煤層氣地球化學(xué)特征及其控制因素

從地球化學(xué)角度介紹了煤層氣的組份和同位素地球化學(xué)特征，并從煤的顯微組分及煤層氣母質(zhì)年代、煤層氣的成因類(lèi)型與演化特征和煤層氣的解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移效應(yīng)及流體巖石相互作用等方面分析了煤層氣地化特征的主要控制因素，并初步分析了煤層氣成藏地球化學(xué)研究中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

煤層氣又稱(chēng)煤層甲烷，指自生自?xún)?chǔ)于煤層中的氣體，屬非常規(guī)天然氣。煤礦中則將煤層中的各類(lèi)氣體通稱(chēng)為瓦斯，瓦斯對(duì)煤礦生產(chǎn)有極大的危害，煤層氣排入大氣則成為“溫室氣體”，使全球大氣升溫與生態(tài)環(huán)境惡化，從而危害人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)煤層氣一直被作為煤礦生產(chǎn)的一種主要災(zāi)害對(duì)待，直到20世紀(jì)70年代美國(guó)在圣胡安和黑勇士盆地進(jìn)行的和煤層氣地面開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的成功，才真正揭示了這一新型潔凈能源的潛在經(jīng)濟(jì)效益和廣闊前景。我國(guó)從20世紀(jì)80年代末以來(lái)開(kāi)展煤層氣勘探開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，在山西沁水盆地南部和河?xùn)|柳林等地區(qū)獲得了具有一定日產(chǎn)量的工業(yè)煤層氣流。到目前為止，已經(jīng)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東部等地區(qū)進(jìn)行了工業(yè)開(kāi)發(fā)。

煤層氣地球化學(xué)研究是整個(gè)煤層氣研究與氣體地球化學(xué)中的一個(gè)新的重要分支領(lǐng)域，這不僅是因?yàn)槊簩託馐瞧溲芯颗c開(kāi)發(fā)利用的直接對(duì)象，而且其地球化學(xué)組成特征還包含了豐富的有關(guān)煤層氣成因、形成條件、保存程度和后期運(yùn)移散失及開(kāi)發(fā)利用價(jià)值等信息，在豐富氣體地球化學(xué)研究方面具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

煤層氣成藏地球化學(xué)過(guò)程及其控制因素是煤層氣基礎(chǔ)理論研究的關(guān)鍵之一，但由于煤層氣成藏過(guò)程與常規(guī)油氣存在本質(zhì)上的差別，煤層氣藏與常規(guī)油氣藏在成藏要素、成藏條件及制約因素等方面存在明顯的差異，在煤層氣藏地球化學(xué)領(lǐng)域的研究工作還十分薄弱，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)油藏地球化學(xué)理論與技術(shù)并沒(méi)有在煤層氣成藏研究中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

隨著煤層氣成藏研究的深入，煤層氣組分與同位素在空間上的非均質(zhì)性分布現(xiàn)象及其成因機(jī)理，煤層氣在煤儲(chǔ)層中的吸附、解吸、溶解、運(yùn)移和擴(kuò)散過(guò)程中烴類(lèi)組分與同位素分餾作用，反映煤層氣在成藏過(guò)程的地球化學(xué)示蹤指標(biāo)，煤層氣藏的形成-破壞歷史以及煤層氣的富集與散失的聚散動(dòng)平衡等方面的地球化學(xué)研究，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

1.煤層氣的地球化學(xué)特征

煤層氣組成特征。煤層氣主要由CH4、CO2、C2+、N2、H2S、H2、He等組成[1，2]，CH4為最主要的成分。Scott[3]根據(jù)美國(guó)1400口煤層氣井氣體成分的統(tǒng)計(jì)表明，煤層氣平均成分為CH4為93%，CO2為3%，C2+為3%，N2為1% ，干度指數(shù)（C1/C1～5）為0.77～1.0。世界各地生產(chǎn)礦井、煤層甲烷開(kāi)采氣及煤層解吸氣的成分差異很大，C2+含量為0～70%，CO2含量為0～99%，但一般均以CH4為主。在低成熟和高成熟階段產(chǎn)生的氣體均以甲烷為主，其他階段所產(chǎn)生的煤層氣，其他氣體（如CO2、C2+等）含量會(huì)更高些。

