中国煤层气资源分布特征 国内外煤层气中重烃异常分布特征及成因初探

8.2.1 煤层气区划的基本原则

我国煤储层的发育状况、煤层的含气特征以及煤层的渗透性等，在地域上的分布是很不均衡的，这种不均衡是我国各地区的地质背景、煤系后期变形改造特征、煤盆地的沉积和聚煤规律等因素综合作用和影响的结果。煤层气分布的不均衡性，加上区域经济因素，造成了当前我国煤层气勘探开发工作在地域上的不平衡，因此，研究和总结我国煤层气在区域分布方面的规律性，合理地进行煤层气资源分布区划，对于从宏观上阐明资源分布特征、分析煤层气勘探开发态势、指导未来煤层气勘探开发工作具有重要意义。

我国煤田地质界根据聚煤区（赋煤区）、含煤区、煤田和煤产地等不同级别的含煤区块进行煤炭资源分布区划。目前比较一致的认识是对聚煤区和含煤区的划分。根据昆仑-秦岭、阴山东西向巨型构造带和贺兰-龙门山-哀牢山近南北向巨型构造带纵横交错的关系，将全国煤炭资源分布划分为6个聚煤区；在聚煤区内，按主要聚煤作用的差异、区域构造变形特征和地域上的邻近关系等划分含煤区，全国共划分出了85个含煤区。对聚煤区的划分是依据主要成煤地质时代的聚煤沉积与构造条件，大致相当于原始的聚煤盆地或聚煤盆地群，其主要聚煤构造条件定格于早中生代以前；对含煤区的划分则主要着眼于原始聚煤盆地遭受变形改造后所保留下来的煤系分布范围；而对于煤层气含气性来说，聚煤沉积的构造条件固然重要，但后期变形改造对煤层气的保存、气含量和可采性的控制十分明显，特别是现代地质结构和地应力特征对煤层气可采性的影响更为突出和重要。因此，煤层气资源区划应不同于煤炭资源区划。

石油地质工作者对全国油气区划分的工作也十分重视。张俏从板块构造区划的角度出发，以板块活动的动力类型为依据，提出将我国划分为以大陆裂解、扩张活动为主的中国东部含油气区和以碰撞、挤压活动为主的中国西部含油气区的中国含油气区构造区划方案（张俏，1995）。吴奇之等根据中国中、新生代含油气盆地形成的地球动力学背景和基底结构，划分出东、中、西部三类盆地，进而根据地质背景、盆地类型及构造变形、沉积特点及含油气组合，同时也考虑到勘探状况及地理因素等，将我国含油气盆地划分为八大油气区（吴奇之等，1997）。戴金星等在总结国内外有关天然气聚集区、带研究现状的基础上，系统地论述了中国天然气聚集带、聚集区和聚集域的定义与分类，并在我国13个含油气盆地内部进行了天然气聚集带、聚集区的划分（戴金星等，1996）。这些工作为进行煤层气区划提供了有益的借鉴。

在全国煤层气资源评价工作中，在充分考虑煤层气特征的基础上，结合煤炭资源区划中的有关成果，并参考常规油气区划工作的经验，尝试着对中国煤层气资源分布进行了区划，主要考虑了以下5方面的因素：

1）区域地球物理资料：我国大陆自西向东，深层结构有明显阶梯式分带现象，主要的南北—北北东向深层构造陡变带有3条，自西向东依次为贺兰山-龙门山陡变带、大兴安岭-武陵山陡变带和中国东部陆缘陡变带，它们按地壳深层结构将我国划分成各具特色的4个壳-幔带（据程裕淇，1994）。这3条规模宏大的深层构造陡变带，在地貌上大多构成山链，不仅代表了中国地质构造和矿产资源沿南北—北北东向分带的界线，也是我国地势、地貌自西向东阶梯状展布的分界线，这些界线与我国宏观经济发展水平的地域差异划分大致吻合，因而对我国煤层气资源分布及勘探开发工作也具有广泛而深刻的影响。本书将3条陡变带作为煤层气区划一级单元的边界。

2）大地构造分区边界：在南北向分带的基础上，按板块边界和稳定区（陆块）与活动区（褶皱带）的界线进行东西向分块，主要有塔里木-华北陆块与天山-赤峰活动带的界线、塔里木-华北板块与华南板块的界线，以及扬子陆块与松潘-甘孜活动带的界线。这些边界对我国煤田的形成和分布具有重要的控制作用，尤其是对晚古生代煤层的影响更为突出，是划分二级单元的依据。这些二级单元的边界大多与煤炭资源区划中聚煤区（赋煤区）的边界一致，这就便于将煤田地质资料应用到煤层气地质之中。

3）区域构造和聚煤特征：煤系的沉积、聚煤特征和后期变形构造对煤层气的生成、储集和保存具有直接控制作用。我国石炭二叠纪、晚二叠世、早中侏罗世和早白垩世这4个重要聚煤期的煤层各有特定的主要聚集范围，所遭受的后期变形改造也各不相同。这些特征决定了三级单元的划分，在三级单元中，强调以一个聚煤期为主，也可能以某一个聚煤期为主，同时包含两个或多个聚煤期。

