摘要：鄂爾多斯盆地東緣韓城地區(qū)雖是我國第二個大規(guī)模投入商業(yè)開發(fā)的煤層氣區(qū)，但對其煤層氣的地化特征和成因還未形成系統(tǒng)認(rèn)識。為此，采集了該區(qū)井口排采氣、煤樣、鉆井煤心解吸氣樣和井口排采水共78件樣品，并對樣品進(jìn)行了組分、穩(wěn)定碳同位素等系列分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該區(qū)煤層氣具有以下特征：石炭-二疊系煤層氣組成以CH₄為主，重?zé)N和C0₂含量很低，氣體濕度(C₂⁺)介于0.014%～2.880%；甲烷碳同位素值(δ¹³C₁)分布范圍小，介于-42.978‰～-32.200‰，隨深度的增加而變大，與R。呈正相關(guān)關(guān)系；乙烷碳同位素值(δ¹³C₁)介于-21.619‰～-9.751‰。δ¹³C₁偏輕、δ¹³C₂偏重：可能是受解吸-擴(kuò)散過程中同位素分餾作用的影響而造成δ¹³C₁變輕的。最后，根據(jù)該區(qū)煤層氣的演化過程，結(jié)合Whiticar圖版，綜合分析認(rèn)為該區(qū)煤層氣成因類型以熱降解氣為主，且系經(jīng)過解吸 擴(kuò)散同位素分餾效應(yīng)改造的次生熱成因氣。

關(guān)鍵詞：煤層氣；成因；碳同位素；地球化學(xué)特征；熱解氣；解吸；分餾；鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地東緣韓城地區(qū)是中國第二個大規(guī)模投入開發(fā)的煤層氣區(qū)，目前已成為中國石油天然氣集團(tuán)公司煤層氣開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)之一，截至2010年底，共鉆井400余口，控制煤層氣地質(zhì)儲量1000×10⁸m³。盡管許多煤層氣井已經(jīng)投入生產(chǎn)，但對于研究區(qū)煤層氣的成因依舊沒有形成系統(tǒng)認(rèn)識。為了理清研究區(qū)煤層氣成分特征、來源和成因類型，指導(dǎo)鄂爾多斯盆地東緣煤層氣的勘探開發(fā)，筆者在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，對韓城地區(qū)煤層氣地化特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

韓城地區(qū)隸屬于陜西省渭南市，地處關(guān)中平原的東北側(cè)。構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地渭北隆起的東南緣，東面以黃河和韓城大斷裂為界，南臨渭河地塹，西南與澄臺礦區(qū)毗鄰，面積約為1500km²。研究區(qū)構(gòu)造活動平穩(wěn)，區(qū)域上由南向北、由東向西逐漸變?nèi)?，一般邊淺部相對于中深部復(fù)雜。北部以擠壓構(gòu)造變形為主，呈北東南西向；南部主要為拉伸構(gòu)造變形，有2個主導(dǎo)方向，即北東南西向和東西向，總體構(gòu)造形態(tài)是一個傾向北西的具波狀起伏的緩斜大型單斜構(gòu)造(圖1)。韓城地區(qū)主力產(chǎn)氣煤層分別為山西組3t煤層和太原組5^#、11^#煤層。山西組為陸相沉積，主要為河流沖積 三角洲沉積體系；太原組為海陸交互相沉積，主要為海灣一漏湖沉積體系。煤系地層基底為石炭系本溪組的鋁土質(zhì)泥巖^[1～4]。

2.1.1 樣品及分析方法

    采集的樣品來源于韓城地區(qū)的中部和南部，包括井口排采氣、煤樣、鉆井煤心解吸氣樣和井口排采水共78件(樣)，由于北部鉆井稀疏，本次研究的樣品較少涉及。

    氣樣由鋼瓶保存，氣體成分和穩(wěn)定碳同位素的測試分析是在中國石油油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，使用的儀器分別為HP6890色譜儀和Delta V Advantage同位素質(zhì)譜儀。對樣品多次重復(fù)分析，使兩次測量值之間的誤差滿足低于±1%，穩(wěn)定碳同位素采用國際PDB標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 組分特征