煤層氣同位素特征。煤層氣的同位素差異也很大，CH4δ13C變化范圍為-80‰～-16.8‰，δD的變化范圍為-333‰～-117‰，CO2的同位素δ13C變化范圍為-26.6‰～+18.6‰[3]。中國(guó)煤層混合氣δ13C分布范圍廣，甲烷碳同位素δ13C1普遍偏輕，其變化范圍為-78‰～-13‰。不同地區(qū)、不同地質(zhì)時(shí)代和不同煤級(jí)δ13C的分布特征也存在明顯差別[4]。

2.煤層氣地球化學(xué)特征的影響因素

煤的顯微組分及煤層氣母質(zhì)年代。據(jù)Schwartzkopf[5]、Whiticar[6]，煤中不同顯微組分的δ13C值之間的差異在3.5‰左右，不同母質(zhì)、不同的顯微組分生成的甲烷δ13C值不同，其中惰質(zhì)組、鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組的δ13C和δD值依次增大；隨著熱成熟度的增加，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組其δ13C值稍有增大，而惰質(zhì)組的δ13C值變化不大。

秦勇[4]根據(jù)中國(guó)不同地質(zhì)時(shí)代煤層氣甲烷碳同位素值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在相同煤級(jí)條件下，隨地質(zhì)時(shí)代變新，煤層氣碳同位素值有變重的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在中生代和新生代煤層氣之間尤為突出。在整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期中，煤巖有機(jī)碳的δ13C1值在35億、20億和4億年前發(fā)生“階躍式”變重，導(dǎo)致不同層位煤層氣δ13C存在差別。其主要原因?yàn)閺闹猩叫律擅褐参镉陕阕又参餅橹饕優(yōu)橐员蛔又参餅橹鳎瑢?dǎo)致新生代煤層氣δ13C1變重。此外，新生代盆地構(gòu)造歷史相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層抬升卸壓作用不強(qiáng)烈，煤層氣解吸-擴(kuò)散效應(yīng)相對(duì)較弱，可能也是導(dǎo)致新生代淺層煤層氣δ13C1更接近于原生帶的重要原因之一。

煤層氣的成因類(lèi)型與演化特征。與常規(guī)油氣的生成階段劃分以及各階段產(chǎn)物不同，泥炭在煤化作用過(guò)程中，能過(guò)生物成因和熱成因兩個(gè)過(guò)程分別形成生物成因氣和熱成因氣。由于生物成因氣和熱成因氣在形成時(shí)間、生成溫壓、母質(zhì)和生氣機(jī)理等方面的差異，所生成的煤層氣的成分和同位素特征也有較大差異[7]。煤化作用階段早期，泥炭沼澤環(huán)境中煤層埋藏淺、溫度低，熱力作用尚不足以使有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生氣體，由微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解作用形成以CH4為主要成分的生物成因氣（原生）。由于生物體對(duì)12C的富集，所以生物成因氣的δ13C1值較低，一般介于-55‰～-90‰，甚至更低。原生生物氣的形成可通過(guò)兩條途徑：CO2還原生成和醋酸、甲醇和甲胺等發(fā)酵轉(zhuǎn)化成CH4。通常由二氧化碳還原作用生成的甲烷碳同位素較輕（-55‰～-110‰），且富氘（δD值為-150‰～-250‰）；有機(jī)酸發(fā)酵作用生成的甲烷碳同位素較重，且消耗氘（δD值為-250‰～-400‰）（圖1）。

圖1 煤層氣中的CH4和CO2碳同位素特征

煤層中已生成的濕氣在相對(duì)低溫下（一般小于50度），可通過(guò)細(xì)菌降解和代謝作用形成次生生物氣（甲烷和二氧化碳）。次生生物氣的形成主要造成大量晚期輕同位素生物成因CH4能夠與前期形成的熱成因氣體混合或充填脫氣煤層，經(jīng)及厭氧細(xì)菌能優(yōu)先破壞大多數(shù)濕氣組分，造成CH4富集。次生生物氣的同位素比原生生物成因氣偏重，一般為-65‰～-50‰，但比熱成因氣要輕，與甲烷伴生的二氧化碳成的δ13C顯著富積，達(dá)-20‰～+30‰。