4）含气性：由于受原始沉积作用、煤变质作用、构造变形及剥蚀风化作用等多种因素的综合影响，煤层含气性的变化很大。这里所说的含气性，既指煤层气含量，也包括煤层厚度和赋存面积的大小。本次区划，对所有褐煤、无烟煤1号均未进行三级单元划分；福建、广东、滇南、西藏等省（区）的煤层，以及塔里木南部等地区的煤层，或因煤层气含量很低，或因煤层赋存面积小，或因构造十分复杂等原因，而未进行煤层气资源区划。

5）地域因素：在进行二级区划时，对华北陆块的东北部未按大地构造分区边界进行划分，而是按辽宁省与河北省的分界线划分的。这一方面是考虑到滨太平洋构造带的强烈作用效果，另一方面也是考虑到行政区划的人为因素。这样做便于区划命名和煤层气资源的统计与决策。

8.2.2 中国煤层气资源分布的区划方案

根据实际资料和工作程度，建议按煤层气大区、含气区、含气带和气田4个级别进行中国煤层气资源分布区划。

1）煤层气大区：煤层气大区是按照3条南北—北北东向深部构造陡变带划分的一级煤层气资源分布区，主要体现中、新生代以来现代板块构造对我国煤层气资源广泛而深刻的影响。共划分为4个大区，自东向西依次为：海域区、东部区、中部区和西部区。

2）含气区：是煤层气区划的二级单元，以近东西向展布的几条大地构造分区边界与近南北向构造的纵横交切而成的“块”来划分，重点反映古生代以来板块构造通过对聚煤作用、煤变质作用的控制而影响我国煤层气资源的分布。共划分为10个含气区，以行政区划的组合而命名。

3）含气带：是煤层气区划的三级单元，在含气区内主要依据煤层分布情况和含气性划分。除了前述因各种原因而未进行煤层气资源区划的范围外，其余基本按第三次煤田预测中含煤区的划法和命名来进行含气带的划分和命名，仅对少数含煤区进行了改变。全国共划分了85个含煤区，划分并命名了59个含气带，其中东部大区26个、中部大区18个、西部大区14个、海域大区1个。

4）煤层气田：是同一地质时代的若干个煤层气藏的总合，单个煤层气藏也可构成煤层气田。煤层气田的范围大致相当于煤田地质界所称的“煤产地”（矿区），所谓“煤产地”是指煤田中由于后期构造所导致的含煤区块。

由于我国现阶段煤层气勘探开发工作刚刚兴起，对煤层气藏的认识程度很有限，还没有一个正式开发的煤层气田，所以本次没有进行煤层气田的划分和命名，待以后工作深入、时机成熟后再行划分。

8.2.3 主要含气区特征

根据煤层气区划原则，将中国煤层气区划分为：东部大区，包括黑吉辽（Ⅰ）冀鲁豫皖（Ⅱ）、华南（Ⅲ）3个含气区；中部大区，包括内蒙古东部（Ⅳ）、晋陕蒙（Ⅴ）、云贵川渝（Ⅵ）3个含气区；西部大区，包括北疆（Ⅶ）、南疆-甘青（Ⅷ）、滇藏（Ⅸ）3个含气区；海域大区，只包括台湾（Ⅹ）一个含气区，全国共划分为10个大区。在10个含气区中，内蒙古东部含气区全部为褐煤，暂未评价，台湾含气区和滇藏含气区煤层气资源稀少，缺乏开发价值，未予评价，下面介绍其余7个含气区基本特征。

8.2.3.1 黑吉辽含气区

黑吉辽含气区（Ⅰ）包括东北三省，北、东起自国境线，南至阴山-燕山褶皱带东段，西至大兴安岭构造带。区内含煤地层主要为下白垩统和第三系，其次为石炭-二叠系。早白垩世含煤盆地发育，含气性较好；第三系仅抚顺盆地煤级较高，为长焰煤和气煤，含气性好，其他盆地均为褐煤，含气量小，暂未作评价。石炭-二叠纪煤层仅分布在含气区南部，煤层稳定，含气性相对较好。

该区包括三江-穆棱河（Ⅰ₀₁）、延边（Ⅰ₀₂）、浑江-辽阳（Ⅰ₀₃）、抚顺（Ⅰ₀₄）、辽西（Ⅰ₀₅）、松辽盆地东部（Ⅰ₀₆）和松辽盆地西南（Ⅰ₀₇）7个含气带。其中，抚顺含气带的分布范围与抚顺矿区一致（若无特别说明，含气带的分布范围与其对应的含煤区相同，下同）。煤层气资源主要集中于黑龙江和辽宁两省，其中，三江-穆棱河、浑江-辽阳、辽西含气带较为丰富。

本区是我国最早开展煤层气资源勘探开发活动的地区。煤层气勘探活动主要集中在南部辽宁省沈阳市周围地区进行，北部鹤岗盆地的勘探结果表明情况较差；煤层气开发活动为矿井瓦斯抽放，在抚顺、铁法、鹤岗、鸡西等矿区已产生明显的经济效益和社会效益。

