_煤层气的形成演化_成因类型及资源贡献_课题研究进展

研究简报

收稿日期:2008211207;修回日期:20082112171

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(编号:2002CB211701)资助.第一作者E 2m ail :mxtao @.

“煤层气的形成演化、成因类型

及资源贡献”课题研究进展

陶明信1,2,解光新3

(1.北京师范大学资源学院,能源与矿产资源研究所,北京100875;

2.中国科学院地质与地球物理研究所气体地球化学重点实验室,甘肃兰州730000;

3.煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安710054)

摘要:扼要介绍了国家“973”煤层气项目所属“煤层气的形成演化、成因类型及资源贡献”课题在煤层气地球化学组成、次生生物成因煤层气、煤层气的成因类型与综合示踪指标体系、煤岩生烃动力

学等方面的主要成果与研究进展。

关键词:煤层气;地球化学;次生生物气;成因类型;研究进展中图分类号:TE122.1 文献标识码:A 文章编号:167221926(2008)0620894203 煤层气是煤层中自生自储的以甲烷为主的气体,在煤矿中通称为瓦斯。20世纪80年代,美国的系统研究与勘探开发实践证明,煤层气是一种可进行大规模地面开采的新的洁净能源和优质化工原料,而且资源潜力很大,属于非常规天然气[1]。由于各种瓦斯灾害对煤矿生产的危害性极大,煤层气排入大气,使得大气中“温室气体”甲烷的含量增加,加剧了全球大气升温和生态环境恶化。因此,煤层气的研究与开发具有资源利用、煤矿减灾和环境保护3方面的重大意义。随着常规油气资源的日益短缺

而使得油气供给不足,煤层气的研究与开发受到各有关方面的高度重视,成为全球性的热点领域。国家科技部于2002年设立了国家重点基础研

究发展规划项目(“973”)“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究”,该项目所属第一课题为“煤层气

的形成演化、成因类型及资源贡献”(编号:2002CB211701)。经过近6年的研究工作,该课题

于近期通过了国家“973”项目课题结题验收专家组的验收。现将其主要成果与进展扼要介绍如下。

1　煤层气地球化学组成研究

煤层气地球化学组成研究是整个煤层气研究体

系和气体地球化学研究中的一个新的重要分支领

域。有关煤层气或瓦斯的组分构成,国内外已积累了大量的数据资料。但以往的资料一般仅限于其主要组分(CH 4、N 2、C 2H 6、CO 2)的含量数据,而普遍缺乏微量组分数据。测试与研究结果表明,煤层气中一般还含有Ar 、He 、H 2S 、SO 2、CO 等组分,其含量通常均低于1%,甚至更低。这些组分的含量虽然很低,但包涵很多地球化学信息,而且H 2S 、SO 2、CO 为有害气体,因此具有重要的理论与实际研究

意义。

稳定同位素组成与示踪指标是煤层气地球化学研究的最重要内容。国内外学术界研究最多的是C H 4的碳同位素。但现有的研究资料显示,煤层气

δ13C 1值的变化非常复杂,作为示踪指标实际应用起

来,存在许多问题。

通过对各类煤层气样品进行系统的测试与研

究,并结合以往的相关资料分析,煤层气δ13

C 1值的主体分布范围约为-70‰～-30‰(PDB ,下同),在整体分布上,δ13C 1值具有随煤岩R O 值增大而变高的趋势。但R O 值相近或热演化程度相同的煤岩

中煤层气的δ13

C 1值分布范围很宽,相互之间的差别与变化很大。而不同热演化程度煤岩所产甲烷的

第19卷第6期2008年12月天然气地球科学NA TURAL GAS GEOSCIENCE Vol.19No.6Dec.　2008

δ13C值又具有相当大的重叠性。进一步的研究基本揭示出了煤层甲烷碳同位素组成与变化的机理与影响因素,即煤层甲烷的形成途径、煤岩的热演化程度、煤层气解吸过程中的同位素分馏作用和次生生物气的形成与叠加作用。对不同类型样品的δ13C1值的对比研究表明,排采气的δ13C1值最稳定且代表性最好,煤芯一次解吸气的δ13C1值也相对稳定且代表性较好,矿井煤样解吸气的δ13C1值则变化很大,应慎用。如果消除其各种次生变化效应,煤层甲烷碳同位素的组成与变化仍具有一定的规律性。