早期熱成因氣形成于煤變質(zhì)作用初期。在煤變質(zhì)作用之初，煤有機(jī)質(zhì)芳核化程度較低，具大量帶側(cè)鏈的官能團(tuán)，受熱后煤有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解作用，側(cè)鏈或官能團(tuán)斷裂，生成重?zé)N分子和甲烷、二氧化碳、水等小分子，同時(shí)煤有機(jī)大分子的芳構(gòu)化程度提高，二氧化碳被水溶后帶走或進(jìn)一步還原為甲烷，甲烷被保存在煤層中形成煤層氣。該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第565期2014年第33期-----轉(zhuǎn)載須注名來(lái)源由于處于熱成因同位素分餾作用的早期，相對(duì)于狹義熱成因氣，早期熱成因氣輕同位素富積，甲烷δ13C為-40‰～-55‰.狹義熱成因氣形成于煤變質(zhì)作用的大部分時(shí)期，相當(dāng)于烴源巖演化的成熟階段、高成熟階段和過(guò)成熟階段。成熟階段生成的氣體中甲烷比例急劇升高，二氧化碳比例急劇下降，并有大量重?zé)N氣和液態(tài)烴生成，為典型的濕氣；高成熟階段早期以熱降解生氣為主，但熱降解作用呈減弱趨勢(shì)，熱裂解作用逐漸增強(qiáng)，晚期以裂解作用為主。在煤層氣的熱成因過(guò)程中，隨著煤化程度的提高，氣體分子中的2C-12C鍵比13C-12C鍵更頻繁地?cái)嚅_(kāi)，致使殘留氣體中富集13C，所以熱成因氣體的δ13C1值隨之增大，狹義熱成因氣的同位素一般δ13C為-30‰～-45‰。隨煤變階段和煤中生烴母質(zhì)而變化[10]。同時(shí)隨著煤化程度的提高，甲烷也相對(duì)富集氘（δD值大于-250‰）。

煤層氣的解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移效應(yīng)及流體巖石相互作用。由于甲烷比重?zé)N容易被礦物解吸，甲烷分子中12CH4由于極性弱，比13CH4容易解吸，導(dǎo)致解吸帶、原生帶和過(guò)渡帶中甲烷同位素分存范圍不同，在煤層構(gòu)造變動(dòng)中，煤層發(fā)生強(qiáng)烈解吸-擴(kuò)散，原生帶中富含的12CH4首先向上擴(kuò)散運(yùn)移，致使解吸帶中甲烷δ13C值偏輕，一般為-40‰～-70‰，原生帶中甲烷值偏重，一般為-20‰～-30‰，過(guò)渡帶煤層甲烷δ13C值介于兩都之間。據(jù)吳俊[12]研究，不同脫氣階段煤層存在分異現(xiàn)象，通常具有真空脫氣δ13C1<一次脫氣δ13C1<二次脫氣δ13C1的規(guī)律。秦勇研究了華北地區(qū)上古生界氣煤，其煤層氣δ13C1隨埋深增大而逐漸變重，在埋深800m～1000m左右達(dá)到全國(guó)氣煤中煤層氣的擬合統(tǒng)計(jì)值（-57‰～-52‰），在埋深1500m左右趨于腐殖型常規(guī)天然氣的甲烷穩(wěn)定碳同位素組成，在埋深2000m之后基本上不再變化，保持在-45‰～-35‰之間，并由此認(rèn)為，①原生煤層氣的甲烷碳同位素組成與常規(guī)煤型天然氣沒(méi)有本質(zhì)差別，處于熱解氣階段的煤層中幾乎不存在殘余生物氣，否則深部煤層中煤層氣δ13C1就會(huì)明顯偏輕；②在垂向剖面上，存在著煤層氣垂向分帶現(xiàn)象，這種現(xiàn)象起源于煤層埋深變淺而卸壓條件下，由于的12CH4極性弱于13CH4，致使12CH4優(yōu)先解吸，碳同位素發(fā)生分餾，并在擴(kuò)散-運(yùn)移過(guò)程中煤層氣12CH4相對(duì)富集，形成原生帶-過(guò)渡帶-解吸帶由重到輕的垂向分帶序列。

