大宁-吉县地区煤层气成因分析

牟 宣 王 科 姚晓莉

(1.中国矿业大学，北京 100083；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028)

大宁-吉县地区煤层气成因分析

牟 宣1，2王 科2姚晓莉1

(1.中国矿业大学，北京 100083；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028)

本文通过大量调查国内外煤层气成因的相关资料，陈述了煤层气成因类型及煤层气在不同成因阶段的特征，总结了前人在煤层气成因方面的研究方法。同时通过对大宁-吉县区块5号、8号煤层气体成分、热成熟度以及甲烷碳同位素等的研究，结合大宁-吉县区块的构造特征、水文地质条件等分析了大宁-吉县区块煤层气的成因类型。

煤层气成因 热成因气 甲烷碳同位素 气体成分

1 区域地质概况

大宁-吉县地区位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带南端，是二叠含煤层系的主要分布区，同时也是煤层气勘探开发的有利目标区之一。大宁-吉县地区地层以元古界地层为基底，之上形成了寒武系霍山组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组，奥陶系冶里组、亮甲山组、马家沟组，石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组以及第四系黄土沉积。研究区内可采煤层为太原组8号煤层和山西组5号煤层，也是煤层气开发的主要对象。

大宁-吉县区块整体上为一个西倾的单斜构造。区内煤层埋深在800m以深，从东向西逐渐增大。大宁-吉县被薛关-曹井断裂带分为东西两带，断裂带西部由于牵引作用在断裂带的上部形成了一北东-南西向展布的长轴背斜构造，构造幅度达到80～120m。背斜构造的西翼地层倾角相对较缓，而靠近断裂的东翼地层倾角相对较陡。

2 煤层气成因类型

根据煤层气的成因，煤层气主要可以分为生物成因气和热解气。而生物成因气又可以分为原生成因气和次生成因气(表1)。

表1 生物成因和热成因煤层气产生的阶段

原生成因气是在有机质沉积后埋藏较浅的时候低温条件下(一般小于56℃)在生物的催化下生成的甲烷气。其主要特征是镜质体反射率小于0.3%，甲烷同位素比较小，一般小于-55‰，甲烷含量高(一般在98%以上)，重烃含量低(一般小于2%)，有时可能含有少量的不饱和烃以及少量的CO2和N2。

次生成因气是煤层后期发生抬升，在微生物的作用下将CO2还原成甲烷或由醋酸、甲醇、甲胺等发酵生成甲烷气。微生物通过位于补给区的露头由大气降带入地层，在低温条件下(<56℃)代谢主要生成甲烷和二氧化碳。次生成因气成分同样是以甲烷为主，重烃含量极低，二氧化碳含量一般小于5%。甲烷碳同位素绝大多数小于-55‰。一般在镜质体反射率为0.3%～1.50%之间生成。次生成因气的生成和保存需要以下条件：(1)煤级为褐煤或以上；(2)所在区域发生过隆升；(3)煤层有适宜的渗透率；(4)沿盆地边缘有水回灌到煤层中；(5)有细菌运移到煤层中；(6)有较高的储层压力和能存大量气体的圈闭条件。

当Ro大于0.6后，随着煤层埋藏深度逐渐变深，温度大于56℃时由干酪根分解形成甲烷气。热解早期含有较多的乙烷、丙烷及其他湿气成分。湿气生成阶段(Ro为0.6%～0.8%)产生的煤层气干燥系数低于0.8。乙烷的含量可能超过11%。碳同位素大于-55‰。随着温度和深度的继续增加，当Ro大于1.2%后，热成因甲烷气大量生成，碳同位素含量逐渐增加。当镜质体反射率大于2%后，煤层中的液态烃发生裂解，生成大量的干气，而湿气成分也逐渐减小。

3 大宁-吉县地区煤层气地质特征

煤层气组分和碳同位素组成与取样条件密切相关。如果取样条件有差别(井口采样和解析气)，即使是同一口井测得的煤层气组分和甲烷碳同位素值数据变化也较大。本次研究主要采用解吸取样。