甲烷的氢同位素是研究烃类气体的另一种重要的示踪指标。国际上已发表了一批涉及煤层气甲烷氢同位素的论文,但对有关氢同位素科学问题的具体分析与讨论则不多。国内有关天然煤层气氢同位素的研究极少见有报道,基本处于空白状态。此前,陶明信等曾对窑街等个别煤田的煤层甲烷的氢同位素进行过测试与研究,但未公开发表。

此次研究中,对一批煤层气样品的甲烷氢同位素进行了测试,并取得了某些实质性的研究进展。例如,新集、恩洪等地区煤层气δD CH

4

值(SMOW,下同)的分布范围为-244‰～-196‰,反映了次生生物成因甲烷及其与热成因甲烷混合的特征。但有关煤层甲烷氢同位素的整体分布与变化特征及其控制因素等深层次问题还有待进一步研究。

2　次生生物成因煤层气研究

次生生物成因煤层气是煤岩物质在超过原生生

物气的形成阶段而进入热成因气形成阶段后,由于煤层被抬升到浅部,在微生物作用下所生成的,是煤层气的一种新的成因与资源类型。

在山西李雅庄、安徽淮南和云南恩洪等地区发现了次生生物成因煤层气,其基本特征为:组分以甲烷为主,属于干气;δ13C1值显著低于与其煤岩热演化程度相对应的热成因甲烷的δ13C值,而且多低于

-55‰;D CH

4

值一般低于-200‰。

目前,国际学术界对于次生生物气的研究主要限于较单一的气体地球化学示踪研究。针对其研究现状与存在的主要问题,本次研究还开拓了多方面新的研究途径与研究内容。主要包括:煤岩中微生物降解活动的有机地球化学特征与证据,次生生物气的母源物质、具体形成途径及其地质构造条件,煤岩中的微生物种群等,同时还进行了煤岩微生物生气的初步实验。从而首次系统地研究并揭示了次生生物气形成的各个环节与机理。研究结果也显示,次生生物气具有显著的资源潜力。

3　煤层气的成因类型与综合示踪指标体系研究

国际上一般将煤层气概略划分为(原生)生物成因煤层气和热成因煤层气2种成因类型,Scott等[1]又提出次生生物气。

通过对我国诸多地区煤层气的地质地球化学综合研究,相继识别并提出了一系列煤层气的成因类型及其相应的综合示踪指标体系。具体包括:原生生物成因煤层气(新疆沙尔湖地区煤层气为其典型实例)、热降解煤层气(甘肃宝积山地区煤层气为其典型实例)、热裂解煤层气(山西沁水盆地南部煤层气为其典型实例)、次生生物成因煤层气(山西李雅庄煤层气为其典型实例)和混合成因煤层气(即次生生物气与热成因气的混合气,安徽淮南煤层气为其典型实例)。以上构成目前最系统的煤层气成因类型划分方案与综合示踪指标体系。

4　煤岩生烃动力学研究

选择2种演化程度较低的煤岩和1个泥炭样品,分别以2℃/h和20℃/h的升温速率,在200～600℃的范围内,进行了热解生气模拟实验和生烃动力学研究。通过对不同阶段热解生成的气体组分的研究,提出了煤层气组分构成的演化模式。2种不同升温速率的实验结果相比,气态产物的组分含量有较明显的差异,而且在2℃/h升温速率条件下,煤岩残渣的R O值增长较快。根据所获得的动力学参数和相关资料,对沁水盆地煤岩的生烃动力学特征和生烃史进行了研究。该区煤层气形成的最主要时期为晚侏罗世到早白垩世。研究区上古生界煤岩的煤层气生成量在阳城地区最高,为最有利地区之一;在沁源地区较高,是较有利区;在霍山地区的生成量最小[2]。根据有关的动力学参数,计算了阳城等地区煤层甲烷碳同位素组成的演化史,显示在其形成的早期阶段,δ13C1值由低变高,到早白垩世末达到或接近最高值,其后变化不大。研究结果还显示,泥炭比煤岩具有更高的生气能力,模拟实验资料可以弥补煤岩样品因演化程度较高而存在的不足。

除上述几方面的主要进展外,还取得了一些其他方面的成果。如:对沁水南部上古生界煤层的排烃史等与成藏地球化学相关的问题进行了研究。根

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　No.6 陶明信等:“煤层气的形成演化、成因类型及资源贡献”课题研究进展