影響煤層氣運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生同位素分餾的因素主要有：①酸性水中的二氧化碳可導(dǎo)致CH4和CO2同位素產(chǎn)生交換，從而使得δ13C1偏輕；②甲烷分子通過(guò)多孔性煤介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生碳同位素的解吸-擴(kuò)散分餾效應(yīng)；③氣體成分中的重?zé)N成分具有類(lèi)似液態(tài)烴的性能，有很強(qiáng)的被吸附性。在吸附和解吸的動(dòng)態(tài)過(guò)程中形成較大的孔隙壓力，驅(qū)替并推動(dòng)甲烷氣體分子的運(yùn)移，最終導(dǎo)致碳同位素的擴(kuò)散分餾或驅(qū)替分餾；④煤田內(nèi)頻繁的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和巖體的破壞，給煤層甲烷的運(yùn)聚提供了外部條件，導(dǎo)致煤層甲烷的間隙性運(yùn)移，結(jié)果造成甲烷碳同位素的分餾，表現(xiàn)為運(yùn)移出來(lái)的甲烷δ13C1偏低，而存在于煤層中的δ13C1偏重。

此外，煤層氣中CH4和CO2之間碳同位素交換作用、巖漿接觸變質(zhì)作用[4]、水動(dòng)力作用、其他類(lèi)型氣體混入[12]等也可造成煤層甲烷的同位素分餾作用。

3.煤層氣成藏過(guò)程地球化學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題

煤層氣成藏過(guò)程中的地球化學(xué)問(wèn)題主要包括煤層甲烷氣的擴(kuò)散作用、甲烷氣在煤儲(chǔ)層中的運(yùn)移分餾作用及混合作用等過(guò)程的地球化學(xué)機(jī)理，并據(jù)此分析煤層氣的散失量和散失歷史，進(jìn)行運(yùn)移過(guò)程的地球化學(xué)示蹤和煤層分隔性研究等。

擴(kuò)散量的地球化學(xué)研究。煤層氣在脫附（解吸）過(guò)程中甲烷同位素將發(fā)生明顯的分餾作用，據(jù)秦勇等、吳俊研究，一次脫附的煤層氣δ13C1一般比二次脫附的輕，與煤層的地域、層域、時(shí)域及煤級(jí)無(wú)關(guān)。表明輕碳同位素的甲烷首先從煤層中脫附，導(dǎo)致在脫附過(guò)程中，殘留在煤層中的煤層氣甲烷同位素變重。可以通過(guò)天然氣或同位素的地球化學(xué)分餾作用的地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究，分析天然氣的散失量。

煤層氣運(yùn)移過(guò)程的地球化學(xué)研究。煤層氣在煤儲(chǔ)層運(yùn)移過(guò)程中，無(wú)論是烴成分還是同位素組成均可能發(fā)生明顯的地色層分餾作用，可以根據(jù)這一原理示蹤分析煤層氣的運(yùn)移趨勢(shì)、運(yùn)移方式和定量評(píng)價(jià)運(yùn)移規(guī)模。

煤層氣成藏聚散動(dòng)平衡研究。煤層氣成藏過(guò)程實(shí)際上是處于生成-吸附（富集）-擴(kuò)散（散失）的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。一方面煤巖在煤化過(guò)程中生成甲烷氣且被煤層所吸附，另一方面，在甲烷氣被吸附的同時(shí)也存在解吸、溶解散失的過(guò)程。這兩個(gè)相互依存的過(guò)程，受到煤的生烴條件、煤級(jí)（熱演化歷史）、煤層水動(dòng)力條件、溫度、壓力等因素的制約，只要建立可靠的生烴模型和擴(kuò)散模型，并準(zhǔn)確確定各種邊界條件和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，就可以進(jìn)行煤層氣成藏過(guò)程的聚散動(dòng)平衡分析。

其他方面的研究。根據(jù)煤層氣藏內(nèi)天然氣組成特征的變化趨勢(shì)研究煤層在縱向上的分隔性以及在橫向上的連通性。還可望根據(jù)煤層中的甲烷包裹體成分和測(cè)溫資料分析煤層生烴歷史和成藏歷史。

（作者單位：1西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院；2延長(zhǎng)油田股份有限公司青化砭采油廠）