構造-熱演化對煤層氣生成的制約及常用模擬方法綜述

姚利萍

山西省潞安職業中等專業學校，山西 長治 046000

構造-熱演化對煤層氣生成的制約及常用模擬方法綜述

姚利萍

山西省潞安職業中等專業學校，山西 長治 046000

煤層氣作為煤層的主要衍生烴類，其生成過程必然受煤層所處盆地的構造作用影響，從煤層的構造熱演化特征可以得出煤化作用大致主要發生年代，煤層氣的生成量，也可對是否有利于煤層氣開發做出評估。含煤地層構造熱演化史對煤層氣生成、聚集具有影響，二次生烴對煤層氣的生成具有重要作用，用構造熱演化模擬的手段，可以反演含煤盆地所在區的沉積史和熱演化過程，并研究它們與煤層氣的關系，為煤層氣的勘探指明了方向。本文結合國內學者相關研究，簡述并概括了我國對于構造熱演化模擬方法的相關研究。

構造熱演化；構造熱演化模擬；煤層氣

沉積盆地的形成和發展過程中，盆地的熱質體是動態變化的，不同成因的盆地必然存在不同的熱史狀態，同樣成因的原盆地經歷了不同的改造疊加也會表現出不同的熱史狀態。成煤盆地的熱狀態歷史也決定了其煤巖的成熟史，并影響和制約著生烴作用的類型和規模。在我國的幾個主要含煤盆地如兩淮、鄂爾多斯、沁水盆地、渤海灣等[1,2]，這些成煤區塊在古生代的成煤沉積環境基本相同，但在中新生代的構造改造過程中，經歷了不同的沉積歷史和構造改造，從而最終形成了不同區域的生烴規模和生烴類型。

1 研究現狀

國內學者已從多角度實驗分析構造熱演化與煤層氣生成機理，諸如中國石油大學蘇向光等[3,4]依據鏡質體反射率利用EASY% Ro動力學模型對濟陽坳陷沾化凹陷進行熱演化模擬，通過對沾化凹陷四個洼陷20口井的單井熱史模擬分析該區新生代的熱演化狀況；中國地質科學院朱志敏等[5]從構造熱事件分析阜新盆地多能源礦產共存成藏；中國科學院大學的武昱東等[6]采用鏡質組反射率古溫標和古熱流法恢復了淮北煤田宿臨礦區晚古生代以來的熱史和構造沉降史，并探討了與煤層氣生成和運移的影響，從而進一步分析構造熱演化對煤層氣生成的控制；中國科學院長沙大地構造研究所席先武等[7]采用數值模擬的手段，反演了新集地區所在坳陷的沉積史和熱演化過程，并研究它們與煤層氣的關系等。

2 煤層氣成因及其控制

眾所周知，煤層氣是在煤巖演變過程中主要產生的衍生烴類，因而煤層氣的生成不可避免的會受到構造熱演化的影響。不同的熱演化階段對應不同的生氣階段，即不同的溫度區間對應不同的煤層氣生成類型，地層連續增溫時，煤巖熱演化程度不斷增高；底層長期處于較高溫時，煤巖熱演化程度亦會緩慢增高；當盆地抬升時，底層溫度降低時，會導致煤巖的熱生烴作用終止。地層溫度史決定了煤巖的生烴期次。以此為依據，煤層氣可以按成因類型分為原生生物成因氣、熱成因氣和次生生物成因氣三類。

表1 煤化程度達到2．0%的鏡質體反射率值時的氣體體積構成

表2 生物成因和熱成因煤層氣的階段

原生生物成因煤層氣形成于沉積有機質的埋藏早期、泥炭向煤轉變的低溫階段（溫度低于50度），即Ro＜0.3%或Ro＜0.5%的熱演化階段經微生物作用而生成；熱成因煤層氣則是在溫度逐步升高至50攝氏度以上、0.5%＜Ro＜0.3%、煤化作用逐步增強的過程中產生；而當煤系地層在后期被構造作用抬升近地表至溫度低于50攝氏度時，由地表水帶入的微生物降解已形成的濕氣則將生成次生生物成因氣。可以看出，溫度條件、經肢體反射率、煤化作用程度以及后期構造作用等，是不同類型煤層氣生成的基本前提。

3 構造熱演化的重要性

我國作為一個煤炭資源的大國，不僅具有豐富的煤炭資源，而且還蘊藏著巨大的淺層煤層氣。我國勘探、開發淺層的煤層氣，主要通過對構造熱演化史的研究，并以其為主體，將含煤盆地（煤田）的構造發展史、有機質熱演化史和淺層煤成氣的賦存規律及其內在聯系進行了多維一體的研究，從而可以得出我國的淺層煤層氣資源的評估。