3.1 煤层演化程度

有机质演化总体表现为随有机质埋深的增大而增大。大宁-吉县区块煤层埋深自东向西逐渐加深，因此大宁-吉县区块5号和8号煤层热成熟度也是从东向西逐渐增大(见图1和图2)。同时，埋藏较浅的5号煤层的有机质成熟度也较埋藏较深的8号煤层大。

成熟度是判断煤层气成因的一个重要指标。一般情况下，生物成因气的镜质体反射率小于0.3%。当镜质体反射率大于0.6%时进入热成因气。从表2中可以看出大宁-吉县地区5号煤层成熟度分布在1.372%～3.030%，平均2.013%；8号煤层成熟度分布在1.590%～3.165%，平均2.267%；研究区煤层主要为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤三号，处于高变质阶段，因此从煤层气演化程度上分析，大宁-吉县煤层已经进入了过成熟阶段，煤层已经基本停止了生烃(见图1)。现今煤层气是在地质历史上以热成因的方式形成后，在后期构造和水文的影响下发生运移形成了如今的煤层气格局。

图1 煤化作用阶段及气体生成

3.2 大宁-吉县区块气体成分特征

3.2.1 5号煤层

区块5号煤层气体成分主要以甲烷为主，含量在93.89%～99.27%，含量高。5号煤层整体上最大值和最小值之间的跨度不大。整体呈西北东南大中间小的趋势。仅在山口附近和吉C附近甲烷含量小于96%。乙烷等重烃含量比较小，范围在0.03%～1.00%内变化，平均含量为0.156%，干湿指数C1/C1+大于0.99，为典型的干气。含有少量二氧化碳、氢气、氮气等非烃成分。在非烃组分中，氮气的体积分数相对较高，可能是由于空气中氮气混入所致。氮气含量跟甲烷含量存在此消彼长的负相关性(见图2和图3)，显示富含氮气的地层水渗入煤层，有可能生成次生生物成因气。考虑到研究区煤层热演化程度相对较高，以腐植型煤为主，具有这种气体组分特征的煤层气可能是热成因气或者为次生成因(具体气体成分含量见表3)。

图2 5号煤层CH4与N2含量的关系

3.2.2 8号煤层

图3 8号煤层CH4与N2含量的关系

区块8号煤层气成分同5号煤层相似。成分还是以甲烷为主，但是甲烷含量明显比5号煤小，其他气体成分均比5号煤层大(气体具体成分含量见表3)，可能与沉积有机质的生煤母质有关。同时，8号煤层甲烷含量的跨度比较大，变化范围为55.138%～98.47%。重烃含量含量比较低(平均为0.195%)，也属于典型的干气。8号煤层在区块东南部出现剧烈降低的趋势，如吉H井的甲烷含量为55.14‰，但镜质体反射率确达到了1.778%，同时氮气含量达到了55.14%，说明该地区处于氧化带。

考虑到研究区煤层热演化程度相对较高，其Ro值为1.3%～3.2%，以腐植型煤为主，具有这种气体组分特征的煤层气可能为热成因气或者是次生成因。

表2 大宁-吉县区块甲烷碳同位素和成熟度

表3 大宁-吉县区块煤层气气体成分及含量

3.3 碳同位素特征

5号和8号煤层甲烷的稳定碳同位素均从区块东部向西部呈增大的趋势(见表2)，其原因是研究区整体为一西倾的单斜构造，区块东缘为供水区，向西水动力条件逐渐减小，水动力强的的地层能带来更多的甲烷菌而使甲烷菌生气作用相对强烈，最终导致甲烷碳同位素含量向西逐渐增大。

