煤层气成因类型及其地球化学研究进展

琚宜文,李清光,颜志丰,孙 盈,鲍 园

(1.中国科学院计算地球动力学重点实验室,北京 100049;2.中国科学院大学地球科学学院,北京 100049)

煤层气成因类型及其地球化学研究进展

琚宜文1,2,李清光1,2,颜志丰1,2,孙 盈1,2,鲍 园1,2

(1.中国科学院计算地球动力学重点实验室,北京 100049;2.中国科学院大学地球科学学院,北京 100049)

煤层气成因研究涉及到煤层气的形成机理、运移和逸散、母质特性和形成环境等,并与盆地演化和资源评价等有密切的关系。从地球化学角度对现阶段煤层气成因研究成果进行分析,系统总结了各成因类型煤层气的地球化学研究进展,并指出了存在的问题和今后的发展趋势。研究表明:煤化作用各阶段形成的不同成因类型煤层气具有不同的成因机理、气体成分特征和δ13C(CH4),δD(CH4)和δ13C(CO2)等同位素组成差异;稀有气体在煤层气成因研究过程中能够提供丰富的地球化学信息;不同的煤层气形成机制下,煤岩饱和烃和芳香烃等生物标志化合物表现出不同的降解特征;地下水化学组成的变化和微生物的活动对煤层气的形成和运移有重要影响;微生物产气的探索将为煤制气提供新思路。最后指出,煤层气成因综合识别、复杂地质演化条件下不同成因类型煤层气的赋存特征、与煤制气相关的煤层气形成机制探索等几个方面将是今后研究中值得重视的问题。

煤层气;成因类型;同位素;生物标志化合物;地下水化学

Key words:coalbed methane;origin type;isotope;biomaker compound;groundwater chemistry

19世纪以来,随着欧美各国煤炭开采向深部推进,瓦斯爆炸严重影响到矿井生产和人身安全,因此早期对煤层气的研究主要从防治瓦斯突出和爆炸的角度进行。随着世界能源需求的增长,煤层气作为一种非常规能源,其资源效应开始逐渐被重视[1-3]。由于以往对其形成机理和成因等研究程度很低,难以对煤层气资源价值做出合理评价。此外,煤炭开采过程中排放的甲烷等温室气体占全球每年排放量的8% ～10%,对全球气候变化产生了重大影响[2-4]。

煤层气成因机理十分复杂,生气母质组成特征、沉积埋藏条件、构造-热演化过程、微生物及水动力作用等都影响到煤层气的形成与演化。伴随着成煤作用的进行,生物成因和热成因煤层气先后有规律的生成[1,4-6],并在地质历史过程中进一步演化。与常规天然气相似,煤层气在气体组成特征、生气母质类型及其降解特征等方面有明显区别,且不同成因类型的煤层气之间,其气体组成、δ13C(CH4)和δD(CH4)等同位素组成方面以及生气母质类型和降解演化特征等方面也存在显著差异[3,6-7]。

煤层气成因类型的划分多借鉴了天然气成因类型的分类方案[4,6-7],一般认为主要包括有机成因气、无机成因气以及混和成因气[2,7-9]。其中有机成因气主要包括原生生物成因气、次生生物成因气、热降解气和热裂解气[7];无机成因气研究较少,一般认为主要有幔源气和岩石化学反应气[8]。

煤层气成因研究对深化煤层气的形成机理认识和科学评价煤层气资源具有重要指导意义。笔者通过综合分析国内外学者对不同成因类型煤层气的研究,阐述了煤层气的不同成因类型划分及其地球化学特征,总结了同位素、生物标志化合物、水文地球化学以及微生物等学科在煤层气成因机理研究方面的主要进展,探讨了煤层气成因研究存在的问题和今后的发展趋势。

1 煤层气成因类型及形成过程

早期煤层气成因类型的划分,主要依据煤层气气体成分和甲烷碳、氢同位素组成的特征,认为煤层气主要有生物成因和热成因两类,其中生物气有原生生物气和次生生物气之分[6]。Scott等将热成因气进一步细分为早期热成因湿气和主期热成因干气[5]。Song等把煤层气划分为5类:原生生物气、次生生物气、热降解气、热裂解气及混合成因气[7]。

