì)水，水動(dòng)力較緩或停滯，沒有或較少有現(xiàn)今地表水補(bǔ)給。宋佩德等[26]認(rèn)為深層原生地下水具有較高的δ18O(+6‰～+9‰)，而研究區(qū)煤層水δ18O 介于-18.6‰～-13.8‰，可推測(cè)為非原生沉積水。由圖3 可以看到煤層水δD 與δ18O 整體位于中國(guó)大氣降水線附近，說明煤層水主要來自大氣降水，因此推測(cè)煤層水來源于為第四紀(jì)的大氣降水和地表水補(bǔ)給。自第四紀(jì)中晚期，我國(guó)西北地區(qū)年平均蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降水量，地表水補(bǔ)給逐漸停止，形成相對(duì)封閉的環(huán)境，產(chǎn)甲烷作用逐漸減弱[27]。

表3 二連盆地煤層氣井產(chǎn)出水放射性同位素定年數(shù)據(jù)Table 3 Radioisotopic dating data of produced water from coalbed methane wells in the Erlian Basin

圖3 二連盆地煤層水δD 與δ18O 分布特征Fig.3 Distributions of δD and δ18O of coal seam water in the Erlian Basin

此外，地層水中溶解無機(jī)碳的δ13C 具有良好的示蹤作用，而且可以成為判斷地層中是否存在甲烷菌發(fā)酵作用及生物氣是否生成的可靠指標(biāo)[28]。一般煤層水δ13CDIC高負(fù)值(如-30‰)具有受熱力影響的特征，δ13CDIC正值且高堿度(含量高)表明受微生物作用影響[29]。由表2 可知，巴彥花凹陷煤層產(chǎn)出水中溶解無機(jī)碳δ13CDIC為-2.6‰，吉爾嘎朗圖凹陷為11.2‰～12.9‰，進(jìn)一步表明研究區(qū)煤層發(fā)生過微生物產(chǎn)甲烷作用，尤其是甲基發(fā)酵作用[22]。由于較輕的H216O 比H218O 更易被蒸發(fā)，因此蒸發(fā)作用將導(dǎo)致氫、氧同位素值位于大氣降水線以下[29]，吉爾嘎朗圖凹陷部分水樣具有明顯的O漂移特征(圖3)，進(jìn)一步說明吉爾嘎朗圖凹陷地層水受到強(qiáng)烈蒸發(fā)作用的影響。

4 二連盆地煤層氣成因及成藏機(jī)制

4.1 煤層氣成因及來源

基于δ13C(CH4)-C1/(C2+C3)和δ13C(CH4)-δD(CH4)圖版(圖4a，圖4b)可知，3 個(gè)凹陷的樣品點(diǎn)絕大部分落在原生生物成因氣范圍內(nèi)，吉爾嘎朗圖凹陷和巴彥花凹陷存在少部分樣品落在早期熱成因氣范圍內(nèi)，表明二連盆地煤層氣主要為原生生物成因氣，煤進(jìn)入低變質(zhì)階段后產(chǎn)生少量早期熱成因氣，與國(guó)內(nèi)外典型低階煤盆地生物成因氣分布特征基本一致。同時(shí)，可以看出幾個(gè)凹陷的生物成因氣均存在CO2還原和乙酸發(fā)酵兩種生成途徑，大部分樣品點(diǎn)落在兩種產(chǎn)氣途徑的重疊區(qū)，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。Whiticar 指出，微生物氧化作用會(huì)導(dǎo)致在δ13C(CH4)-δD(CH4)圖上難以準(zhǔn)確判別甲烷形成途徑，而δ13C(CH4)-δ13C(CO2)圖版在識(shí)別生物氣生成途徑方面具有更好的適用性[14]，可通過分餾系數(shù)α對(duì)生物成因氣生成途徑進(jìn)行區(qū)分[30]，α=(1 000+δ13C(CO2))/(1 000+δ13C(CH4))。由圖4c 可以看出，3 個(gè)凹陷大部分樣品點(diǎn)落在了α=1.03～1.06，表現(xiàn)為乙酸發(fā)酵型，吉爾嘎朗圖凹陷部分樣品點(diǎn)落在α>1.06 區(qū)域，表現(xiàn)出CO2還原型生物氣特征，巴彥花凹陷少部分樣品點(diǎn)分布在α<1.03 區(qū)域，表現(xiàn)出甲基發(fā)酵型生物氣特征，表明研究區(qū)生物成因氣主要通過乙酸發(fā)酵途徑產(chǎn)生，吉爾嘎朗圖凹陷存在部分CO2還原型生物氣，巴彥花凹陷存在少量甲基發(fā)酵型生物氣。