8.2.3.2 冀鲁豫皖含气区

冀鲁豫皖含气区（Ⅱ）的地理分布范围为华北聚煤区的太行山以东地区，大致相当于华北陆块东部。西起太行山构造带，东至郯庐断裂带，北起黑吉辽含气区南界，南至秦岭-大别山褶皱带东段。含煤地层以石炭-二叠系为主，有少量下、中侏罗统。石炭-二叠纪含煤地层沉积范围广，煤层稳定，含煤性好。含气区包括冀北东部（Ⅱ₀₁）、京唐（Ⅱ₀₂）、太行山东麓（Ⅱ₀₃）、冀中平原（Ⅱ₀₄）、豫北鲁西北（Ⅱ₀₅）、鲁中（Ⅱ₀₆）、鲁西南（Ⅱ₀₇）、豫西（Ⅱ₀₈）、豫东（Ⅱ₀₉）、徐淮（Ⅱ₁₀）和淮南（Ⅱ₁₁）11个含气带。其中，徐淮含气带地理分布范围为徐州和淮北矿区，淮南含气带地理分布范围与淮南煤田一致，冀北东部含气带为冀北含煤区东段。太行山东麓含气带的含气性相对较好，豫北鲁西北、鲁中、鲁西南含气带的含气性差，其他含气带的含气性居中。

冀鲁豫皖含气区内分布有较多煤层气勘探开发前景有利的区块，如开滦、大城、焦作、安阳、平顶山、淮北和淮南等煤矿区。

该含气区是我国目前煤层气勘探比较活跃的地区，在开滦、大城、安阳、鹤壁、荣巩、焦作、平顶山、淮北、淮南和新集等处都进行了勘探工作，其中，以开滦、大城、淮北和淮南矿区进展比较明显。

8.2.3.3 华南含气区

华南含气区（Ⅲ）在构造上相当于扬子陆块东部地区和华南活动带的范围。位于秦岭-大别山褶皱带以南，武陵山构造带以东的大部分地区，包括我国广大的东南和华南地区。区内主要发育晚二叠世含煤地层。由于受华夏和新华夏系构造的影响，晚二叠世煤田仅局部保存较好，煤层较稳定，含气性好。华南含气区包括鄂东南赣北（Ⅲ₀₁）、长江下游（Ⅲ₀₂）、苏浙皖边（Ⅲ₀₃）、赣浙边（Ⅲ₀₄）、萍乐（Ⅲ₀₅）、湘中（Ⅲ₀₆）、湘南（Ⅲ₀₇）和桂中北（Ⅲ₀₈）8个含气带。

煤层气资源主要集中于江西和湖南两省，其中，以萍乐和湘中含气带煤层气资源较为丰富，而其他含气带煤层气资源较为贫乏。本区其他含煤区的煤田或煤产地规模小，构造复杂，煤系分布零星；煤变质程度很高，已达无烟煤1号阶段。

本区煤层气勘探活动已在丰城、冷水江矿区进行，以丰城矿区的效果较好。

8.2.3.4 晋陕蒙含气区

晋陕蒙含气区（Ⅴ）是我国煤层气资源最为丰富的地区之一，其地理分布范围包括华北聚煤区的太行山以西地区，大致相当于华北陆块的西部。西起贺兰山-六盘山断裂带，东至冀鲁豫皖含气区西界，北起阴山-燕山褶皱带西段，南至秦岭-大别山褶皱带西段。该区含煤地层有石炭-二叠系和下、中侏罗统，含煤性好，煤层大面积发育稳定。晋陕蒙含气区包括冀北西部（Ⅴ₀₁）、大宁（Ⅴ₀₂）、沁水（Ⅴ₀₃）、霍西（Ⅴ₀₄）、鄂尔多斯盆地东缘（Ⅴ₀₅）、渭北（Ⅴ₀₆）、鄂尔多斯盆地北部（Ⅴ₀₇）、鄂尔多斯盆地西部（Ⅴ₀₈）、桌-贺（Ⅴ₀₉）、陕北（Ⅴ₁₀）和黄陇（Ⅴ₁₁）11个含气带，其中，冀北西部含气带为冀北含煤区西段。沁水、霍西含气带的含气性好，陕北、黄陇含气带的含气性较差，其他含气带的含气性居中。

有许多煤层气勘探开发前景最有利区块分布于晋陕蒙含气区，如阳泉、寿阳、潞安、临兴、屯留、晋城、柳林、三交和韩城等。该含气区是我国目前煤层气勘探开发活动最为活跃的地区，特别是沁水盆地的晋城、屯留以及产出河东煤的柳林、临兴等地已成功获得小型试验性开发，展现出良好的开发前景。

8.2.3.5 云贵川渝含气区

云贵川渝含气区（Ⅵ）的地理分布范围为华南赋煤区的西部，西起龙门山-哀牢山断裂带，东至华南含气区西界，北起晋陕蒙含气区南界，南至国境线。区内主要发育二叠纪含煤地层，沉积范围广，煤层稳定，含煤性好，含气性也好。云贵川渝含气区包括华蓥山（Ⅵ₀₁）、水荣（Ⅵ₀₂）、雅乐（Ⅵ₀₃）、川南黔北（Ⅵ₀₄）、贵阳（Ⅵ₀₅）、六盘水（Ⅵ₀₆）和渡口楚雄（Ⅵ₀₇）7个含气带。