热成因煤层气在热演化过程有规律的生成(图 1),主要生气阶段的Ro值分布在0.6% ～4.0%[5]。热演化早期Ro值在0.7%附近时,生气量仅占热成因气总量的10%,而当Ro达到1.6%时,可达80%[10]。热降解气产生在中低煤级长焰煤到瘦煤阶段,Ro在0.6%～1.8%,这一阶段产生的煤层气中乙烷、丙烷等重烃组分含量较高,又称湿气[3];Ro在2.0%以上的高煤级主要产生热裂解干气。煤化作用早期,CO2等组分首先大量生成,伴随着热演化的进行,甲烷含量逐渐增加,重烃组分和CO2含量逐渐降低[7,11]。

生物成因气一般要求适宜的产气母质类型、较低的温度、强还原性环境、pH值中性的水体以及有机质较快的沉积速率等[4,12-13]。原生生物气主要产生在泥炭化作用阶段[13](Ro值小于0.6%),主要生气过程是醋酸发酵作用及产甲烷菌CO2还原作用。由于埋深浅、压力小及构造活动强等原因,早期产生的原生生物气及部分热成因气不能有效封闭存储,在地质历史时期易通过地下水流动和裂隙系统等逸散[5,7,14]。

次生生物气在成煤作用各个阶段都可产生[1,5], Martini等则认为主要形成于低热成熟度阶段[13]。次生生物气主要生气途径也是细菌还原CO2产气和醋酸发酵作用产气[6]。次生生物气形成过程复杂,有机分子要先降解成还原态有机化合物,之后再通过醋酸发酵菌或CO2还原菌进一步合成甲烷[15]。这一过程至少需要水解菌、氢还原菌、同型乙酸菌和产甲烷菌等多种还原性细菌共同作用。由于此类细菌体内的各种酶稳定性差,对较高的氧分压、硝酸盐浓度等比较敏感,因此,次生生物气形成条件较为苛刻[11]。Strapoc等认为除了以上两种生物气之外,还可能存在第3种微生物产气模式,即微生物可以利用多种含甲基/甲醇的基质产气,并且该模式在低成熟度有机质生气过程中非常重要[15]。煤层气在形成后会发生进一步演化,例如热成因湿气在一定条件下会受到微生物降解而变干[13]。

尽管煤层气的有机成因已经得到普遍认可,无机成因气也一直受到关注[6,8,16-17]。Glasby对无机成因气的Russian-Ukrainian理论和Thomas Gold深部成气理论进行了总结,认为自然界中甲烷等能够通过无机作用生成[8]。Lollar等认为无机成因气不一定是幔源的,在地壳浅层通过岩石化学反应也能生成,并建立了碳氢化合物无机成因模式[17]。Tao等在对淮南煤田煤层气成因研究时,也考虑到幔源气的影响,并评价了其在煤层气中的份额[18]。热成因气与生物成因气会发生混合之外,与煤层处于同一沉积岩系的相邻炭质泥岩、页岩也能产生甲烷等气体,这些气体会沿裂隙等构造运移,与煤层气混合,形成混合成因煤层气[14-15,19]。

由此可见,生气母质类型、演化过程及形成机理等是煤层气成因类型划分的重要依据,而掌握各成因类型煤层气的气体成分、同位素组成以及母质生物标志化合物等地球化学特征成为准确判别煤层气成因的关键(表1)。

表1 煤层气成因分类[7,20]Table 1 Classification scheme of different CBM genetic types[7,20]

2 气体组成与同位素地球化学特征

2.1 煤层气气体组成地球化学特征

煤层气组成差异很大,主要包含 CH4,重烃气(C2+),CO2,N2等[6,21-23],另外还含有一些微量组分: CO,H2S,He,Ar,Hg等。其中,CH4含量一般在50%以上,在浅部N2与CH4存在消长关系[22],反映了大气对煤层气的改造[18]。当然,有机质含氮化合物在细菌等降解作用下会形成内生氮气。目前关于煤层气中氮同位素研究较少,但一般认为,有机成因氮气同位素要偏轻。随着演化程度的提高,重烃组分(C2+)含量具有先变高再变低的规律,含量有时也可达20%,其中乙烷和丙烷较常见,其他组分较少[23]。一般随着碳数的增加和埋深变浅,煤层气中各烃类组分含量逐渐降低。对于热成因气,Berner等提出下列经验公式来标定热成因气中甲烷(C1)、乙烷(C2)和丙烷(C3)的相对体积含量[24]:

