摘要：通過封閉體系條件下對成煤原始物質(zhì)泥炭的熱解實驗，獲取了甲烷、重?zé)N(C₂～C₅)和二氧化碳在不同成熟度階段的產(chǎn)率和固體產(chǎn)物鏡質(zhì)體反射率(R_o)數(shù)據(jù)，分析了模擬煤層氣主要組分的相對百分含量及在有機質(zhì)成熟度演化過程中的變化情況，并探討了模擬煤層氣的組成研究的地質(zhì)意義。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著R_o的增大，煤層氣甲烷相對含量呈現(xiàn)上升的趨勢，CO₂則呈現(xiàn)單向降低的趨勢，重?zé)N氣體呈先增后降趨勢。同時建立了煤從一定成熟度，分別達(dá)到最高演化階段情況下的3種煤層氣組分構(gòu)成模式，嘗試應(yīng)用此模式恢復(fù)現(xiàn)今階段煤層氣藏的原始煤層氣組分構(gòu)成情況，并且推測CO₂是重要的原始煤層氣組分，其產(chǎn)量和后期保存條件的好壞直接影響到對煤層氣成熟度的評價。

關(guān)鍵詞：煤層氣；熱成因；氣體組分構(gòu)成；鏡質(zhì)體反射率；泥炭；熱演化；模擬

    熱成因煤層氣(以下簡稱煤層氣)是目前全球范圍內(nèi)已開采和發(fā)現(xiàn)煤層氣藏的最主要成因類型，是泥炭在煤化作用過程中生成的由烴類(CH₄和C₂～C₅)、非烴氣體(CO₂、N₂)和一氧化碳等組成的混合氣體。通常煤層氣組分中甲烷占據(jù)絕對優(yōu)勢，重?zé)N和其他非烴氣體為次要組分。但是，一些含煤盆地中重?zé)N和非烴氣體有時含量也較高，如我國的甘肅省窯街煤礦區(qū)CO₂在煤層瓦斯中的含量達(dá)到35.8%^[1]。甚至國外研究證實，CO₂的含量最高可以達(dá)到99%^[2]。這說明，煤層氣各個組分的含量構(gòu)成并非相對穩(wěn)定，而在不同地質(zhì)背景的含煤層氣地區(qū)或者盆地內(nèi)是存在很大差別的。經(jīng)歷的煤化作用程度、有機質(zhì)母質(zhì)性質(zhì)、后期的煤層氣保存條件等均有可能造成煤層氣各組分含量構(gòu)成的變化。同時，由于煤的形成是歷史的演化過程，煤層氣的形成勢必伴隨組分組成和產(chǎn)率出現(xiàn)變化，引起組分相對含量的不斷變化。這種變化及其變化過程研究對于了解煤層氣在一定演化程度條件下的組成特征和每一種煤層氣組分對煤層氣的貢獻(xiàn)程度具有重要意義，同時也可加深對煤層氣的形成機理和演化等的基本認(rèn)識。

    在煤層氣形成主控因素中，煤化作用過程時刻伴隨有煤層氣的生成。不同成熟階段的煤，對應(yīng)不同組分構(gòu)成煤層氣組成。因此，研究煤化作用演化也就能了解煤層氣的形成過程，從而反映出煤層氣組分構(gòu)成的變化情況。實驗?zāi)M是認(rèn)識這一變化過程的有效途徑。本文通過對成煤原始物質(zhì)泥炭，在封閉體系條件下(50MPa)的熱解生氣模擬實驗研究，獲取CH₄、C₂～C₅和CO₂這3種煤層氣重要組分在不同成熟度階段的產(chǎn)率和固體產(chǎn)物鏡質(zhì)體反射率(R_o)數(shù)據(jù)，以研究和分析模擬煤層氣主要組分的相對百分含量及在有機質(zhì)成熟度演化過程中的變化情況，探討在研究煤層氣的組成特征方面的地質(zhì)意義。同時建立了煤從一定成熟度，分別達(dá)到最高演化階段情況下的3種煤層氣組分構(gòu)成模式，嘗試應(yīng)用此模式解釋現(xiàn)今階段煤層氣藏的組分構(gòu)成情況，這在研究煤層氣“階段聚氣’’研究方面屬于一種新的探索。

