鄂爾多斯盆地晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻(xiàn)

摘 要

摘要：鄂爾多斯盆地中部大氣田的部分氣源來(lái)自于上覆晚古生代煤層，為評(píng)價(jià)晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻(xiàn)，以盆地晚古生代原煤樣和顯微單組分熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用盆地內(nèi)29
摘要：鄂爾多斯盆地中部大氣田的部分氣源來(lái)自于上覆晚古生代煤層，為評(píng)價(jià)晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻(xiàn)，以盆地晚古生代原煤樣和顯微單組分熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用盆地內(nèi)292組顯微組分含量數(shù)據(jù)參與計(jì)算煤的生烴強(qiáng)度，估算出全盆地晚古生代煤成氣原生成量為(328.82～579.48)×1012m3，中間值為463.20×1012m3，其中邊淺部中間值為61.49×1012m3，中深部為401.71×1012m3；在討論該盆地晚古生代煤的成烴貢獻(xiàn)時(shí)，重點(diǎn)論述了吸附于煤儲(chǔ)層本身、未納入常規(guī)天然氣貢獻(xiàn)之列的理論吸附氣量。結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地晚古生代煤源巖的排烴系數(shù)為82%～90%，煤對(duì)氣體的吸附容納能力非常有限，絕大部分煤成氣在形成之后都運(yùn)移到了圍巖中。
關(guān)鍵詞：晚古生代；煤成氣；氣源巖；吸附氣；有機(jī)質(zhì)類(lèi)型；生氣強(qiáng)度；排烴系數(shù)；鄂爾多斯盆地
    鄂爾多斯盆地是我國(guó)第一個(gè)天然氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量上萬(wàn)億立方米的大氣區(qū)，遠(yuǎn)景天然氣蘊(yùn)藏量占全國(guó)總資源量的26.3%。盆地中部大氣田天然氣同位素測(cè)試結(jié)果表明，其部分氣源來(lái)自于上覆晚古生代煤系，為腐殖型煤成氣[1～6]。本文主要討論了鄂爾多斯盆地晚古生代煤作為氣源巖對(duì)常規(guī)天然氣的成烴貢獻(xiàn)。烴源巖生氣強(qiáng)度評(píng)價(jià)一般是基于烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的烴源巖產(chǎn)氣率，結(jié)合烴源巖熱成熟度、厚度分布特征來(lái)進(jìn)行的[7～12]。煤作為一種特殊的有機(jī)巖石，主要是由鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組3大顯微組分組成，單組分的成烴潛力有很大差異，故在評(píng)價(jià)煤的生氣強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮不同組分在煤中的含量比例。另外，煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣機(jī)理以氣體分子吸附在煤的孔隙內(nèi)表面為主[13]，這一點(diǎn)不同于常規(guī)天然氣在儲(chǔ)層中的游離態(tài)存在方式。煤作為烴源巖，生成的煤成氣部分吸附于自身的孔隙內(nèi)表面上，剩余氣體逸散到圍巖中，成為常規(guī)天然氣的重要?dú)庠矗@然，吸附氣不能包括在煤源巖對(duì)常規(guī)天然氣的貢獻(xiàn)氣量之內(nèi)。在評(píng)價(jià)煤的成烴貢獻(xiàn)時(shí)，煤的生氣強(qiáng)度和儲(chǔ)層自身吸附氣量是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。
1 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型及氣態(tài)烴生成量
1.1 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型
    鄂爾多斯盆地晚古生代含煤巖系在全盆地均有分布，以石炭-二疊系山西組和太原組為主要含煤層段。下二疊統(tǒng)山西組含目標(biāo)煤層1～2層，累計(jì)厚度和最大單層厚度均低于太原組；上石炭統(tǒng)太原組含目標(biāo)煤層2～5層，最大累計(jì)厚度達(dá)30m[14]。在盆地邊淺部，晚古生代煤以煙煤為主，從盆地東北部向西部、南部煤的熱演化程度隨埋深增大而增加，煤種從氣煤到無(wú)煙煤均有分布。
    鄂爾多斯盆地晚古生代煤巖系形成于海陸過(guò)渡環(huán)境，原始沉積物主要來(lái)源于陸生植物，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型屬于腐殖型干酪根，有機(jī)碳含量達(dá)65.05%。全盆地煤的宏觀煤巖類(lèi)型以半亮煤為主，顯微組分以鏡質(zhì)組居多，以含礦物基計(jì)算，鏡質(zhì)組一般超過(guò)60%，惰質(zhì)組占20%左右，殼質(zhì)組的含量很低(見(jiàn)圖1)，河?xùn)|煤田中段的鏡質(zhì)組含量超過(guò)70%，準(zhǔn)格爾煤田鏡質(zhì)組含量最低，為46%左右，鏡質(zhì)組是本區(qū)煤成氣態(tài)烴的主要貢獻(xiàn)者。據(jù)劉煥杰等(1998)采用顯微組分三角圖解法評(píng)價(jià)煤的生氣潛力方法，統(tǒng)計(jì)表明，全盆地292個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在中等-弱生氣區(qū)域內(nèi)。韓德馨等[15]提出顯微單組分的產(chǎn)烴指數(shù)及產(chǎn)油指數(shù)，筆者據(jù)此對(duì)盆地晚古生代煤的這2項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，從圖2-a、b可以看出，產(chǎn)烴指數(shù)主要分布在120～130mg/g，而產(chǎn)油指數(shù)為0者居多，說(shuō)明本區(qū)煤以產(chǎn)氣態(tài)烴為主，所以筆者的討論不涉及煤生成液態(tài)烴部分。
  