    據(jù)統(tǒng)計(jì)^[5]，煤層氣的平均氣體組成為CH₄93.2%；C0₂為3.1%；C₂⁺為2.6%；N₂為1.1%；干燥系數(shù)為0.77～1.O0。氣體濕度(C₂⁺)可以表示烴類氣體的成分，即C₂H₆和更重的烴類氣體的總含量^[6]。分析結(jié)果表明(表1)：韓城地區(qū)井口排采氣以烴類氣體為主，氣體成分含量相對穩(wěn)定，其中CH₄含量最高，濕度最大值僅為0.350%，展現(xiàn)出極干氣的特性；C0₂含量和N₂含量均很低，分別為0.038%～1.812%、0.031%～0.648%。解吸氣氣體成分同樣以烴類氣體為主，濕度最大值高于排采氣，為2.880%，屬于干氣的范疇，C0₂含量為0.320%～4.480%。解吸氣的N₂含量變化較大，介于2.630%～75.180%，且比排采氣N₂含量大很多。造成這種差異的原因是因?yàn)榈獨(dú)鉃榉菢O性分子，有效分子半徑小于CH₄，臨界溫度和沸點(diǎn)最低，在煤層中的吸附能力低，運(yùn)移能力強(qiáng)，解吸過程中早期釋放量大，隨時(shí)間推移釋放量逐漸減小，且先前解吸的氮?dú)膺\(yùn)移到淺部或適于儲存的地層中^[7]。另外，還和煤巖組分、實(shí)驗(yàn)過程等因素有關(guān)系。

2.1.3 煤層氣碳同位素特征

煤層氣的碳同位素組成差異較大^[8]：δ¹³C₁分布范圍很寬，介于-80‰～-16.8‰；δ¹³C₂介于-32.9‰～-22.8‰；C0₂的δ¹³C介于-26.6‰～-18.6‰。國內(nèi)煤層氣的δ¹³C₁變化也較大^[9～11]，介于-78‰～-13‰。研究表明(表1)，韓城井口排采氣的δ¹³C₁分布集中，多數(shù)分布在-42.978‰～-35.011‰，與國際上乙烷碳同位素值相比，δ¹³C₂偏重，為-21.619‰～-9.751‰。這是韓城地區(qū)煤層氣的一個重要的地化特征；解吸氣δ¹³C₁的分布范圍與排采氣類似，介于-41.600‰～一32.200‰，δ¹³C₁隨深度的增加而增大(圖2)，δ¹³C₁與R_o呈正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

 

    根據(jù)戴金星等^[9]建立的煤成氣(包括煤層氣) δ¹³C₁與煤巖R_o之間的關(guān)系得知，韓城地區(qū)煤層氣實(shí)測值比理論值偏輕，國內(nèi)外學(xué)者在多個煤層氣盆地也注意到這種現(xiàn)象并給出了一定的解釋^{[6，9，11～12]}，主要有4個方面的原因：①生物成因氣的影響；②煤層氣解吸擴(kuò)散過程中同位素分餾作用的影響；③CH₄與C0₂之間的碳同位素交換反應(yīng)；④水動力條件的影響。

    結(jié)合該區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，其煤的變質(zhì)程度處于中高階段，以煙煤為主，微生物對有機(jī)質(zhì)的降解能力很弱，次生生物氣不易形成，對δ¹³C₁的影響有限。CH₄與C0₂之間的碳同位素交換反應(yīng)要求具有較高濃度的CH₄和C0₂，較低的溫度條件。隨變質(zhì)程度的增加，煤層中生成的C0₂大量減少，且所產(chǎn)生的C0₂極易溶解在水中或擴(kuò)散丟失，故這種反應(yīng)的程度比較有限。