其中，六盘水含气带煤层气资源最为丰富，煤层气资源丰度也最高；其次为华蓥山、永荣、川南黔北和贵阳含气带；而雅乐、渡口楚雄含气带煤层气资源较为贫乏。渡口楚雄含气带大部分地区为第三纪煤层，煤变质仅达褐煤阶段，含气量很低；只有宝鼎煤田攀枝花矿区，为晚三叠世煤层，煤层气资源丰度较高，但规模小，煤层厚度变化很大。

受地形条件限制，本区煤层气勘探活动较其他含气区相对滞后，目前正在贵州省的盘江矿区进行。区内矿井瓦斯抽放工作十分活跃，尤以重庆地区的松藻、南桐、中梁山等矿区闻名全国；另外四川的芙蓉，贵州的六枝、盘江、水城、林东等矿区的抽放工作成效也十分显著。

8.2.3.6 北疆含气区

北疆含气区（Ⅶ）的地理分布范围为新疆的天山褶皱带及其以北地区。区内发育众多早、中侏罗世含煤盆地，主要有准噶尔、吐-哈、伊犁等盆地。煤层较稳定，厚度大，含煤性好；但煤级低，多为长焰煤。煤层含气性一般比较低，仅在局部地段由于受到了高异常古地热场的叠加影响而使煤级增高，从而导致煤层含气性相对变好。北疆含气区包括吐-哈（Ⅶ₀₁）、三塘-淖毛湖（Ⅶ₀₂）、准噶尔中（Ⅶ₀₃）、准噶尔东（Ⅶ₀₄）、准噶尔北（Ⅶ₀₅）、伊犁（Ⅶ₀₆）、尤尔都斯（Ⅶ₀₇）和焉耆（Ⅶ₀₈）8个含气带。据目前掌握的资料，仅准噶尔南含气带含气性较好。

受地区经济发展相对落后和煤炭、石油及常规天然气等能源供应充足等因素的影响，本区煤层气资源勘探开发工作起步较晚，仅吐-哈盆地施工了少量煤层气勘探井。

8.2.3.7 南疆-甘青含气区

南疆-甘青含气区（Ⅷ）的地理分布范围为西北聚煤区的天山以南地区。北起天山-阴山褶皱带西段，南至昆仑-秦岭褶皱带西段，西起国境线，东至晋陕蒙含气区西界。区内有早、中侏罗世含煤盆地和石炭-二叠纪含煤盆地。南疆-甘青含气区包括蒙甘宁（Ⅷ₀₁）、西宁-兰州（Ⅷ₀₂）、河西走廊（Ⅷ₀₃）、柴达木北（Ⅷ₀₄）、塔里木东（Ⅷ₀₅）和塔里木北（Ⅷ₀₆）6个含气区。其中，河西走廊含气带包含中祁连和北祁连两个含煤区。南疆-甘青含气区，早、中侏罗世煤层煤级低，多为长焰煤，煤层含气性较差。二叠纪煤层的煤级普遍较高，但含煤地区分布局限，煤层气资源贫乏。本区至今还是我国煤层气资源勘探开发的空白区。

兰凤娟1 秦勇1,2 常会珍1 郭晨1 张飞1
基金项目:国家自然科学基金重点项目(40730422)资助。
第一作者简介:兰凤娟,1986年生,女,博士研究生,煤层气地质,13151981375,lanfj11986@126.com。
(1.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221116;2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221008)
摘要:一般来说,煤层气中重烃浓度低于3%~5%,然而某些地区煤层气中重烃浓度超过常规而显现异常。煤层气化学组成中隐含着极为丰富的成因信息,对重烃异常原因的研究能深化对煤层气成因的认识,推动煤层气地球化学基础研究的完善发展。本文归纳总结了国内外煤层气中重烃异常的分布和特征,以及目前学者们对重烃异常成因的诸多解释,对于这些解释笔者分别提出了自己的见解,为重烃异常成因的深入研究提供一个思路和切入点,认为还需结合具体地区综合考虑多种因素进行进一步研究。
关键词:重烃异常 分布特征 成因
Distribution Characteristics of Abnormal Heavy Hydrocarbon in Coalbed Methane and its causes
LAN Fengjuan1 QIN Yong1,2 CHANG Huizhen1 GUO Chen1 ZHANG Fei1
(1. The School of Resource and Earth Science, china university of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, china 2. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)
Abstract: Generally speaking, concentration of heavy hydrocarbon of CBM is between 3%～5%, however, it is more than normal in somewhere. There is abundant genetic information in chemical composition of coalbed methane (CBM) . The research about its origin will deepen our understanding of origin and geochemistry of coalbed gas. This article summarizes the distribution characteristics of abnormal heavy hydrocarbon domestic and overseas and scholars' explanations for its causes at present, giving the author's own opinion which provides a starting point for the further research of the causes. It is thought that it still needs further study taking many factors into account in some definite area.
Keywords: abnormal heavy hydrocarbon; distribution characteristics ; causes
引言
煤层气主要由CH4构成,次要组分为重烃(C2+)、N2和CO2,微量组分有Ar、H2、He、H2S、SO2、CO等(陶明信,2005)。据Scott对美国1400口煤层气生产井气体成分的统计结果,煤层气平均成分为:CH4,93%;CO2,3%;C2+,3%;N2,1%;干湿指数(C1/C1~5),0.77~1.0(Scott,1993)。中国煤层气虽然总体上以干气为特征,但也发现了大量“湿气”的实例。这些实例中,煤层气中重烃浓度通常在5%~25%之间,甚至出现了重烃浓度大于甲烷浓度的现象(吴俊,1994)。就云、贵、川的龙潭组而言,云南恩洪矿区煤层气中重烃浓度往往较高,其次是黔西和重庆地区。在恩洪向斜,煤层气中乙烷浓度达4.38%~33.90%,一般在16%左右;丙烷浓度0.7%~5.88%,一般小于3%(吴国强等,2003)。不仅是恩洪,其他一些地区也出现重烃异常,如重庆天府矿区上二叠统焦煤煤层瓦斯中C2H6—C4H10浓度高达30.45%,是CH4浓度的1.98倍;南桐矿区煤层气中重烃的比例高达6%~15%(刘明信,1986)。
1 国内外煤层重烃异常分布
国内出现重烃异常的地区从南往北有云南、贵州、重庆、浙江、湖南、江苏、安徽、河南、陕西、辽宁、河北、内蒙古、黑龙江(见表1)。出现重烃异常的时代集中在石炭纪、二叠纪和侏罗纪,其中以二叠纪为主。煤化程度处于气煤、肥煤、焦煤阶段,在长焰煤中也有出现。重烃浓度介于0.1%~48.7%之间。出现重烃异常的煤层常常与油气有关联,有的在煤层中或其顶底板发现有液态油的存在,有的有明显的气显示和油显示。
表1 国内煤层气重烃异常分布表