由于产气有机质类型多样、产气机理复杂和构造演化多变等原因,不同成因的煤层气,在气体组成上有明显差异。因此,可以通过分析气体组分特征,对煤层气成因进行初步的判别,具体的指标有C1/∑C1-5(vol,%),C1/(C2+C3)(vol,%),CDMI等,其中CDMI=φ(CO2)/[φ(CO2)+φ(CH4)]。

低煤级和高煤级阶段产生的煤层气一般是干气(C1/C1-5＞0.95),而中煤级阶段产生大量湿气[3](C1/C1-5≤0.95)。生物成因气和热裂解气都具有干气特征[1,18,25],由于次生生物作用或者湿气遭到氧化,浅部煤层气相对深部煤层气变干[6]。热成因气C1/(C2+C3)＜100,生物成因气C1/(C2+C3)＞1 000,而100＜C1/(C2+C3)＜1 000则是热成因气与生物成因气的混合[26-27]。C1/(C2+C3)与 δ13C(CH4)相结合,能有效地区分热成因湿气与生物成因干气[26,28]; Kotarba通过分析C1/(C2+C3)和δ13C(CH4)的变化特征,发现波兰Silesian Basin和Lublin Basin煤层气是形成于烟煤阶段的热成因气,并可能有生物成因气的混合[29]。

煤层中CO2含量变化很大,在特定条件下含量最高可达99%,但是其化学性质活泼,易溶于水[6]。当CO2浓度达到60%以上时,是无机成因的;而CO2浓度小于15%时,是有机成因的[30]。热降解干酪根或溶解有机质形成的煤层气不仅浓度变化很大,而且δ13C(CO2)偏轻,在-28‰～-10‰[3]。也有学者认为热成因气中CDMI不超过90%,裂解气更不会超过0.15%[7]。δ13C(CO2)组成重(有时达到18‰)、CO2浓度低、CDMI小于5%的煤层气是微生物降解所致; δ13C(CO2)组成轻(-5‰ ～-10‰)的煤层气,如果CO2浓度高,CDMI可达99%,可能是外部来源。Kotarba等在研究波兰Nowa Ruda盆地煤层气气体组成与同位素特征后,发现该盆地煤层气地球化学特征在时空分布上变化很大,并认为盆地北部CO2是幔源成因[31]。Clayton指出,CO2有多种来源,包括干酪根脱羧基反应、碳酸盐矿物热解反应、细菌分解有机质及地幔来源等[3]。因此,煤中CO2的无机成因,除了幔源以外,地壳岩石化学反应也是其含量异常的重要因素。

2.2 同位素地球化学特征

煤层气成因类型判别的过程中,CO2,CH4和C2H6等的δ13C,δD发挥了重要作用(图2)。稀有气体同位素3He/4He和地下水中δD,δ18O等也可常用于判别煤层气成因。Rice通过分析汇总,指出煤层气中甲烷的δ13C分布在-80.0‰～-16.8‰,δD在-333‰ ～-117‰,乙烷 δ13C分布在-32.9‰～-22.8‰,CO2的δ13C分布在-26.6‰～+18.6‰[6]。由于煤层气形成过程复杂,不同学者在利用甲烷δ13C,δD同位素组成界定成因类型不同的煤层气时,认识上有一些分歧[4,6-7,32]。

图2 不同成因类型煤层气δ13C-δD特征[11]Fig.2 Characteristic graph of δ13C-δD from different coalbed methane[11]

2.2.1 碳同位素

微生物降解有机质生气过程中会产生很大的同位素分馏,从而导致 δ13C(CH4),δD(CH4)偏轻[7](δ13C低于-55‰～-60‰)。也有学者认为生物成因气的δ13C(CH4)范围要更大,可以从低于-100‰到-39‰[32]。还有学者将生物气成因类型进一步细分,认为 CO2还原生物气的 δ13C(CH4)分布在-110‰～-65‰,醋酸发酵生物气的 δ13C(CH4)分布在-65‰～-50‰[6,33]。有机热成因气中,烃类化合物随着碳数的增加,碳同位素组成逐渐变重[33-34],即具有正碳同位素系列:δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4。如果某组分同位素值出现逆转,则可能是由于不同来源气体混合或者烷烃气全部/部分被细菌氧化。无机成因气轻烃组分C1-5一般为负碳同位素系列。

