煤层气地球化学特征及其控制因素

煤层气地球化学特征及其控制因素作者：党晓峰来源：《环球市场信息导报》2014年第09期从地球化学角度介绍了煤层气的组份和同位素地球化学特征，并从煤的显微组分及煤层气母质年代、煤层气的成因类型与演化特征和煤层气的解吸-扩散-运移效应及流体岩石相互作用等方面分析了煤层气地化特征的主要控制因素，并初步分析了煤层气成藏地球化学研究中的几个关键问题。

煤层气又称煤层甲烷，指自生自储于煤层中的气体，属非常规天然气。

煤矿中则将煤层中的各类气体通称为瓦斯，瓦斯对煤矿生产有极大的危害，煤层气排入大气则成为“温室气体”，使全球大气升温与生态环境恶化，从而危害人类社会的可持续发展。

长期以来煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害对待，直到20世纪70年代美国在圣胡安和黑勇士盆地进行的和煤层气地面开发试验的成功，才真正揭示了这一新型洁净能源的潜在经济效益和广阔前景。

我国从20世纪80年代末以来开展煤层气勘探开发试验，在山西沁水盆地南部和河东柳林等地区获得了具有一定日产量的工业煤层气流。

到目前为止，已经在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东部等地区进行了工业开发。

煤层气地球化学研究是整个煤层气研究与气体地球化学中的一个新的重要分支领域，这不仅是因为煤层气是其研究与开发利用的直接对象，而且其地球化学组成特征还包含了丰富的有关煤层气成因、形成条件、保存程度和后期运移散失及开发利用价值等信息，在丰富气体地球化学研究方面具有重要的科学意义和应用价值。

煤层气成藏地球化学过程及其控制因素是煤层气基础理论研究的关键之一，但由于煤层气成藏过程与常规油气存在本质上的差别，煤层气藏与常规油气藏在成藏要素、成藏条件及制约因素等方面存在明显的差异，在煤层气藏地球化学领域的研究工作还十分薄弱，近年来发展起来油藏地球化学理论与技术并没有在煤层气成藏研究中发挥应有的作用。

随着煤层气成藏研究的深入，煤层气组分与同位素在空间上的非均质性分布现象及其成因机理，煤层气在煤储层中的吸附、解吸、溶解、运移和扩散过程中烃类组分与同位素分馏作用，反映煤层气在成藏过程的地球化学示踪指标，煤层气藏的形成-破坏历史以及煤层气的富集与散失的聚散动平衡等方面的地球化学研究，也越来越受到人们的关注。

1.煤层气的地球化学特征煤层气组成特征。

煤层气主要由CH4、CO2、C2+、N2、H2S、H2、He等组成[1，2]，CH4为最主要的成分。

Scott[3]根据美国1400口煤层气井气体成分的统计表明，煤层气平均成分为CH4为93%，CO2为3%，C2+为3%，N2为1% ，干度指数（C1/C1～5）为0.77～1.0。

世界各地生产矿井、煤层甲烷开采气及煤层解吸气的成分差异很大，C2+含量为0～70%，CO2含量为0～99%，但一般均以CH4为主。

在低成熟和高成熟阶段产生的气体均以甲烷为主，其他阶段所产生的煤层气，其他气体（如CO2、C2+等）含量会更高些。

煤层气同位素特征。

煤层气的同位素差异也很大，CH4δ13C变化范围为-80‰～-16.8‰，δD的变化范围为-333‰～-117‰，CO2的同位素δ13C变化范围为-26.6‰～+18.6‰[3]。

中国煤层混合气δ13C分布范围广，甲烷碳同位素δ13C1普遍偏轻，其变化范围为-78‰～-13‰。

不同地区、不同地质时代和不同煤级δ13C的分布特征也存在明显差别[4]。

2.煤层气地球化学特征的影响因素煤的显微组分及煤层气母质年代。

据Schwartzkopf[5]、Whiticar[6]，煤中不同显微组分的δ13C值之间的差异在3.5‰左右，不同母质、不同的显微组分生成的甲烷δ13C值不同，其中惰质组、镜质组、壳质组的δ13C和δD值依次增大；随着热成熟度的增加，镜质组和壳质组其δ13C值稍有增大，而惰质组的δ13C值变化不大。