圖4 二連盆地煤層氣成因判識(shí)Fig.4 Discriminant diagrams showing the origin of coalbed methane in the Erlian Basin

一般與微生物產(chǎn)甲烷作用相關(guān)的δ13C(CO2)在-40‰～20‰，熱成因的δ13C(CO2)在-275‰～-5‰[31]。研究區(qū)δ13C(CO2)在-37.6‰～-2.7‰，平均為-20.59‰。由δ13C(CO2)-CDMI 組合關(guān)系(圖5) 顯示，樣品大部分與微生物產(chǎn)甲烷作用相關(guān)，部分為熱成因來源，一部分受烴類氧化作用影響。如圖2b 所示，吉爾嘎朗圖凹陷在300～500 m 埋深區(qū)間CO2體積分?jǐn)?shù)較高，這是由于該埋深范圍主要通過乙酸發(fā)酵作用產(chǎn)生甲烷，該過程在產(chǎn)生甲烷的同時(shí)還伴生大量的CO2[32]；當(dāng)埋深大于500 m后，CO2體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是由于大埋深條件下水動(dòng)力條件減弱，可利用的新鮮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充不足，微生物產(chǎn)甲烷逐漸轉(zhuǎn)化為以CO2還原作用為主，該過程CO2作為生物底料被消耗[16]，因此CO2體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

圖5 二連盆地δ13C(CO2)-CDMI 組合關(guān)系Fig.5 δ13C(CO2) vs.CDMI of the Erlian Basin

此外，生物成因氣的形成與水介質(zhì)條件密切相關(guān)，研究區(qū)δD(H2O) 為-129.6‰～-98.7‰，δD(CH4)為-279.93‰～-232.15‰，煤層水δD 值普遍比甲烷δD 值重160‰左右，根據(jù)宋巖等[8]提出的生物成因氣δD(CH4)與δD(H2O)的關(guān)系，進(jìn)一步反映研究區(qū)煤層氣主要為生物成因氣。

實(shí)際上，不同產(chǎn)甲烷途徑可同時(shí)發(fā)生，相對(duì)優(yōu)勢(shì)在各種環(huán)境中取決于眾多因素，包括細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌種類、產(chǎn)甲烷菌代謝底物、有機(jī)碳含量、微生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度、酸堿度、鹽度等。優(yōu)勢(shì)群落會(huì)隨著煤層埋藏深度、物化條件的改變而變化，菌群結(jié)構(gòu)特征需經(jīng)后續(xù)采樣實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

4.2 煤層氣成藏機(jī)制

基于以上煤層氣成因類型分析，耦合各個(gè)凹陷構(gòu)造演化特征、水動(dòng)力及水化學(xué)條件，可將研究區(qū)煤層氣成藏模式歸納為兩種，其中吉爾嘎朗圖凹陷表現(xiàn)為即地塹式淺部厚煤層生物氣成藏模式(圖6)，巴彥花和霍林河凹陷表現(xiàn)為半地塹式中深部承壓區(qū)水力封堵生物氣成藏模式(圖7)。

圖6 地塹式淺部厚煤層生物氣成藏模式Fig.6 Graben-type biogenetic-gas accumulation mode in shallow thick coal seams

圖7 半地塹式中深部承壓區(qū)水力封堵生物氣成藏模式Fig.7 Half-graben-type biogenetic-gas accumulation mode with hydraulic sealing in moderately deep confined areas