续表


根据已查阅的资料,国外煤层中出现重烃异常的有美国、俄罗斯、德国。煤变质程度主要处于气肥煤阶段,重烃浓度最高大于43%。有趣的是许多出现重烃异常的煤田附近有一个与煤成气相关的天然气田或油田,有的煤层中也见到了液态石油或者有良好的气显示和油显示,因此有的学者就用石油气的成分来解释重烃浓度,认为与盆地深部层位的含油性有关,可能其运移是沿深断裂进行的(А.И.Кравцов,1983)。
表2 国外煤层气重烃异常分布表


续表


2 煤层重烃异常成因
关于煤层气中重烃异常的成因众说纷纭,有生气母质说、油气渗透说、接触变质说、煤化作用阶段说等。下面列出了重烃异常原因的各种假说。
2.1 生气母质
烃源岩的生烃母质组成特征影响着烃源岩的生烃品质和生烃潜力,是烃源岩研究的重要内容,其主要研究方法有两种:一是煤岩学的方法,一是干酪根方法,煤岩学法保存了有机质的原始状态与结构,有利于对成因的研究,镜质组反射率更可靠,干酪根法富集了矿物沥青基质中的那部分有机质,利于干酪根类型的确定(韩德馨,1996)。
煤岩显微组分很大程度上决定了煤层的产烃能力。通常认为,富壳质组煤层具有产油倾向,富镜质组煤层具有产气倾向。岩相学和地球化学研究表明,高或中等挥发分烟煤中,以壳质组分为主的腐泥煤生成湿气和液态烃,以镜质组分为主的腐殖煤生成干气(Rice D D,1993)。但某些种类镜质组分也具有生成较高重烃浓度气体的能力(Bertrand P,1984)。例如,新西兰富氢煤层中镜质组含量在80%以上,但具有很高的产油能力(Kilops S D et al.,1998);研究发现挪威北海中侏罗纪腐殖煤中壳质组含量和产油能力之间没有明确关系;Gentzis等认为,加拿大阿尔伯塔MedicineRiver煤层(乙烷和丙烷浓度5%)湿气来源于煤中大量的富氢镜质组分(Gentzis T, et al.,2008)。一般认为,惰性组由于芳构化程度和氧化程度更高及氢含量极低,不仅不能生油,而且产气量也比相同煤阶的壳质组和镜质组低,因而通常不把惰性组作为油气母质。但是近年来,经过煤岩学家的深入研究发现,某些惰性组分并非完全惰性,如南半球煤中“活性半丝质体”(RSF)的发现以及荧光与非荧光惰性体的划分(黄第藩等,1992),为惰性体成烃提供了有机岩石学证据。徐永昌等对惰性组分加热也曾得到产油量为2.94kg/t的残物(徐永昌,2005)。
笔者认为前人对煤岩显微组分对重烃产生的影响只是通过显微镜观测和测得的气组分的对比来进行的猜测,对具体显微组分对重烃产生的影响还没有进行过实验验证,尤其还未进行过煤化学结构特殊性的探索验证,还应对不同地区同类型的干酪根对重烃产生的影响进行深入研究。
2.2 微生物
微生物可以从两方面对重烃浓度产生影响,一是重烃菌有助于煤层产生重烃,一是微生物可以消耗掉重烃(如产甲烷菌),产生次生生物气,不利于重烃的保存。
一种解释认为自然界存在重烃菌,生物气中少量重烃是重烃菌的贡献,即生物成因说。但要证明生物作用可以形成重烃,必须有以下证据:在一定的地质背景下,生物成因气中可以含有少量的重烃组分(0.1%~0.2%);乙烷的碳同位素较轻(就目前所报道的碳同位素值都在-70‰~-55‰之间)(Mattavelli L and Martinenghic,1992),充分的证据证明无其他成因乙烷混入;还有一个重要的条件,就是在实验室内能够培养出产重烃菌。徐永昌等(2005)测得了陆良天然气乙烷的碳同位素组成δ13C2值为-66.0‰~-61.2‰,结合其单一的地质背景的分析,基本排除了热成因乙烷的可能,较明晰地显示了其为生物成因,对长期争议的生物作用是否可以生成乙烷给出正面的回答(徐永昌,2005)。
笔者认为重烃菌和细菌生源等有助于煤层产生重烃的因素尚需进一步验证;而影响到重烃的保存的次生生物气来解释重烃异常的前提是,整个向斜的煤层产生重烃的数量都很多,只是有的井田未受到微生物的影响而保存了下来,需要证明重烃正常区存在次生生物气。
2.3 催化作用
近年来,越来越多的学者开始注意催化作用对煤层气生成的影响,国内外学者研究中涉及地质过程中能起催化生气作用的无机质主要有粘土矿物、碳酸盐矿物、氧化物矿物、过渡金属元素等(吴艳艳和秦勇,2009)。催化剂对重烃生成的影响也有一些假说:
某些著作中提出一个假设,煤层中的重烃是由于甲烷、煤的灰分化合物和地层水的相互化学作用造成。据Е.Е.Вороищй的结论:包含在岩石孔隙中甲烷的氧化将导致高分子同系物的形成,其反映是:
Fe2O3+2CH4→2FeO+C2H6+H2O和2Fe(OH)3+2CH4→2FeO+C2H6+4H2O
但这种假设未必正确,还应研究煤层中重烃从属于矿物杂质的分布情况(А.ΝКраввцов,1983)。
火山活动及深部流体活动在沉积有机质生烃地质过程中的作用也日益受到重视。张景廉认为含煤盆地的原油可能的模式是深部氢气与有机质的加氢液化生烃,或是深部H2、CO2、CO在中地壳的低速高导层中经费托合成反应生成油气(张景廉,2001)。金之钧等认为,深部流体至少从3个方面影响烃类的生成:一是直接以物质形式参加生烃过程,深部流体中的氢与沉积有机质可能发生加氢反应而增加烃的产率;二是热效应,深部流体携带的大量热能有助于提高有机质成熟度,加快有机质生烃过程;三是催化作用,深部流体携带的各种元素可能成为烃源岩生烃的催化剂(金之钧等,2002)。实验结果表明:以熔融铁作媒介,CO2和H2可以合成烷烃类物质;地下深处的玄武岩、橄榄玄武岩和橄榄岩与实验室条件下的熔融铁类似(郭占谦和杨海博,2005)。
笔者认为若是火山活动及深部流体活动在煤层生烃过程中起到了的催化作用,可以很好的解释许多重烃异常点的分布特征,所以流体活动对重烃产生的影响值得深究。