已有研究显示我国煤层气中甲烷的碳同位素组成普遍偏轻(表2),造成这一现象的原因[22,35]有:①解吸-扩散;②CH4和CO2同位素交换反应;③与次生生物气的混合;④地下水的溶解作用。然而,这一研究只局限于对甲烷δ13C变轻,没有结合甲烷氢同位素、乙烷碳氢同位素以及CO2碳同位素等的变化进行深入的探讨。秦胜飞等还指出,解吸-扩散作用会使得12CH4优先运移,因此这一过程会导致煤层解吸出的甲烷δ13C逐渐变重[35]。

煤层气乙烷的碳同位素在-32.9‰～-22.8‰,如果δ13C(C2H6)在-28‰～-24‰,而δ13C(CH4)又高于-55‰,则认为是热成因气与生物成因气的混合[6,18]。Whiticar等指出,由Ⅲ类干酪根产生的热成因气,甲烷与乙烷碳同位素具有相关性,即

表2 我国主要煤矿区煤层气δ13C(CH4)[22,36]Table 2 δ13C(CH4)of CBM in major coal mining area of China[22,36]

如果二者不具备上述相关性,则可能的原因是次生生物气混入、不同来源热成因气混合或者煤层气的微生物氧化分解[37]。

Berner等在Stahl的研究基础上,进一步对Ⅰ/Ⅱ型干酪根热解气甲烷、乙烷和丙烷碳同位素与母质成熟度Ro的相关性进行修正[24],即

关于煤层气中的CO2,戴金星等认为,有机成因其δ13C(CO2)要低于-10‰,无机成因的δ13C(CO2)要高于-8‰[30],地幔来源的 CO2其 δ13C(CO2)在-5‰ ～-9‰[8,38]。 有机质热降解成因 CO2的δ13C(CO2)在-25‰ ～-5‰,与次生生物气相关的CO2其δ13C(CO2)在-40‰～+20‰[39],原因在于微生物还原CO2产气过程中会产生较大的同位素分馏。煤层水中溶解无机碳δ13C(CO2)与生物成因甲烷δ13C(CH4)区别明显且有一定的规律性,Warwick等认为二者的分馏值在-65‰～-69‰[40]。

地质历史过程中构造作用复杂,煤层气普遍存在逸散和细菌氧化降解。考虑到煤体的非均质性,煤层气形成区域与氧化区域可能相邻很近[11]。细菌氧化降解甲烷速率比乙烷、丙烷快很多,因此会对其组分和同位素组成产生影响。实验室条件下,微生物氧化降解甲烷碳同位素分馏系数 εC在1.005～1.030。很显然,细菌氧化降解甲烷过程引起的碳同位素分馏较次生生物气形成过程要小,但这一变化仍很可能会影响到煤层气成因机理的判识。

2.2.2 氢同位素

煤层气δD(CH4)具有较大的分布区间,这是因为其除了受到热演化程度的影响,还受到水介质条件等因素的影响。Song认为 δD(CH4)在-415‰～-117‰,热成因气的δD不低于-250‰,其中裂解气δD不低于-200‰;次生生物成因气的δD一般位于-225‰ ±25‰[7]。CO2还原生物气 δD 分布在-250‰～-150‰,醋酸发酵生物气 δD 分布在-400‰～-250‰[6,39]。Strapoc指出,与碳同位素相似,随着碳数的增加,δD同位素组成也逐渐变重[34],即:δD(C1)＜δD(C2)＜δD(C3)＜δD(C4)。

细菌还原 CO2成因甲烷中 δD(CH4)与水中δD(H2O)存在相关性,该过程形成的甲烷中所有的氢都来自水,而当醋酸发酵生气过程中,甲烷分子只有1个氢来自水,由此将其归纳为2个半定量方程[39],即

至于两种机制所形成煤层气的相对份额可由下面的方程[32]进行计算:

式中,f代表醋酸发酵气所占的份额。

将δ13C(CH4),δD(CH4),δ13C(CO2),CDMI,Ro以及C1/(C2+C3)等指标结合起来,进行煤层气成因综合分析,可以区分单一指标下不同成因类型煤层气重叠的区间,提高区分效果[25,40]。佟莉等在研究淮北煤田芦岭煤矿煤层气成因过程中,结合δ13C(CH4), δD(CH4),以及产出水的δD(H2O),发现δD(CH4)～δD(H2O)完全符合细菌还原CO2生气的规律[36]。通过结合当地沉积埋藏史和上述地球化学指标,Kotarba等认为波兰Silesian Basin煤层气是在热成因气基础上,叠加了后期次生生物成因气[29]。目前,对煤层气成因的研究,已不是简单应用同位素等地化指标进行成因类型的定性研究,而是力图确定某一矿区不同成因类型的煤层气的相对比例[18,34]。