構造熱演化研究是對“以構造為骨架，沉積為實體，地化為依據”的煤層氣資源評價方法的發展和體現，它將盆地的構造發育史、沉積埋藏史和有機質熱演化史等研究有機地結合起來。含煤盆地構造熱演化史特征決定了該煤田（或盆地）的淺層煤層氣資源。

4 構造-熱演化的常用模擬方法選擇

構造-熱演化模擬常用的方法是利用古溫標來反演盆地沉積層的受熱史和埋藏史，鏡質體反射率方法具有易于準確測定和測試成本低廉的特點，在油田和煤田系統取得了廣泛的應用。

4．1 沉積盆地熱演化模擬的尺度

沉積盆地形成和發展過程中，盆地的熱體制是動態變化的。盆地動態熱體制的研究可歸結為盆地熱歷史的重建或恢復，并且熱歷史的重建可以在巖石圈和盆地兩種不同的尺度上進行：

（1）在巖石圈尺度上，盆地的熱體制換邊與下伏巖石圈的構造-熱演化，包括巖石圈伸展剪薄、地幔底劈侵位、巖漿活動、地殼均衡等密切相關。由于盆地的形成過程極為復雜，往往是多個不同成因機制的演化階段的疊合，而現有的盆地定量模型都經過了顯著的簡化，只反映主要的構造-熱作用過程，加之模型邊界參數的不確定性，因此巖石圈尺度的構造-熱演化在一定程度上只能將其視為半定量的，這種方法只能提供盆地的熱背景概念。

（2）在盆地尺度下，盆地的熱體制變化既受控于盆地內的一些物理工程，沉積與埋藏、抬升與剝蝕、沉積壓實亦即吸熱和放熱化學反應、地下水活動、火山巖漿活動等，也取決于盆地地步熱流的變化。反演計算可分為直接反演和簡介反演兩類：直接反演以樣品的熱史路徑作為反演參數，具有多解性，僅適用于單個樣品的簡單線性增溫或降溫的熱史路徑，且不涉及樣品的埋藏式。簡介反演是建立在埋藏史重建和盆地內物理工程模擬的基礎上，以古溫標動力學模型正演模型以盆地底部熱流Q和剝蝕量He作為反演迭代參數，然后根據盆地埋藏史簡介確定地層的熱史路徑。

巖石圈和盆地兩種尺度的比較和結合，不僅可以檢驗所選擇的盆地模型，提供盆地成因的信息，而且可以揭示盆地構造演化過程中巖石圈的伸展量、厚度變化等參數，從而成為盆地構造演化研究的一種新的途徑和方法，是通常所說的沉積盆地熱模擬。

4．2 常用古溫標數據類型

建好的古溫標通常應具備如下條件：（1）在巖石中廣泛分布容易取得大量或較系統的數據；（2）某一物理特性或化學特性對溫度的敏感，主要受溫度控制且溫度范圍較寬；（3）受溫度作用后具不可逆性；（4）結果具有相當的精度，足以反應溫度變化細節無論用何種古溫標進行盆地熱史恢復，其關鍵環節是古溫標的理論動力學模型和應用方法。

4.2.1 鏡質體反射率指標

鏡質體反射率原本用來標定煤階，是鏡質體所經歷的最高古溫標和有效受熱時間綜合作用的結果，且具有不可逆性，記錄溫度區間廣（從成巖階段到變質階段，可達350度）。其測試方法簡單，測試成本低，適用于系統采樣和測試。

不同學者提出了基于鏡質體反射率化學動力學的擬合計算方法，通過用重建的沉積埋藏史和假設一個熱歷史模型，計算沉積盆地有機質受熱過程，在用實測的有機質成熟度指標驗證計算結果，通過反復修改熱歷史模式，使計算的成熟度和盆地實測的成熟度一致或最大程度的吻合。概括起來可以分為以下三類：

僅與溫度有關，或者與溫度和事件有關，但以溫度為主函數的經驗模型，這些方法提出了有機質成熟度、溫度和受熱時間關系的雛形。

單一活化能，或者活化能是溫度函數的Arrhenius一級化學反應模型，這類模型也只能是一種經驗關系，因為單一活化能不能模擬不同溫度和加熱速度范圍內的復雜化學反應。

平行Arrhenius一級反應高斯活化能分布模型，是根據鏡質體反射率組分隨時間和溫度的變化，用不同的活化能分布的Arrhenius一級平行反應方法簡歷的鏡質體反射率與熱誠數計算的化學動力學模型。相對而言，不僅適用于各種地質地熱條件，而且能模擬有機質成熟過程中的復雜化學反應。近年來，在國際上得到普遍認可和應用，這類模型的典型代表就是Easy%R0化學反應動力學模型。

4．3 Easy%R0模型原理

Easy%R0模型[2]是Sweeney在VITRIMAT模型的基礎上改進創新的，經過多種熱歷史下盆地驗證，在預測中到高成熟度時具有較高的精度，目前在國際上廣為接收。