2.4 煤化作用阶段差异
在煤层气热成因的中期阶段,有机质主要通过树脂、孢子和角质等稳定组分降解初期所形成沥青的转化,以及芳核结构上的烷烃支链的断裂,形成富含重烃的气体。肥煤和焦煤初期阶段是有机质生油的高峰期,这是造成煤层气中重烃浓度相对增高的一个重要原因。根据我国统计资料,在整个煤级序列中,镜质组最大反射率处于0.9%~1.4%之间煤层的煤层气中重烃浓度明显较高(吴俊,1994)。
笔者虽在肥焦煤阶段是重烃产生的最高峰,但只有少数肥焦煤中煤层气出现重烃异常,所以煤化阶段是重烃异常的影响因素,但却不是唯一的影响因素。
2.5 煤对气体组分的差异吸附作用
由于被吸附势的差异,煤对重烃气体成分的吸附能力比对甲烷的要大。在煤微孔中,重烃气体分子主要被吸附在孔壁表面,甲烷分子主要位于重烃分子吸附层之上。被吸附力的这种差异,造成甲烷分子易于运移,导致煤层中重烃气体相对富集(吴俊,1994)。
某些学者注意到由于镜质组吸附作用造成煤排出烃类成分的变化。Given、Derbyshire等、Erdmann等发现,煤层中产生的油被吸附在镜质组微孔中(GivenP,1984;Derby- shire F et al.,1989;Erdmann M and Horsfield B,2006)。Ritter采用分子直径的概念研究了镜质组中微孔的吸附作用,基于杜平宁一兰德科维奇(Dubinin-Radushkevitch)理论建立起来的镜质组吸附模型模拟排出了高含量的芳香族气体冷凝物,认为显微组分微孔的分布和交叉连接密度可能对煤层排出烃类的成分起着决定性作用,干酪根中吸附溶解过程影响到了煤层排出的烃类物质成分(Ritter U,2005)。
2.6 煤微孔隙分子筛作用
煤中孔隙分布极不均匀,对于分子直径大小不一的烃类气体具有明显的分子筛作用。甲烷气体分子直径最小,在煤层中最易运移;重烃气体分子直径较大,在运移过程中常受到孔径制约而停滞于孔隙中,使重烃气体相对富集,且常以较高压力状态存在(吴俊,1994)。
2.7 烃类物质驱替效应
许多煤层具有煤、油、气共生的特征,含油性高的煤层中较多的液态烃占据了煤中有效孔隙,并驱替气态烃运移。分子量越小,被驱替的效应就越为明显。这种差异驱替特性,造成C2以上重烃气体在煤层中相对富集(吴俊,1994)。
笔者认为差异吸附作用、分子筛作用、驱替效应涉及的是气体分馏作用使得重烃得以富集和保存,对此项因素的验证需排除生烃母质差异的可能性。
2.8 油气渗透说
主张油气渗透说者认为,煤层中存在重烃是油、气藏中石油或天然气渗透到煤层中的结果(于良臣,1981)。
2.9 构造作用
现在煤层中保存的烃气,不仅包括深成变质作用产生而保留下来的烃气,还应该包括叠加在深成变质作用之上的构造煤动力变质作用产生而保留下来的烃气。
赵志根等探讨了构造煤动力变质作用的生烃问题,认为:(1)构造煤在动力变质过程中有烃气形成;(2)动力变质作用所形成的烃气对瓦斯含量、瓦斯压力的增加起着重要作用;(3)重烃是在构造煤动力变质过程中形成的(赵志根等,1998)。曹代勇等认为构造应力影响化学煤化作用存在两种基本机制→应力降解和应力缩聚。应力降解是指构造应力以机械力或动能形式作用于煤有机大分子,使煤芳环结构上的侧链、官能团等分解能较低的化学键断裂,降解为分子量较小的自由基团,以流体有机质形式(烃类)逸出的过程。应力缩聚是指在各向异性的构造应力作用下,煤芳环叠片通过旋转、位移、趋于平行排列使秩理化程度提高,基本结构单元定向生长和优先拼叠、芳香稠环体系增大的过程,构造应力在煤化作用中有“催化”意义(曹代勇等,2006)。
笔者认为从构造的动力学机制来分析重烃的产生能解释某些地区重烃异常沿断层的分布的特征,但为何只有部分断层的两侧有重烃异常需进一步研究。
3 结论
(1)国内外均有较多地区的煤层气中出现重烃异常,出现重烃异常的时代集中在石炭纪、二叠纪和侏罗纪,其中以二叠纪为主。煤化程度处于气煤、肥煤、焦煤阶段,在长焰煤中也有出现。出现重烃异常的煤层常常与油气有关联,有的在煤层中或其顶底板发现有液态油的存在,有的有明显的气显示和油显示。
(2)从生气母质、微生物、催化作用、煤化作用阶段差异、差异吸附作用、煤微孔隙分子筛作用、烃类物质驱替效应、油气渗透说、构造作用等方面总结了目前学者对重烃异常可能成因的解释并分别提出了笔者的见解,认为重烃异常成因的研究对煤层气的成因、勘探和开发以及煤矿的安全生产都有着重要的意义,需结合具体地区综合考虑多种因素进行进一步研究。
参考文献
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一、煤层气储量增长趋势预测
截至2009年，全国共探明煤层气储量1857.4×108m3，探明面积1133.56km2。根据中国煤层气地质特征及资源分布状况，2010～2015年，在沁水盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、宁武盆地、二连盆地等地累计获探明储量达5180×108m3，2015～2020年，随着煤层气的勘探开发技术日趋成熟和开采成本的降低，勘探范围将进一步扩大到华南、东北及西北地区，在此期间，煤层气开发会快速向规模化、产业化发展，逐渐形成10～15个煤层气生产基地，探明煤层气地质储量约8740×108m3；到2025年，在全国预计探明储量约1.36×1012m3，随着勘探开发技术的提高和开采成本的降低，形成完善的煤层气产业体系。2030年建成20～30个煤层气生产基地，预计探明储量将达到2.08×1012m3。（图8-2）。