2.2.3 稀有气体同位素

虽然稀有气体含量在煤层气中所占比例很小,但是其携带了许多与煤层气成因、演化有关的地球化学信息,可以为煤层气成因类型判定提供重要依据。现阶段,对煤层气中稀有气体的研究主要体现在3He/4He等的一些初步研究上。

大气中3He/4He(简写为 Ra)为 1.4×10-6,壳源3He/4He为 2.0×10-8,幔源3He/4He为 1.1× 10-5[41]。不同环境中3He/4He同位素组成具有数量级上的差异,可以通过对煤层气中3He/4He组成的测定,判断煤层气是否有其他来源的气体混入。戴金星等对我国无机气藏进行汇总分析,认为与壳源成因气藏R/Ra＜1相比,幔源无机成因气藏 R/Ra＞1[30]。在San Juan Basin利用3He/4He进行煤层气成因研究过程中,Zhou等确认了幔源成因气的存在[16]。Tao等在淮南煤田进行不同成因煤层气定量研究过程中,通过3He/4He分析,对幔源气的份额进行了评价[18]。

3 煤层气形成机理研究进展

由于煤层气形成机理复杂,有机质类型和成熟度等的差异,许多问题通过同位素组成的分析仍不能有效解释[28,31]。此外,煤层气成因类型等问题的探讨,也不能仅仅局限在对煤层气本身进行研究,而要更加关注煤层气生成过程中煤岩的有机质组分演化特征和形成条件等方面的内容。例如,腐泥煤富氢,烃类组成以饱和烃为主,多环芳烃及含氧官能团较少,有机质在演化过程中主要形成液态烃,伴有一定量的气态烃产出,但重烃含量较高;腐殖煤相对富氧贫氢,饱和烃含量少,以形成气态烃为主,在成熟阶段形成的煤层气虽仍属湿气,但重烃含量要低于腐泥煤[20]。不同形成机制作用下,煤层气形成过程中气源母质的变化特征需要进一步研究。

3.1 生物标志化合物研究

有机质在热作用和微生物作用下产气具有不同的特征,分析产气母质生物标志化合物组成变化特点,可以进一步掌握煤层气形成演化特征,提高不同成因类型煤层气的机理认知[42-43]。反映产气母质成熟度和生物降解程度的指标主要有:饱和烃指标和芳香烃指标。有机质生物降解特征的研究在石油地质领域开展较深入,并建立了生物降解程度的化合物序列(图3)。

图3 不同程度的生物降解作用对典型化合物的影响[44]Fig.3 Removal of selected compound groups at various levels of biodegradation[44]

研究表明,生物标志化合物抗生物降解能力顺序为:正构烷烃＜类异戊二烯烷＜甾烷＜藿烷/重排/甾烷＜芳构化甾烷＜卟啉[42,44]。也有研究指出,虽然页岩与石油中有机质降解方式类似,煤系地层中情况却差别很大,主要表现在芳香烃降解速率比饱和烃快[42-46]。

3.1.1 饱和烃指标

在未遭受生物降解时,饱和烃中正构烷烃是其主要组分,但其最容易遭受微生物降解。正构烷烃在谱图上表现出在主峰碳数较高,且为单峰分布时,主要表明是热成熟作用引起,而表现出双峰分布时,则可能是生物降解作用的结果[42,45-46]。

碳优势指数(CPI/OEP):富含陆源物质的沉积岩系有机质中,其正构烷烃具有明显的奇碳优势即OEP/CPI＞1,且该参数与成熟度相关,随着成熟度和埋藏深度的增大,奇碳优势逐渐消失[42-43]。另外,煤岩有机质的生物降解作用,优先降解直链饱和烃,从而导致异构体成为其主要组分[25]。

姥/植比(Pr/Ph):在强还原条件下,植烷优势比较明显;在以成煤环境为代表的弱氧化环境下,则表现出强烈的姥鲛烷优势[47-48]。但是 Peters也指出,当Pr/Ph在0.8～2.5时,不能用于探讨古环境[48]。另外,Pr/nC17和Ph/nC18也是良好的成熟度指标,并可用于评价甲基侧链与直链饱和烃的生物降解程度。上述两个参数随成熟度的增加而变小,随降解程度的增加而增加[43-44,48]。