    強(qiáng)水動力條件下，經(jīng)過水淋濾后的煤層氣，甲烷碳同位素會明顯變輕。隨著淋濾時(shí)間增加，甲烷碳同位素變輕的程度加大。水溶作用對CH₄碳同位素可以產(chǎn)生分餾效應(yīng)，更容易把”CH₄溶解帶走。然而韓城地區(qū)地層水的類型以CaCl₂型為主，通常CaCl₂型地層水為深層成因水，多處于承壓區(qū)，表明該區(qū)為水文滯留區(qū)，水動力弱，水溶作用對碳同位素的影響可以忽略。在白堊紀(jì)后期，燕山運(yùn)動使韓城地區(qū)的地層抬升并遭受剝蝕，引起煤層埋藏變淺和上覆地層壓力降低(卸壓)，導(dǎo)致煤層氣的解吸。在解吸過程中，重?zé)N比CH₄難解吸，¹³CH₄比¹²CH₄難解吸，故解吸-擴(kuò)散過程中易發(fā)生同位素的分餾效應(yīng)，即先解吸出來的煤層氣δ¹³C₁相對偏輕，殘留CH₄相對富¹³CH₄而偏重。因此，導(dǎo)致δ¹³C₁值變輕的原因推測是解吸擴(kuò)散過程中同位素分餾作用所致。

    綜上所述，韓城地區(qū)煤層氣碳同位素具有以下幾個特征：①δ¹³C₁分布穩(wěn)定，隨深度和R_o的增加而增大；②未發(fā)現(xiàn)生物氣存在的特征；③乙烷碳同位素值偏重，推測是高變質(zhì)煤化作用的結(jié)果；④δ¹³C₁具有偏輕的特點(diǎn)。

2.2.1 煤層氣藏的形成與演化

2.2.1.1 早古生代晚期-晚中生代早期

    在該時(shí)期(早古生代晚期-晚中生代早期)，韓城地區(qū)處于構(gòu)造抬升時(shí)期，地層遭受剝蝕。從石炭紀(jì)開始地層開始持續(xù)沉降，海水自東向北侵入，區(qū)內(nèi)普遍接受沉積，海進(jìn)海退頻繁，為海灣-漏湖沉積體系。

2.2.1.2 早二疊世

    到早二疊世，地殼緩慢抬升，海灣一漏湖相沉積體系轉(zhuǎn)化為河流一三角洲沉積體系。此階段為韓城地區(qū)煤層沉積期，發(fā)育多套煤層。雖地殼起伏頻繁，但幅度不大，總體上以沉降為主，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積物厚度大，有利于煤的形成和保存。

2.2.1.3 三疊紀(jì)

    早-中三疊世該區(qū)持續(xù)沉降，煤層基本處于持續(xù)埋深狀態(tài)，同時(shí)古地溫持續(xù)增加，煤系地溫介于80～110℃，煤的熱演化不斷加深，可達(dá)到氣煤階段(R_o介于0.6%～0.9%)，此階段以生成濕氣為主，CH₄含量少；到三疊紀(jì)末，印支運(yùn)動使地殼抬升從而導(dǎo)致第一次深成變質(zhì)作用結(jié)束，由于印支運(yùn)動只是使韓城地區(qū)地層出現(xiàn)短暫抬升且強(qiáng)度低，對生氣條件和煤層氣藏原始狀態(tài)未產(chǎn)生太大的破壞，此階段仍以濕氣為主，對δ¹³C₁未產(chǎn)生太大影響。

2.2.1.4 侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)

    早侏羅世-早白堊世末期，地殼又開始沉降，此時(shí)期煤系沉降到最大埋藏深度，同時(shí)受區(qū)域構(gòu)造熱活動和埋深的影響煤層地溫增高，煤的熱演化速度加快，煤化作用持續(xù)增高，煤系溫度介于110～140℃，煤演化變質(zhì)為貧煤和無煙煤(R_o介于1.9%～2.6%)，在此階段生成大量的煤層氣，為煤層氣形成的主要階段和時(shí)期，氣體組分以CH₄為主，少量重?zé)N氣和C0₂，δ¹³C₁和δ¹³C₂較大，未經(jīng)過次生條件的改造。