研究采用泥炭進(jìn)行煤層氣組分及演化的模擬實驗研究。泥炭被認(rèn)為是成煤的原始物質(zhì)，基本未經(jīng)歷加熱過程，其中生成煤層氣有機質(zhì)組分保留較為完整。泥炭樣品采自四川省若爾蓋沼澤，采樣深度為3.0～3.2m。實驗在封閉高溫高壓體系和2℃/h升溫速率條件下進(jìn)行熱解實驗研究，分析的煤層氣組分主要包括CH₄、重?zé)N和CO₂。獲得的產(chǎn)率和鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)如表1。樣品的其他基本分析和實驗方法均見本文參考文獻(xiàn)[3]。

 

    成煤有機質(zhì)的熱演化程度增加，生成的煤層氣氣體組分的含量會不斷發(fā)生變化。揭示一定的成熟度區(qū)間范圍內(nèi)這些變化的規(guī)律性，對于認(rèn)識和描述不同成熟度條件下煤層氣的特征產(chǎn)生重要影響。圖1展示了本次研究中所研究的模擬煤層氣組分CH₄、C_2-5和CO₂的組分含量隨成熟度增加的演化特征。

 

    在實驗條件范圍內(nèi)，隨著成熟度的增大，泥炭熱解生成的煤層氣CO₂氣體百分含量從96%變?yōu)?5%，下降41%。因此，隨著成煤有機質(zhì)的熱演化成熟度的增加，煤層氣中CO₂組分的相對含量在呈現(xiàn)單向降低的趨勢，這表明CO₂氣體在煤層氣中的貢獻(xiàn)程度在逐漸下降。與此相反，甲烷相對含量從1%升高至55%，總體呈現(xiàn)上升的趨勢。重?zé)N氣體的含量則呈明顯的先增后降特征，出現(xiàn)一次相對含量高峰。

    CO₂含量和干燥系數(shù)[C₁/(C₁+C_2-5)]是描述煤層氣特征的重要參數(shù)，煤層氣組分含量變化會引起這兩個參數(shù)的變化。CO₂含量大于10%即被認(rèn)為含量非常高^[4]。研究中在不同成熟度階段的CO₂含量均要大于這一值，這說明成煤有機質(zhì)的演化過程中CO₂始終是非常重要的煤層氣組分。然而，與很多實際的煤層氣藏中CO₂的含量相比，研究獲得的CO₂在氣體組分中的含量明顯較高。在我國的含煤盆地，煤層氣CO₂含量一般小于2%^[5]。尤其在煤巖演化程度很高的含煤盆地，CO₂在煤層氣中的比重反而較低，例如，我國山西沁水盆地南部煤層氣CO₂含量為0.03%～0.17%。造成這種差別的主要原因是：①此次研究中采用實驗條件為封閉體系，其中的CO₂總體保持了持續(xù)增長的累計產(chǎn)率特征。除了可能參與的一些化學(xué)反應(yīng)而被消耗之外，其余大部分在實驗的各個階段均被保存下來，增加了在產(chǎn)物氣體中的含量。②在地質(zhì)條件下，CO₂易溶解于水而被帶走，從而降低了在煤層氣中的比重。盡管模擬的煤層氣中CO₂含量較高，但是其相對含量變化仍然可以反映出在地質(zhì)條件下，如果盆地處于持續(xù)埋深，煤層氣保存條件較好情況下，如果煤階較低的含煤盆地中CO₂含量可能較高，而煤階較高則CO₂含量可能較低趨勢。

C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)在指示煤層氣特征方面具有比CO₂含量更好的優(yōu)勢，體現(xiàn)在這一指標(biāo)參數(shù)受到外界的影響較小，具有相對穩(wěn)定性。這主要因為甲烷和重?zé)N氣體均具有比較相似和穩(wěn)定的物理性質(zhì)。圖2為模擬煤層氣的C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)隨R_o的變化關(guān)系。C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)值隨成熟度的增加，首先出現(xiàn)先短暫降低，在大約位于R_o=1.0%處達(dá)到最低值0.5，之后呈持續(xù)增大趨勢。Scott等^[4]將C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)值小于0.86定義為特濕煤層氣，0.86～0.94為濕氣，0.94～0.99為干氣，大于0.99為特干氣。當(dāng)R_o達(dá)到4.0%以后，模擬的煤層氣C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)值均大于0.99，達(dá)到了特干氣的程度。而達(dá)到干氣的時間是R_o=3.6%，其余的成熟度演化階段中生成的煤層氣主要以濕氣和特濕氣為主。在一些煤層氣藏分布區(qū)，煤鏡質(zhì)體反射率小于4.0%時，干燥系數(shù)C₁/(C₁+C_2-5)值也可達(dá)到0.99，如我國的沁水盆地、鄂爾多斯盆地和阜新盆地等。

 