甾烷/萜烷指标:萜烷中藿烷系列一般认为是细菌来源,而甾烷能够很好地反映其母质类型。甾烷C2920S/20(R+S)、藿烷C3122S/22(R+S)和Ts/(Ts+ Tm)是反映有机质热演化过程的理想指标。较低的Ts/(Ts+Tm)不仅说明成熟度低,还可能是次生生物气生成的标志。藿烷抗生物降解能力很强,即使有机质发生降解,其也能够保留热成熟度信息[42]。甾烷抗生物降解能力的顺序为:ααα20R＜ααα20S＜αββ20R＜αββ20S＜重排甾烷[47]。甾烷和藿烷的生物降解程度受多种因素控制,如环境条件和生物降解类型,尤其是细菌的种类[44]。

3.1.2 芳香烃指标

Formolo等指出,在煤中菲和萘系列化合物的降解可以优先于烷烃,并且随埋藏深度的增加,其降解程度逐渐降低[42]。菲系列中,各化合物抗降解的先后顺序为TeMP＜P＜TrMP＜DMP≈MP。甲基菲指数能够很好地反映热演化成熟度。杂环、多环芳烃中,芴系列化合物与沉积环境相关,成煤环境中氧芴含量要高于芴含量。单芳甾烷深度受热后形成的三芳甾烷比其稳定。有研究表明,杂环烃类容易受到微生物降解,并产生大量生物气[15]。

Gao等研究认为,页岩和煤岩中有机质演化、生物降解程度差别很大,产气模式也有很大不同,与有机质类型和岩石孔隙结构等有密切关系[43]。Formolo等发现,无论是在未成熟阶段还是在热成熟阶段,煤中微生物降解产生煤层气的过程中,生物标志化合物的变化基本一致[42]。总体上,目前与煤层气形成有关的煤有机质降解特征研究开展较少,仅有的研究也借鉴石油天然气领域的成果。

3.2 水文地球化学及微生物研究

近几年,煤层气成因研究不断深入,研究对象也不仅仅局限在对煤层气气体组分及其同位素组成分析上,还开展了煤层气形成的物理化学条件的研究上,主要表现在与煤层气有关的地下水化学和微生物等方面的综合研究[9,13,15,49-53]。

McIntosh等分析了 Michigan盆地和 Forest City盆地地下水水化学组成及δD,δ18O同位素组成,发现了地表水对地下水的补给作用;通过建立Cl-Br-Na水化学模型、分析Ca/Mg和Ca/Sr当量比值与地下水碱度的变化规律,认为微生物降解有机质形成甲烷和二氧化碳是地下水水质变化的重要原因[49-50]。Aravena等研究发现加拿大Elk Valley地区地下水补给区具有DIC浓度低和δ13C(CO2)偏轻的特点,而排泄区则具有较高的DIC浓度和偏重的二氧化碳碳同位素组成,结合其他水化学参数,认为该地下水中CO2属于微生物成因,从补给区到排泄区δ13C(CO2)同位素组成变重,则进一步说明该地区煤层气是次生生物气[51]。Thielemann等在煤层气产出水中发现了活的甲烷菌的存在,并推测地下水及煤层中的甲烷可能是不久前形成的;在排除了二氧化碳还原作用产气和醋酸发酵产气之后,认为自然界可能存在厌氧甲烷菌降解坚硬煤体产气的新途径[9]。秦胜飞等指出,考虑到地质历史时期比较漫长,即使甲烷微溶于地下水,地下水的流动也会造成甲烷碳同位素分馏,正是这种累积效应导致了煤层气甲烷的碳同位素变轻[35]。

在扫描电子显微镜微米尺度上,煤体中产甲烷菌落的发现是生物气能够形成最为直接的证据[1,15]。最近,有学者尝试在实验室条件下把煤层中的地下水样品进行培养,采用16S rRNA基因检测技术对其中的细菌门类进行了鉴定[52]。Green等开展了煤中微生物产气的温度、pH值和煤颗粒大小等实验条件的探索[53],这将有助于煤制气研究,从而提高煤炭利用效率和延伸煤化工产业链。