1.2 生氣強(qiáng)度
    為了便于研究和論述，考慮煤田地理位置、構(gòu)造、煤變質(zhì)程度、煤層厚度等因素將全盆地分為23個(gè)區(qū)塊，邊淺部采用原有煤田、煤礦區(qū)的分區(qū)，中深部將內(nèi)蒙古分為杭錦旗-東勝和鄂托克-烏審旗2個(gè)區(qū)塊；將陜西省分為靖邊彬縣和榆林-綏德2個(gè)區(qū)塊，將甘肅省分為環(huán)縣-慶陽(yáng)和華亭-慶陽(yáng)2個(gè)區(qū)塊及寧夏的碎石井-鹽池區(qū)塊。筆者共收集了292組顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)盆地邊淺部山西蒲縣、偏關(guān)、寧夏石溝驛等地煤的3大顯微單組分在相應(yīng)熱成熟階段的煤氣發(fā)生率[16～17]乘以某一區(qū)塊實(shí)測(cè)的顯微組分含量，然后相加得到該區(qū)塊的煤氣發(fā)生率區(qū)間值，結(jié)合厚度等值線圖、容重依次計(jì)算出邊淺部各煤田煤的生氣強(qiáng)度；盆地中深部缺乏實(shí)測(cè)顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)，依據(jù)原煤熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果、煤的熱成熟度及厚度等值線、容重計(jì)算得到生氣強(qiáng)度，其分布狀況如圖3所示。
 