    顯然，模擬實驗研究結(jié)果顯示C₁/(C₁+C_2-5)系數(shù)值反映到達(dá)干氣階段的時間相對滯后?？赡茉蛞环矫婷簩託鈽悠返牟杉旧硪穑话憬馕霾蓸臃椒ú杉簩託鈽悠?，由于煤巖對重?zé)N氣體的吸附能力大于對甲烷的吸附能力，重?zé)N氣體不能完全被解析出來，導(dǎo)致干燥系數(shù)C₁/(C₁+C_2-5)增大；另一方面，地質(zhì)環(huán)境中重?zé)N的生成時間相對較早，一般于R_o=1.0%之前即可達(dá)到其高峰生烴階段，而早期的埋藏條件不好會導(dǎo)致部分重?zé)N散失，不同于實驗的封閉體系條件的結(jié)果?？傮w上，干燥系數(shù)的升高指示了成煤物質(zhì)演化程度的增高，這與地質(zhì)環(huán)境中煤階越高則煤層氣越干的事實規(guī)律是吻合的。

    成煤泥炭若處于持續(xù)的埋藏加深過程或穩(wěn)定增長的加熱狀態(tài)，最終形成的煤層氣藏中，各類組分保留比較完整，而其形成過程也是相對完整，貫穿了成煤有機質(zhì)從低成熟度到最高成熟度的演化。而實際的煤層氣藏形成過程中，由于地質(zhì)構(gòu)造運動等外部環(huán)境對盆地埋藏、異常地?zé)岬鹊挠绊?，如埋藏和抬升的交替，往往完整的煤層氣形成過程受到破壞，一些階段所形成的煤層氣組分最終不能被完全保存下來，實際保存下來的煤層氣為一定煤成熟階段生成的煤層氣，即所謂“階段聚氣”的結(jié)果。通過圖1可以了解煤成熟度達(dá)到一定時刻對應(yīng)的煤層氣組分含量構(gòu)成情況，但不能對一定演化階段到最高演化階段過程中各組分氣體對煤層氣累計的貢獻(xiàn)作出評判，而這對于人們評價和預(yù)測現(xiàn)今已形成煤層氣藏中氣體各組分的原始貢獻(xiàn)很有意義。

    通常不同的煤層氣藏分布盆地，甚至同一盆地內(nèi)不同地區(qū)之間，實際的煤層氣形成的地質(zhì)加熱條件也是不同的。其結(jié)果是導(dǎo)致煤的成熟演化程度有明顯差別，煤層氣組分含量構(gòu)成也存在差異。例如，沁水盆地在霍州地區(qū)煤巖的R_o大部分為2.0%左右，煤層氣尚未達(dá)到干氣，而陽城地區(qū)煤巖的R_o可達(dá)到4.2%左右，煤層氣已經(jīng)為特干氣。同時，煤層氣的保存條件影響了煤層氣的組分組成，而這種認(rèn)識在實際地質(zhì)條件下去了解是很難實現(xiàn)的，模擬實驗為此提供了條件。本文通過泥炭在封閉條件下的生氣模擬實驗研究獲得的CH₄、C_2-5和CO₂在不同成熟度階段的生成率和固體產(chǎn)物鏡質(zhì)體反射率(R_o)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法，初步建立了成煤有機質(zhì)從一定成熟度最高演化至R_o為2.O%、3.0%和4.0%階段生成的煤層氣組分構(gòu)成模型(圖3-a、3-b、3-c)。為對比分析不同起始成熟度階段到最高演化程度之間煤層氣的原始組分構(gòu)成提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，也有助于煤層氣成因類型劃分。

 

    模型表明了演化階段不同則各種煤層氣組分含量的變化情況。煤層氣組分組成與煤的演化階段、成熟度和保存情況密切相關(guān)。成煤有機質(zhì)分別最終演化到R_o最大為2.O%、3.0%和4.O%時煤層氣的組分構(gòu)成不同。例如，當(dāng)R_o=1.0%演化到R_o=2.O%時，煤層氣組成中CH₄的含量為45%，CO₂為9%，重?zé)N46%；R_o=1.0%演化到R_o=3.0%時，CH₄含量為52%，CO₂為24%，重?zé)N23%；R_o=1.0%演化到R_o=4.0%時，CH₄含量為66%，CO₂為29%，重?zé)N5%。由此可見，有機質(zhì)熱成熟演化過程越長，煤層氣組分中烴類氣體CH₄含量越高，重?zé)N氣體的含量越低。這一規(guī)律與實際的地質(zhì)環(huán)境中，煤巖演化程度愈高，煤層甲烷的含量越高，重?zé)N含量愈低的情況相符的。而C0₂基本保持了隨成熟度演化過程增長而含量增大的趨勢。所以，在應(yīng)用煤層氣組分進(jìn)行煤層氣分類時要考慮這些因素的影響。