該模型用四個相互平行的化學反映來描述鏡質體成熟，這些反應具有相同的頻率因子，不同的活化能E。模型在熱模擬以及理論計算的基礎上分別求取有機質演化過程中脫水、脫二氧化碳、脫甲基及脫高碳數烷基等一系列平行反應所需的反應活化能及其分布范圍然后根據Arrhenius化學反應動力學原理建立起數學模型，以定量模擬鏡質體反射率的演化歷程：

式中：w—殘留溶液濃度；A-頻率因子；E-反應活化能；R-通用氣體常數；T-絕對溫度。

表3 EASY% R0模型使用的化學計量因子和活化能值

反應程度F可以把通過時間溫度歷史分解為一系列恒溫或等速率階段而求得。

式中：F為敬重某底層地界的第j個埋藏點的化學動力學反應程度，t為第j個埋藏點的埋藏時間；Tj為第j個埋藏點的古地溫；校正系數：a1=2.334733，a2=0.250621,b1=3.330657,b2=1.181534。

根據反應程度F，簡歷起模擬鏡質體反射率及其演化的數學模型。

Easy% R0=exp(3.7F-1.6)

在此模式中，F的范圍為0～0.85，R0的最大值小于4.7

Easy%R0模型正演熱史的過程，用Easy% R0模型正演古地溫史的步驟如下：

(1)重建地層埋藏史；

(2)給定地溫史，結合埋藏史酸楚各地層的古地溫場；

(3)利用Easy%R0模型計算各生油層的R0史；

(4)用實測地層的先進R0和上樹理論R0進行對比。如果擬合得很好，則認為給定的地溫史就是地層世紀經歷的地溫史。相反，如果擬合得不好，則重復2，3步驟，知道擬合程度較好為止。

4．4 故熱流法原理

打的熱流是巖層中最主要、最普遍存在的熱源，是地殼深部熱特征的反映，也是用來標志區域基本地熱特征的熱量參數。打的熱流在樹枝上為熱導率與地溫梯度的乘積，由于先進熱流、驗尸熱導率以及巖石的比熱、密度均可通過測量得到，所以古溫標計算值就可以表示為古熱流值(Q)、埋藏史(Z)及時間t的函數：

這種將熱歷史與埋藏史相結合的熱史反演方法就是故熱流法，由于在繁衍過程中考慮了故熱流隨埋深和時間的變化以及在沉積演化過程中注入沉積、剝蝕等非穩態熱效應，適用于鉆井數據分析。繁衍過程中首先將模擬的鉆井剖面分成若干個構造層，通過對每個構造層內盆地底部熱流（Q）不整合面剝蝕厚度（He）這兩個變量的迭代，使得理論古溫標數據（R0值）的演化曲線與先進實測古溫標數據（R0值）大道最佳擬合，從而實現反演盆地熱流史和不整合面剝蝕厚度的目的。

需要注意：只要其活化能與溫度相關時（無論用何種古溫標凡炎熱），都只能反演出地層大道最高古地溫時及其之后的熱史，對于最高古地溫時刻之前的熱史，則只能利用盆地構造-熱演化模型或構造熱沉降史與熱流的關系來制約和估計。最高古地溫之前和其他無法直接確定故熱流的地址時間點，可以根據當時的地質構造背景，給定可能的故熱流范圍進行搜索反演。

圖1 不同的熱年代學方法的完善與變形-時間-熱演化關系圖

5 結論

綜上可以看出，構造熱演化的相關研究在國內具有很大的研究潛質，而且能夠從地質角度很合理的解釋煤層氣生成機理，含煤地層構造熱演化史對煤成氣生成、聚集具有影響，二次生烴對煤成氣的生成具有重要作用，用構造熱演化模擬的手段，可以反演含煤盆地所在區的沉積史和熱演化過程，并研究它們與煤層氣的關系，構造熱演化特征對于煤層氣的資源勘察、勘探開發具有很強的預見作用、指導作用、理論作用，為煤成氣勘探指明了方向。

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[3] 蘇向光, 邱楠生, 柳忠泉, 等．沾化凹陷構造—熱演化研究[J]．西安石油大學學報： 自然科學版, 2006, 21(3)： 9-12．

[4] 魏志彬, 張大江, 許懷先, 等．EASY%Ro模型在我國西部中生代盆地熱史研究中的應用[J]．石油勘探與開發, 2001, 28．

[5] 朱志敏, 閆劍飛, 沈冰, 等．從"構造熱事件"分析阜新盆地多能源礦產共存成藏[J]．地球科學進展, 2007, 22： 468-479．

[6] 武昱東．淮北煤田宿臨礦區構造一熱演化對煤層氣生成的控制[J]．自然科學進展．2009(10)．1134-1145．

[7] 席先武．新集地區及外圍煤層氣構造-熱演化模擬研究[J]．大地構造與成礦學．2001(9)．321-330．