    盆地東北部由于抬升幅度較大，煤系的熱演化后來(lái)處于停滯狀態(tài)，準(zhǔn)格爾煤的生氣強(qiáng)度在10×108m3/km2左右；府谷-韓城北在20×108m3/km2左右；西緣逆沖帶上盤(pán)煤的熱演化程度只達(dá)到長(zhǎng)焰煤-氣煤階段，烏海-橫城煤的生氣強(qiáng)度在20×108m3/km2左右，而下盤(pán)因長(zhǎng)期的深埋，煤的變質(zhì)程度達(dá)到貧煤和無(wú)煙煤階段，存在一個(gè)局部高值區(qū)(30×108～40×108m3/km2)；石嘴山、石炭井、沙巴臺(tái)-正誼關(guān)煤的生氣強(qiáng)度超過(guò)30×108m3/km2，由東向西增大，馬連灘-蘇峪口達(dá)40×108m3/km2。在盆地中深部，杭錦旗-東勝煤的生氣強(qiáng)度多為15×108m3/km2，鄂托克烏審旗為(25～35)×108m3/km2；鹽池-環(huán)縣一帶存在一個(gè)煤層厚度大于10m的富煤帶，Rmax為2.5%左右，生氣強(qiáng)度為(30～45)×108m3/km2；靖邊-彬縣煤層厚度小于5m，生氣強(qiáng)度為20×108m3/km2左右，榆林-綏德煤層厚度超過(guò)10m，生氣強(qiáng)度約為30×108m3/km2。
1.3 烴類(lèi)生成量
    在生氣強(qiáng)度等值線圖上劃網(wǎng)格均勻布點(diǎn)讀數(shù)，分別計(jì)算了各區(qū)塊原始?xì)鈶B(tài)烴生成量。全盆地晚古生代煤成氣生成量估算為(328.82～579.48)×1012m3，中間值為463.20×1012m3，其中邊淺部中間值為61.49×1012m3，中深部為401.71×1012m3。分析結(jié)果表明，由于煤炭資源分布的不均衡，鄂爾多斯盆地邊淺部晚古生代煤成氣原始生成量的84%集中在盆地東緣的河?xùn)|煤田、準(zhǔn)格爾煤田和東南緣的渭北煤田，盆地西緣的桌子山-韋州一帶總共只占到16%。中深部煤成氣原始生成量的80%來(lái)自于杭錦旗-東勝、鄂托克-烏審旗、靖邊-彬縣和榆林-綏德，而環(huán)縣-慶陽(yáng)和華亭慶陽(yáng)及碎石井-鹽池區(qū)塊加起來(lái)占20%。
2 最大理論吸附氣量
    鄂爾多斯盆地邊淺部晚古生代煤對(duì)甲烷的最大吸附量(蘭氏體積VL)分布在13～26m3/t區(qū)間內(nèi)，蘭氏壓力(pL)在2～5MPa之間，大體上太原組的煤對(duì)甲烷吸附能力強(qiáng)于山西組。全盆地邊淺部理論吸附氣量為8.35×1012m3。
    煤階是影響煤對(duì)甲烷吸附能力最為重要的因素。Kaiser等[18]認(rèn)為，在煤化作用階段早期，煤中發(fā)育的孔隙主要為原生大孔隙且含有大量的羥基和羧基官能團(tuán)，此時(shí)煤親水而疏甲烷，造成平衡水分含量非常高，但吸附能力較低，隨煤階增高，原生大孔隙急劇減少，熱變氣孔逐漸增多，羥基和羧基官能團(tuán)大量脫落，使得煤的親甲烷能力顯著增加，同時(shí)熱變氣孔的大量形成，為甲烷吸附提供了空間[18～19]，所以高煤級(jí)煤對(duì)甲烷的吸附能力一般強(qiáng)于低煤級(jí)煤。盆地晚古生代煤的VL隨熱成熟度提高呈“U”型趨勢(shì)變化(見(jiàn)圖4)，當(dāng)0.40%＜Rmax＜0.80%時(shí)，隨煤階增大，煤對(duì)甲烷的吸附能力迅速下降，以Rmax=0.8%為臨界點(diǎn)，在0.8%＜Rmax＜4.0%時(shí)，最大吸附氣量隨煤階增大而增加。由于盆地中深部目前沒(méi)有實(shí)測(cè)的VL數(shù)據(jù)，參考盆地邊淺部煤的U在0.8%＜Rmax＜4.0%區(qū)間內(nèi)隨煤階的變化規(guī)律，筆者根據(jù)中深部煤的熱成熟度分布特點(diǎn)對(duì)煤的最大吸附能力進(jìn)行了推測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)存煤炭資源量推算出全盆地中深部晚古生代煤對(duì)甲烷的理論吸附氣量為51.92×1012m3。
3 對(duì)常規(guī)天然氣的成烴貢獻(xiàn)
    根據(jù)全盆地晚古生代煤成氣原始生成量和理論吸附氣量差值，估算煤作為氣源巖對(duì)天然氣的成烴貢獻(xiàn)量為(268.56～519.21)×1012m3，中間值為402.93×1012m3，分布情況見(jiàn)圖5。由貢獻(xiàn)量和原始生成量的比值計(jì)算出盆地晚古生代煤源巖的排烴系數(shù)為82%～90%，平均87%。也就是說(shuō)，原始生成量中只有不到13%的氣體現(xiàn)今仍保存在煤儲(chǔ)層中，絕大部分烴類(lèi)氣體都在生成之后，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間，解吸并脫離煤儲(chǔ)層運(yùn)移到了圍巖中，煤成氣成為常規(guī)天然氣藏的重要?dú)庠础?/span>
 
4 結(jié)束語(yǔ)
    1) 煤中不同顯微組分的成烴潛力差異很大，估算不同煤田煤的生氣強(qiáng)度應(yīng)結(jié)合顯微組分含量數(shù)據(jù)。
    2) 煤儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣機(jī)理不同，吸附氣量不能包括在煤源巖對(duì)常規(guī)天然氣的貢獻(xiàn)量之內(nèi)。
    3) 鄂爾多斯盆地晚古生代煤成氣是天然氣的重要?dú)庠矗合禑N源巖的排烴系數(shù)介于82%～90%之間，理論吸附氣量占生成量的比例很低，也就是說(shuō)，絕大部分煤成氣都在形成之后運(yùn)移到了圍巖中。
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(本文作者：李貴紅 張泓 煤炭科學(xué)研究總院西安研究院)