研究区5号和8号煤层的甲烷碳同位素相差不大，均大于-55‰。由表2可以看出5号煤甲烷碳同位素均值为-40.534‰，变化范围是-29.55‰～-56.07‰。而8号煤甲烷碳同位素平均值为-41.88‰，变化范围为-27.43‰～-72.35 ‰。并且随着成熟度的增加，碳同位素也逐渐加重。由于生物成因气的甲烷碳同位素值均小于-55‰，因此从区块内煤层甲烷碳同位素特征可以确定研究区煤层气成因为热成因气。

然而根据甲烷碳同位素和C1/C2+C3的交汇图来看，大宁-吉县区块煤层气成因为扩散运移分馏，即该区煤层气为次生成因气(见图4和图5)。由于大宁-吉县区块在燕山运动的影响下发生过地层隆升，受到地表的剥蚀，然后沉降。同时，区块内地层总体为一西倾的单斜，在东部抬头地区发生了裸露。这些地质条件均为次生成因气形成的优越环境。由该区的地质演化可以看出该区煤层气受过后期改造，发生了解吸-扩散-运移形成的。

图4 5号煤层煤层气成因交汇图

图5 8号煤层煤层气成因交汇图

综上所述，大宁-吉县区块煤层气成因为次生成因气与热成因气的混合类型。该区在石炭世在燕山运动的影响下发生快速沉降，沉积形成了二叠系太原组8号煤层和山西组5号煤层；到侏罗世早期盆地又发生抬升，接受了地面的剥蚀；早侏罗世晚期地壳又发生沉降，埋深和温度的逐渐升高，煤层也逐渐开始生气，随着热成熟度的逐渐增大，热成因气的生成先增大后减小，到现今，煤层热成熟度达到2%左右，煤层基本已经停止了甲烷气的生成。从晚侏罗世到现今盆地的沉积作用已经停止，持续缓慢上升。在此过程中，由于该区位一向西倾的单斜构造，东边地区水动力比较强，因此从东部边缘有流水灌入到煤层中，对盆地形成的热成因甲烷进行了解吸-扩散-运移等改造。

4 结论

本文通过分析大宁—吉县区块煤层气成因，主要得到一下结论：

(1)大宁—吉县区块煤层气成分主要为甲烷，含有极少量的重烃和非烃气体；甲烷碳同位素均值为-41‰左右；煤岩热成熟度平均大于2%，综合分析该区煤层气主要为次生成因气与热成因气的混合气。

(2)大宁-吉县地区煤层气有机质成熟度已经达到了无烟煤三号，煤层已经基本停止了生气，生成的热成因气是经过后期改造而成。

(3)区块东南部(吉H附近)甲烷含量急剧减小，氮气含量达到了55.14%，判断其为氧化带。

(4)区内水动力条件从东往西逐渐减弱，在水动力条件的影响，甲烷碳同位素含量自东向西呈增大趋势。

(5)由于本区整体为一个西倾的单斜构造，煤层埋深向西逐渐加深，所以区块内煤层演化程度也呈西高东低的趋势。

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[4] 宋岩,张新民,柳少波等.中国煤层气地质理论研究进展[C].//第四届中国石油地质年会论文集.2011:16-17.

(责任编辑 韩甲业)

Genesis Analysis of CBM in Daning-Jixian Region

MOU Xuan1,2, WANG Ke2, YAO Xiaoli1

(1. China University of Mining and Technology, Beijing 100083; 2. PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028)

The paper introduces the types of CBM genesis and the characteristics of CBM in difference genesis stages, and summarizes the research methods related to the genesis of CBM, based on the investigation of relevant materials at home and abroad. By studying on the gas component, thermal maturity and methane carbon isotope in No.5 and No.8 coal seams of Daning-Wuxian Region, and combining with the structure characteristics and hydrogeology conditions in this region, it analyzes the types of CBM genesis in Daning-Wuxian Region.

Genesis of CBM; thermogenic gas; methane carbon isotope; gas component

牟宣，在职研究生，助理工程师，研究方向为煤层气地质工程与信息管理。