4.2.1 地塹式淺部厚煤層生物氣成藏模式

吉爾嘎朗圖凹陷構(gòu)造形態(tài)整體呈現(xiàn)為多斷層控制的地塹構(gòu)造，煤層厚度大、埋深淺、熱演化程度低。早期煤層多出露地表或埋藏較淺，煤層易受到大氣降水、山麓雨水和雪水等補(bǔ)給，形成適合產(chǎn)甲烷菌生存的低礦化度地層水化學(xué)環(huán)境，同時(shí)煤層溫度介于28～32℃，處于生物氣生成的最佳溫度，有利于產(chǎn)生大量的生物氣。

通常地下水相對(duì)較長(zhǎng)的滯流時(shí)間和基質(zhì)不足有利于CO2還原產(chǎn)氣，而在厭氧條件下快速補(bǔ)給的地下水徑流條件和充足的新鮮有機(jī)物則有利于乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣。吉爾嘎朗圖地處蘇尼特古隆起邊緣，在較早地質(zhì)歷史時(shí)期有過淡水入滲，古水文地質(zhì)條件優(yōu)越，地層水礦化度低，因此早期地層環(huán)境有利于乙酸發(fā)酵型產(chǎn)甲烷菌生存并產(chǎn)氣；后受同沉積斷層控制逐步形成地塹構(gòu)造，正斷層的發(fā)育使得地表水能夠充分進(jìn)入煤層，地表水充注作用進(jìn)一步加強(qiáng)，乙酸發(fā)酵作用持續(xù)發(fā)生。后期隨著地表水充注作用減弱，新鮮的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)給不足，逐漸轉(zhuǎn)化為CO2還原產(chǎn)氣形式。前人研究表明吉爾嘎朗圖凹陷500 m 以淺由于大氣降水補(bǔ)給，使煤層水中有大量好氧微生物，為產(chǎn)甲烷菌提供可用簡(jiǎn)單底物發(fā)揮重要作用[33]。凹陷中部地區(qū)水體環(huán)境較封閉，礦化度相對(duì)較高，有利于氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌存活，同時(shí)大量存在，也為CO2還原作用提供了充足的CO2，因此凹陷中部應(yīng)以CO2還原產(chǎn)氣作用為主。此外，吉爾嘎朗圖凹陷少部分煤層Rmax達(dá)到了0.5% 以上，進(jìn)入熱成因氣生氣門限，可產(chǎn)生少量早期熱成因氣，但煤層始終未進(jìn)入大量熱成因氣生成階段，也是該區(qū)煤層氣藏以生物成因氣為主的根本原因。

在地塹構(gòu)造內(nèi)煤層厚度大、埋藏淺，巨厚煤層本身的自封閉性加之煤層頂板厚層泥巖的發(fā)育有效阻止了煤層氣垂向運(yùn)移，將氣體封閉在煤層內(nèi)部；同時(shí)，水動(dòng)力的側(cè)向封堵作用也有利于后期煤層氣的保存，最終形成了地塹式淺部厚煤層生物氣藏(圖6)。

