煤系氣是怎樣形成的

許行行 傅雪海

近年來，“碳中和”三個字不斷出現在大眾視野。“中和”意為正負相抵，指排出的二氧化碳等溫室氣體以植樹造林、節能減排等形式抵消。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，亟需加大國內天然氣勘探開發強度。煤系氣作為一種以甲烷為主的非常規天然氣，是一種清潔高效的能源，在工業、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被人們發現、開采和利用。煤系氣的開發對于增加新能源、減輕礦井災害、改善生態環境都大有裨益。

什么是煤系氣呢？弄清楚煤系氣之前，需要了解什么是煤系。煤系是在一定地質歷史時期形成的，含有煤層或煤線，并具有成因聯系的一套沉積巖系，通常由煤層、泥頁巖、致密砂巖以及灰巖相互組合而成。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，所以也被稱為烴源巖。烴源巖經過一系列的生物化學、地球化學作用，在埋藏、構造、熱演化等地質作用過程中產生大量的烴類氣體。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、灰巖層中的為致密氣。上述“三氣”也被稱為非常規天然氣，以區別于常規天然氣。所謂常規天然氣，是指由常規油氣藏開發出的天然氣，也就是勘探實踐發現的能夠用傳統的油氣生成理論解釋的天然氣。

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

聚集有機質烴源巖主要是指煤層的沉積。在濕潤的泥炭沼澤環境中大量出現和生長的高等植物為煤層的沉積奠定了物質基礎。在漫長的地質歷史時期，曾經出現過植物大爆發事件，在長年或周期性積水并充分濕潤的沼澤環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為泥頁巖和砂巖。

分散有機質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，再經過一系列的生物化學作用就形成了富分散有機質烴源巖。

煤層或煤線以及富含有機質的烴源巖為微生物的生長和繁衍提供了物質基礎，在微生物的代謝和地熱作用下分別產生了生物成因氣和熱成因氣，并賦存在煤層、泥頁巖、砂巖和灰巖中，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境，可以發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發生熱降解、熱裂解轉化作用，生成熱成因氣。熱成因氣占今天勘探開發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，孔隙十分發育，煤層和富有機質泥頁巖中“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的沉積巖組成，與煤層不同的是它所含的有機質較煤層少，無機質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，于是產生了煤層氣、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，不僅能為我國經濟建設提供能源支撐，而且也符合我國綠色能源的可持續發展戰略。