秦勇[4]根据中国不同地质时代煤层气甲烷碳同位素值统计结果表明，在相同煤级条件下，随地质时代变新，煤层气碳同位素值有变重的趋势，这种趋势在中生代和新生代煤层气之间尤为突出。

在整个地质历史时期中，煤岩有机碳的δ13C1值在35亿、20亿和4亿年前发生“阶跃式”变重，导致不同层位煤层气δ13C存在差别。

其主要原因为从中生代到新生代，成煤植物由裸子植物为主要变为以被子植物为主，导致新生代煤层气δ13C1变重。

此外，新生代盆地构造历史相对简单，煤层抬升卸压作用不强烈，煤层气解吸-扩散效应相对较弱，可能也是导致新生代浅层煤层气δ13C1更接近于原生带的重要原因之一。

煤层气的成因类型与演化特征。

与常规油气的生成阶段划分以及各阶段产物不同，泥炭在煤化作用过程中，能过生物成因和热成因两个过程分别形成生物成因气和热成因气。

由于生物成因气和热成因气在形成时间、生成温压、母质和生气机理等方面的差异，所生成的煤层气的成分和同位素特征也有较大差异[7]。

煤化作用阶段早期，泥炭沼泽环境中煤层埋藏浅、温度低，热力作用尚不足以使有机质结构变化产生气体，由微生物对有机质分解作用形成以CH4为主要成分的生物成因气（原生）。

由于生物体对12C的富集，所以生物成因气的δ13C1值较低，一般介于-55‰～-90‰，甚至更低。

原生生物气的形成可通过两条途径：CO2还原生成和醋酸、甲醇和甲胺等发酵转化成CH4。

通常由二氧化碳还原作用生成的甲烷碳同位素较轻（-55‰～-110‰），且富氘（δD值为-150‰～-250‰）；有机酸发酵作用生成的甲烷碳同位素较重，且消耗氘（δD值为-250‰～-400‰）（图1）。

图1 煤层气中的CH4和CO2碳同位素特征煤层中已生成的湿气在相对低温下（一般小于50度），可通过细菌降解和代谢作用形成次生生物气（甲烷和二氧化碳）。

次生生物气的形成主要造成大量晚期轻同位素生物成因CH4能够与前期形成的热成因气体混合或充填脱气煤层，经及厌氧细菌能优先破坏大多数湿气组分，造成CH4富集。

次生生物气的同位素比原生生物成因气偏重，一般为-65‰～-50‰，但比热成因气要轻，与甲烷伴生的二氧化碳成的δ13C显著富积，达-20‰～+30‰。

早期热成因气形成于煤变质作用初期。

在煤变质作用之初，煤有机质芳核化程度较低，具大量带侧链的官能团，受热后煤有机质发生降解作用，侧链或官能团断裂，生成重烃分子和甲烷、二氧化碳、水等小分子，同时煤有机大分子的芳构化程度提高，二氧化碳被水溶后带走或进一步还原为甲烷，甲烷被保存在煤层中形成煤层气。

该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//总第565期2014年第33期-----转载须注名来源由于处于热成因同位素分馏作用的早期，相对于狭义热成因气，早期热成因气轻同位素富积，甲烷δ13C为-40‰～-55‰.狭义热成因气形成于煤变质作用的大部分时期，相当于烃源岩演化的成熟阶段、高成熟阶段和过成熟阶段。

成熟阶段生成的气体中甲烷比例急剧升高，二氧化碳比例急剧下降，并有大量重烃气和液态烃生成，为典型的湿气；高成熟阶段早期以热降解生气为主，但热降解作用呈减弱趋势，热裂解作用逐渐增强，晚期以裂解作用为主。

在煤层气的热成因过程中，随着煤化程度的提高，气体分子中的2C-12C键比13C-12C键更频繁地断开，致使残留气体中富集13C，所以热成因气体的δ13C1值随之增大，狭义热成因气的同位素一般δ13C为-30‰～-45‰。