    應(yīng)用建立的模型可以進(jìn)行含煤盆地中煤層氣原始組分構(gòu)成的評價。泥炭由于屬于低演化程度的成煤有機質(zhì)，未經(jīng)歷較強的埋藏受熱和地質(zhì)作用過程，其中各類生成氣體的元素組成基本被保留下來。因此，封閉體系條件下以泥炭熱解模擬的煤層氣，其組分組成特征保留較為完整，也因此可以看作原始煤層氣組分構(gòu)成。

    沁水盆地是我國重要的含煤盆地，煤炭資源豐富。同時也是煤層氣的有利生成地區(qū)，一直作為我國煤層氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)，并且發(fā)現(xiàn)了我國第一個大型整裝煤層氣田。該盆地晚古生代石炭紀(jì)和二疊紀(jì)是主要成煤期。二疊紀(jì)末煤層被快速埋藏，此階段屬于正常古地?zé)釄龇懂?。晚侏羅世至早白堊世，沁水盆地煤層由于燕山運動中期巖漿事件的作用，出現(xiàn)了異常的古地?zé)釄龅奶卣?。在霍州地區(qū)和陽城地區(qū)，現(xiàn)今保存的煤層氣主要以晚侏羅世至早白堊世期間生成的為主^[6～8]。

    該地區(qū)煤層生烴過程主要經(jīng)歷了兩個關(guān)鍵的時期：三疊紀(jì)末期，第一次煤系生烴結(jié)束，此時煤層的R_o=0.9%～1.3%；晚侏羅-早白堊世，由于燕山中期異常熱事件，盡管地層處于抬升剝蝕階段，但是仍然存在煤層的再次熱演化和二次生烴，此時形成的煤層R_o=2.4%～4.2%^[9]。其中晚侏羅世晚白堊世是沁水盆地主要煤層的有效生氣階段(桑樹勛等，1997)。通過模型3(圖3-b)可對沁水盆地南部陽城地區(qū)的原始煤層氣的組分構(gòu)成特征進(jìn)行評價?？疾煸摰貐^(qū)原始煤層氣的組成特征，則泥炭模擬的從R_o=1.2%演化到R_o=4.0%階段的煤層氣組成相近，比較符合煤成熟度最高達(dá)到R_o=4.0%的情況。在R_o=1.2%～4.0%階段，煤層氣中CH₄含量為66%，CO₂為29%，重?zé)N5%，干燥系數(shù)C₁/(C₁+C_2-5)值為93%，接近于干氣的程度。而現(xiàn)今該地區(qū)的3^#和15^#煤層氣組成分別是：CH₄含量為94.49%～99.28%和95.7%～99.15%；CO₂含量極低，具有過成熟的天然氣特征^[10]。

    由此可見，煤層氣原始組分構(gòu)成和現(xiàn)今保存的煤層氣組分構(gòu)成存在明顯差異，體現(xiàn)在高的CO₂含量和低成熟度。同時可以推測，CO₂在地質(zhì)環(huán)境中極不穩(wěn)定，易于散失的特點可以導(dǎo)致煤層氣的相對高甲烷含量，以及高成熟度指標(biāo)(干燥系數(shù))。因此，CO₂的產(chǎn)量的多少和保存條件的好壞直接影響到對現(xiàn)今煤層氣成熟度的評價。煤階高但是煤層氣中CO₂保存多，煤層氣的成熟度指標(biāo)體現(xiàn)明顯，反之亦然。

    1) 有機質(zhì)熱演化程度越高，甲烷相對含量呈現(xiàn)上升的趨勢，CO₂則呈現(xiàn)單向降低的趨勢，重?zé)N氣體呈先增后降趨勢。

    2) 本文嘗試建立了成煤物質(zhì)從一定成熟度，分別達(dá)到最高演化階段情況下的3種煤層氣組分構(gòu)成模式，并應(yīng)用此模式恢復(fù)現(xiàn)今階段煤層氣藏的原始煤層氣組分構(gòu)成情況，推測出CO₂的產(chǎn)量和后期保存條件的好壞直接影響到現(xiàn)今對煤層氣成熟度的評價，也為研究煤層氣“階段聚氣”理論研究方面進(jìn)行新的探索。

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(本文作者：吳保祥 段毅 孫濤 何金先 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室)