4 存在的问题及发展趋势

作为煤层气地质学传统的研究内容,煤层气气体组分特征及其含量变化情况、同位素组成等地球化学特征能够很好地反映煤层气成因、运移和演化等过程。然而由于煤层气的生成涉及到产气母质、形成环境条件等多方面内容,不能仅仅局限在研究煤层气本身,需要将煤层气生成过程中煤岩有机分子(例如生物标志化合物)的变化特征及其同位素组成特征和煤层气气体组分的地球化学特征综合起来进行系统研究,并且还要考虑到煤层气生成过程中的环境条件等。结合目前煤层气地球化学研究多学科交叉的发展趋势,以下几个方面需要更加关注和加强研究:

(1)煤层气成因类型等问题的探讨,不能仅仅局限于煤层气本身的研究。在地质历史时期煤层气同位素分馏现象可能会使其缺乏可信度,需要结合其他手段进行煤层气成因类型综合判识。例如,在进行次生生物成因煤层气判识过程中,需要结合煤层气形成的环境条件等,分析地下水氧化还原条件和微生物活动的强度。

(2)以往研究过程中,多根据煤层气气体成分和同位素特征进行煤层气成因研究。然而,由于地质演化过程的复杂性,即使同一个含煤盆地也可能赋存多种成因类型的煤层气。不同成因类型煤层气形成运移特征和赋存规律的研究需要进一步加强。不同成因类型煤层气的资源前景需要科学评价。

(3)有机质演化过程中煤层气形成的作用机理研究,不仅是煤层气地质学的重要内容,还是煤化工和煤制气领域的重要课题,对提高煤炭利用率、延伸煤化工产业链和环境保护都至关重要。因此,深入研究煤岩有机质形成各成因类型煤层气的途径和理化条件,成为当前亟需解决的问题。

5 结 论

(1)地质演化过程中形成的不同成因类型的煤层气具有不同的成因机理、气体成分特征和δ13C(CH4),δD(CH4)和δ13C(CO2)等同位素组成差异,并且煤层气中的稀有气体也含有丰富的地球化学信息,这些地球化学特征对综合判识煤层气成因提供了很好的依据。

(2)除了煤层气本身的地球化学信息之外,不同煤层气形成机制下煤岩生物标志化合物表现出不同的降解特征,地下水化学组成的变化和微生物的活动对煤层气的形成和运移有重要影响。这些特征也为深入研究煤层气形成机制提供的新的思路。

(3)煤层气成因综合识别、复杂演化条件下不同成因类型煤层气的赋存特征、与煤制气相关的煤层气形成机制探索等将是今后关注的重点。

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Origin types of CBM and their geochemical research progress

JU Yi-wen1,2,LI Qing-guang1,2,YAN Zhi-feng1,2,SUN Ying1,2,BAO Yuan1,2
(1.Key Laboratory of Computational Geodynamics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.College of Earth Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Researches on the origin of Coalbed Methane(CBM)involve information mechanism,migration and dissipation,gas source rock properties and environmental factors.Besides,they have intimate relationships with basin evolution and resource assessment.From the view of geochemistry,the author analyzed the research achievements on CBM origin of this stage,summarized the geochemistry characteristics of different origins and pointed the problems and research directions.The authors consider that different genetic types not only have different characteristics in formation mechanism,but also have differences in gas composition and distribution of δ13C(CH4),δD(CH4)and δ13C(CO2).The noble gases can provide abundant geochemistry information in discrimination of different origin types.During the coalification and generation of CBM,saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon exert different degradation characteristics.Groundwater chemistry composition and microbial activity obviously influence the formation of CBM and its migration.Comprehensive recognition of CBM origin,the occurrence of different origin gas under complex evolution conditions and CBM formation mechanism research related to coal gasification are the most important research problems in the future.

煤炭科技规范名词与废弃名词比对(2)

P597.2;P618.11

A

0253-9993(2014)05-0806-010

琚宜文,李清光,颜志丰,等.煤层气成因类型及其地球化学研究进展[J].煤炭学报,2014,39(5):806-815.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0086

Ju Yiwen,Li Qingguang,Yan Zhifeng,et al.Origin types of CBM and their geochemical research progress[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):806-815.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0086

2014-01-17 责任编辑:韩晋平

中国科学院战略性先导科技专项资助项目(XDA05030100);国家科技重大专项资助项目(2011ZX05060-005);国家自然科学基金资助项目(41030422)

琚宜文(1963—),男,安徽桐城人,教授,博士生导师。E-mail:juyw03@163.com