随煤变阶段和煤中生烃母质而变化[10]。

同时随着煤化程度的提高，甲烷也相对富集氘（δD值大于-250‰）。

煤层气的解吸-扩散-运移效应及流体岩石相互作用。

由于甲烷比重烃容易被矿物解吸，甲烷分子中12CH4由于极性弱，比13CH4容易解吸，导致解吸带、原生带和过渡带中甲烷同位素分存范围不同，在煤层构造变动中，煤层发生强烈解吸-扩散，原生带中富含的12CH4首先向上扩散运移，致使解吸带中甲烷δ13C值偏轻，一般为-40‰～-70‰，原生带中甲烷值偏重，一般为-20‰～-30‰，过渡带煤层甲烷δ13C值介于两都之间。

据吴俊[12]研究，不同脱气阶段煤层存在分异现象，通常具有真空脱气δ13C1影响煤层气运移过程中发生同位素分馏的因素主要有：①酸性水中的二氧化碳可导致CH4和CO2同位素产生交换，从而使得δ13C1偏轻；②甲烷分子通过多孔性煤介质时，会产生碳同位素的解吸-扩散分馏效应；③气体成分中的重烃成分具有类似液态烃的性能，有很强的被吸附性。

在吸附和解吸的动态过程中形成较大的孔隙压力，驱替并推动甲烷气体分子的运移，最终导致碳同位素的扩散分馏或驱替分馏；④煤田内频繁的地质构造活动和岩体的破坏，给煤层甲烷的运聚提供了外部条件，导致煤层甲烷的间隙性运移，结果造成甲烷碳同位素的分馏，表现为运移出来的甲烷δ13C1偏低，而存在于煤层中的δ13C1偏重。

此外，煤层气中CH4和CO2之间碳同位素交换作用、岩浆接触变质作用[4]、水动力作用、其他类型气体混入[12]等也可造成煤层甲烷的同位素分馏作用。

3.煤层气成藏过程地球化学研究的关键问题煤层气成藏过程中的地球化学问题主要包括煤层甲烷气的扩散作用、甲烷气在煤储层中的运移分馏作用及混合作用等过程的地球化学机理，并据此分析煤层气的散失量和散失历史，进行运移过程的地球化学示踪和煤层分隔性研究等。

扩散量的地球化学研究。

煤层气在脱附（解吸）过程中甲烷同位素将发生明显的分馏作用，据秦勇等、吴俊研究，一次脱附的煤层气δ13C1一般比二次脱附的轻，与煤层的地域、层域、时域及煤级无关。

表明轻碳同位素的甲烷首先从煤层中脱附，导致在脱附过程中，残留在煤层中的煤层气甲烷同位素变重。

可以通过天然气或同位素的地球化学分馏作用的地球化学动力学研究，分析天然气的散失量。

煤层气运移过程的地球化学研究。

煤层气在煤储层运移过程中，无论是烃成分还是同位素组成均可能发生明显的地色层分馏作用，可以根据这一原理示踪分析煤层气的运移趋势、运移方式和定量评价运移规模。

煤层气成藏聚散动平衡研究。

煤层气成藏过程实际上是处于生成-吸附（富集）-扩散（散失）的动态平衡过程。

一方面煤岩在煤化过程中生成甲烷气且被煤层所吸附，另一方面，在甲烷气被吸附的同时也存在解吸、溶解散失的过程。

这两个相互依存的过程，受到煤的生烃条件、煤级（热演化历史）、煤层水动力条件、温度、压力等因素的制约，只要建立可靠的生烃模型和扩散模型，并准确确定各种边界条件和动态变化规律，就可以进行煤层气成藏过程的聚散动平衡分析。

其他方面的研究。

根据煤层气藏内天然气组成特征的变化趋势研究煤层在纵向上的分隔性以及在横向上的连通性。

还可望根据煤层中的甲烷包裹体成分和测温资料分析煤层生烃历史和成藏历史。

（作者单位：1西安石油大学地球科学与工程学院；2延长油田股份有限公司青化砭采油厂）。