图8-2 中国常规天然气与煤层气储量增长趋势预测图

二、煤层气产量增长趋势预测
根据《新一轮全国油气资源评价》成果，中国煤层气资源丰富，42个主要含气盆地埋深2000m以浅煤层气地质资源量为36.8×1012m3，埋深1500m以浅煤层气可采资源量10.9×1012m3。为了预测煤层气在未来10～20年的产量增长趋势，利用历史趋势预测法对未来煤层气产量增长进行中长期的预测。预测2010～2020年，随着煤层气的勘探开发技术日趋成熟和开采成本的降低，勘探范围将进一步扩大到华南、东北及西北地区，在此期间，煤层气开发会快速向规模化、产业化发展，逐渐形成10～15个煤层气生产基地，预计2020年煤层气产量将达到270×108m3，探明煤层气地质储量约8740×108m3。到2025年，在全国预计探明储量约1.36×1012m3，随着勘探开发技术的提高和开采成本的降低，煤层气产量达330×108m3，形成完善的煤层气产业体系。2030年建成20～30个煤层气生产基地，预计煤层气产量将达到380×108m3（图8-3），累计探明煤层气地质储量将达到2.08×1012m3。2030年以后，随着煤层气开发技术的不断进步，处于2000～4000m深层的煤层气资源也将会被探明和开采，预计煤层气探明储量和产量还会大幅度地增加。