    白堊紀(jì)末期，燕山構(gòu)造活動造成整個鄂爾多斯盆地抬升，韓城地區(qū)抬升幅度最大，伴隨褶皺、斷裂等構(gòu)造作用，第二次煤化作用逐漸停止。強(qiáng)烈的構(gòu)造活動使侏羅系、下白堊統(tǒng)剝蝕殆盡，煤層埋藏較淺，并在東部地區(qū)出露。此階段是煤層氣藏主要的調(diào)整改造時(shí)期，對煤層氣的原始狀態(tài)和保存條件產(chǎn)生了很大的影響，煤層氣經(jīng)歷了解吸 擴(kuò)散的過程，使煤層氣主要含CH₄，同時(shí)δ¹³C₁發(fā)生同位素分餾效應(yīng)，δ¹³C₁變輕。

2.2.1.5 新生代-現(xiàn)今

    新生代早期，在喜山運(yùn)動的作用下，該區(qū)地層繼承性地繼續(xù)抬升，煤層及上覆地層進(jìn)一步剝蝕，煤層氣的保存再次遭受改造并最后定型，成為現(xiàn)今的形態(tài)^[13～15]。

    通過對韓城地區(qū)煤層氣演化過程分析，該區(qū)煤層熱演化程度較高，煤層氣主要以熱成因氣為主，盡管在后期改造作用中研究區(qū)的東部煤層出露于地表，可能遭受大氣降水等因素的影響，但煤層氣碳同位素值(通常把δ¹³C₁＜-55‰認(rèn)為是生物成因氣)的特征表明并沒有生物氣的混入。

2.2.2 成因類型

    國內(nèi)外學(xué)者都提出了多種煤層氣成因類型判別的圖版^[16～17]，多數(shù)是基于煤層氣組分和穩(wěn)定同位素的特征建立的，取得了較好的應(yīng)用效果。其中，Whiticar圖版是煤層氣成因判別的經(jīng)典圖版之一。為此，將韓城地區(qū)煤層氣的組成和同位素值數(shù)據(jù)在Whiticar判別圖版上成圖(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)韓城煤層氣主要是熱成因氣，且存在經(jīng)過解吸一擴(kuò)散作用效應(yīng)改造過的次生煤層氣，這與從地質(zhì)條件推測碳同位素變輕的原因基本一致。再者，乙烷碳同位素值偏重也是熱成因氣的一個重要證據(jù)，是生物氣不具有的。韓城地區(qū)煤層熱演化程度處于貧煤和無煙煤(R_o介于1.9%～2.6%)階段，結(jié)合煤層氣演化過程和氣體地球化學(xué)特征分析，筆者認(rèn)為韓城煤層氣的成因類型以熱降解氣為主且系經(jīng)過解吸-擴(kuò)散效應(yīng)改造的次生熱成因氣。因此，應(yīng)以尋找熱成因氣為今后的煤層氣主要勘探目標(biāo)。

    1) 韓城地區(qū)石炭一二疊系煤層氣成分以CH₄為主，僅有少量的重?zé)N。δ¹³C₁分布范圍小，介于-42.978‰～-32.200‰，且δ¹³C₁隨埋藏深度和熱演化程度(R_o)的增加而增大。

    2) 該區(qū)δ¹³C₁總體具有偏輕的特點(diǎn)，這主要是由于地層抬升導(dǎo)致卸壓，從而發(fā)生解吸-擴(kuò)散效應(yīng)所引起的。

    3) 韓城地區(qū)煤層氣成因類型是以熱降解氣為主，且系經(jīng)過解吸-擴(kuò)散效應(yīng)改造的次生熱成因氣。

    致謝：感謝韓軍高級工程師、田豐華博士在資料收集中給予的大力幫助!

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