4.2.2 半地塹式中深部承壓區(qū)水力封堵生物氣成藏模式

巴彥花和霍林河凹陷構(gòu)造形態(tài)相似，均呈現(xiàn)出半地塹式構(gòu)造形態(tài)，盆緣斜坡帶被正斷層所切割，且東側(cè)煤層多出露地表，直接接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，較強(qiáng)的水動(dòng)力條件帶來了大量新鮮有機(jī)物。一般礦化度小于4 000 mg/L 時(shí)，pH=7～8，產(chǎn)甲烷菌的活性最高，產(chǎn)氣效率最大[34]。巴彥花和霍林河凹陷煤層水礦化度普遍較低，其中巴彥花凹陷煤層水礦化度小于1 500 mg/L，霍林河凹陷煤層水礦化度略高于巴彥花凹陷，二者均處于淡水環(huán)境，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，是乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣的有利環(huán)境。其中盆緣兩側(cè)斜坡帶煤層形成于辮狀河三角洲沉積環(huán)境，物源補(bǔ)給頻繁，垂向巖性變化大，砂巖為煤層主要頂?shù)装?，封蓋性較差，不利于煤層氣保存，早期生成的乙酸發(fā)酵型生物氣部分通過頂板砂巖逸散，部分隨地下水向下運(yùn)移至凹陷核部附近。而凹陷核部煤層發(fā)育于湖沼相，煤層厚度大，且頂板厚層泥巖發(fā)育，垂向封蓋能力強(qiáng)；同時(shí)，凹陷核部煤層埋深較大，處于封閉的承壓水滯流區(qū)，水力封堵作用可阻擋煤層氣側(cè)向運(yùn)移，加之隨煤層水運(yùn)移而來的淺部生物氣，共同形成中深部承壓區(qū)水力封堵生物氣藏(圖7)。

4.3 下一步勘探開發(fā)建議

綜上所述，二連盆地重點(diǎn)富氣凹陷均具有適合生物氣生成的“三低”地質(zhì)條件，即低地溫、低礦化度和低熱演化程度，以及有利的構(gòu)造和保存條件，有利于生物成因煤層氣的富集成藏，整體具有較好的開發(fā)潛力。結(jié)合兩種成藏模式下煤層含氣量及煤層氣井生產(chǎn)資料，數(shù)據(jù)分析表明：在靠近地塹中部厚煤層區(qū)和半地塹軸部大埋深煤層區(qū)，煤層含氣量和臨儲(chǔ)比均較高，煤層氣井多為高產(chǎn)；在埋深較淺的地塹邊緣和半地塹兩側(cè)斜坡帶，煤層埋深較淺，水動(dòng)力較強(qiáng)，生成的生物成因氣多散失或隨水流向軸部運(yùn)移，成藏條件較差，含氣量和臨儲(chǔ)比均較低，且通常產(chǎn)水量高，導(dǎo)致煤層降壓解吸困難，不利于氣井高產(chǎn)。

對(duì)于以低階煤為主的二連盆地來說，研究生物成因氣的生成機(jī)理和富集規(guī)律，對(duì)于評(píng)價(jià)煤層氣資源量，指導(dǎo)勘探開發(fā)以及資源合理利用都具有重要意義。因此，尋找適合生物成因氣形成和保存的富集有利區(qū)如厚度較大、埋深適中、封蓋層條件好的地塹式構(gòu)造、半地塹式構(gòu)造和向斜軸部區(qū)域，應(yīng)是二連盆地低階煤煤層氣未來勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)。

5 結(jié)論

a.二連盆地煤層氣以原生生物成因氣為主，混有少量早期熱成因氣。其中，吉爾嘎朗圖凹陷早期以乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣為主，晚期轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2還原產(chǎn)氣為主，并伴隨少量低成熟熱成因氣；同時(shí)在盆緣兩側(cè)小于500 m 區(qū)域，生物氣形成途徑多為乙酸發(fā)酵，凹陷中部大于500 m區(qū)域，以CO2還原作用為主。巴彥花和霍林河凹陷微生物產(chǎn)氣途徑均主要為乙酸發(fā)酵，其中，霍林河凹陷還含有少量甲基發(fā)酵型生物氣。

b.二連盆地煤層具有適合生物氣生成的“三低”條件，即低地溫、低礦化度和低熱演化程度，并具有有利的煤層氣成藏條件，綜合構(gòu)造、沉積、水動(dòng)力條件和煤層氣成因類型，總結(jié)出吉爾嘎朗圖為地塹式淺部厚煤層生物氣成藏模式，巴彥花和霍林河凹陷屬于半地塹式中深部承壓區(qū)水力封堵生物氣成藏模式。

c.尋找適合生物成因氣形成和富集的有利目標(biāo)區(qū)，應(yīng)是二連盆地煤層氣下一步勘探開發(fā)的重點(diǎn)方向，也是二連盆地低階煤煤層氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)保障。