图8-3 中国常规天然气与煤层气产量增长趋势预测图

13353086643：煤层气概述总结
苏钥答：为适应中国煤层气勘探开发的需要,中国煤田地质总局于1995年立项进行《全国煤层气资源评价》研究。该项目利用中国40多年积累的煤田地质勘探资料、煤田地质科研和近几年煤层气勘探成果,在中国煤层气区划、煤层气资源、煤层含气性、煤储层特征、控气地质因素、有利区带优选等方面,进行了深入的评价和研究。 一、中国煤层...

13353086643：国内煤层气开发现状
苏钥答：全国95%的煤层气资源分布在晋陕蒙、新疆、冀豫皖和云贵川渝等4个含气区,其中晋陕蒙含气区的煤层气资源量最大,为17.25×1012m3,占全国煤层气总资源量的50%左右(唐书恒等,1999)。我国在引进国外成功经验的基础上,逐渐形成了适合我国煤层气特点的空气钻井技术、直井射孔完井技术、欠平衡钻井技术、多...

13353086643：煤层气地质特征及成藏条件
苏钥答：(一)煤层气地质特征 1.含煤地层及煤层 本区主要含煤地层为中下侏罗统八道湾组、西山窑组。 (1)下侏罗统八道湾组 八道湾组为主要含煤地层组之一,岩性以碎屑岩含煤为特征,厚度、岩性在横向上变化较大。八道湾组总体含煤较多,但受古地理、沉积相、物源等因素的共同制约,煤层连续性差,只有中上部存在1～2...

13353086643：煤层气地质特征及成藏条件
苏钥答：库米什含气区带,可采煤层厚度一般在5～10m之间。 综上所述,天山含气盆地群侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境发育,聚煤条件优越,形成的煤层分布较稳定,厚度大,层数多,结构相对简单,为煤层气的形成奠定了物质基础。 表6-23 侏罗系中统西山窑组主要含气区块煤层特征一览表 2.煤岩煤质特征 (1)宏观煤...

13353086643：煤层气成藏特征及高产富集条件
苏钥答：表4-1 中国中高煤阶区煤层气成因分带特征表 (3)顶板水网络状微渗滤局部封闭气藏。煤层顶板泥岩较薄,横向稳定性差,或处于张性断层发育区,水体在含煤地层局部沿煤层割理、裂隙网络状微渗滤,水动力活动比较微弱,大部分地区对烃类起到一定封堵作用形成低丰度煤层气藏,气藏含气量和吸附饱和度低。此类煤层气藏开采中...

13353086643：矿产资源矿种分布特征
苏钥答：中国的煤层气资源主要分布于华北聚气区和华南聚气区,前者煤层气资源量为9.5228万亿立方米,占全国煤层气资源量的66.6%;后者煤层气资源量4.1277万亿立方米,占全国煤层气资源的28.7%,东北聚气区0.4223万亿立方米,西北聚气区0.2341万亿立方米。煤层气资源大于1万亿立方米的省份有山西、贵州、陕西、内蒙古等4省(区)的煤层气资源...

13353086643：煤炭主要分布在中国哪里
苏钥答：华北地台东北缘及滨太平洋褶皱系，地理范围包括黑龙江、吉林、辽宁中部和北部以及内蒙东部。此外，本区内还有石炭－二叠系、第三系等含煤地层分布。滇藏赋煤区的聚煤期多，台湾赋煤区以第三纪聚煤作用为主，但两地区的煤层气资源意义不大，故含煤地层分布状况不再赘述。

13353086643：中国煤层气产量主要来自哪个省份
苏钥答：山西。 山西是中国煤层气资源富集程度最高、开发潜力最大的省份之一。我国煤层气资源丰富。据煤层气资源评价，我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿m3，主要分布在华北和西北地区。其中，华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、...

13353086643：国内外煤层气地质条件对比
苏钥答：三、煤层厚度及连续性 煤层气开发成功盆地通常具有煤层分布稳定、连续性好的特点。从9个地区来看，煤层单层厚度一般都在2m以上，以煤层气勘探开发最为成功的圣胡安盆地为例，含煤1～5层，煤层厚度9～30m，中国晋城、吉县、宁武地区煤层总厚度在10m左右，昌吉地区煤层厚度可达80m，与国外煤层气产气盆地相当...

13353086643：我国与美国煤层气勘探开发条件对比
苏钥答：发展缓慢，但随着国家对煤层气的重视，以及技术水平的不断提高，目前已经进入了起步阶段，原因主要有：一是我国具有雄厚的煤层气资源基础，通过综合评价优选出沁水、鄂尔多斯东缘及南缘、宁武、安阳—鹤壁、松藻等有利区带，具有资源丰度高、资源量大、储层物性好、开发条件便利等特点，...