阜康矿区煤层气成因探讨

郝慧丽，王海超，田继军，杨胜博，程晓茜

（1.新疆大学 中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；3.新疆大学 煤层气工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047）

新疆阜康矿区煤层气资源丰富，其中CSD-01井压裂后日产气量达17 125 m3，CS11X2井最高日产气量超20 000 m3，显示出良好的开发前景[1-2]。其陆相侏罗系含煤地层的地质特点和煤层赋存状况与我国石炭-二叠系近海相煤系相比有较大差异，煤层气成藏地质条件独特，煤层普遍具有倾角大、厚度大、埋深跨度大、层数多、煤化程度低等特点[3-6]。孙红明对阜康矿区水溶气的含量进行了计算，并发现水文地质条件对煤储层含气性起主要控制作用[7]；李月云从准南侏罗纪煤系地层的构造演化史出发，研究了急倾斜单斜构造对准南煤层气成藏的控制[8]；王建涛从储层物性和地质条件2方面对阜康矿区有利区进行了划分，其中地质条件包括地质构造、顶底板岩性、水文地质条件等[9]；张玉垚将阜康矿区与其他矿区的煤层气藏进行对比，发现火烧区滞水层对低阶煤储层煤层气富集带具有指示意义[10-11]。综上所述，前人在阜康矿区储层物性研究的基础上结合矿区各种地质条件对煤层气的成藏进行了系统研究，但针对阜康矿区煤层气成因的研究相对较少。因此，以准噶尔盆地南缘阜康矿区煤层气井排采气为研究对象，开展气体组分及甲烷碳同位素、乙烷碳同位素、二氧化碳碳同位素测试，旨在判别研究区煤层气的成因类型，并结合前人研究成果分析研究区独特的地质条件对煤层气成因的控制。研究成果有助于加深对煤层气运移聚集和保存条件的认识，对煤层气成藏规律分析和气藏储量评估具有积极意义。

1 地质背景

阜康矿区位于博格达北缘逆冲推覆体的山前断裂带上，属准噶尔盆地南缘，矿区西起阜康市，东至大黄山，南、北分别以妖魔山断裂和阜康断裂为边界。受海西、燕山和喜马拉雅等多期构造运动叠加影响，区内构造变形极为复杂，总体走向为向南凸出的弧形构造，受五工沟断裂和西沟断裂的控制，自西向东分为3段[3,12-13]。研究主要针对中段，其整体为一南倾的单斜含煤地层[9-10，14]。

研究区地层分布包括二叠系-第四系，且上二叠统-侏罗系发育较好，主要含煤地层为侏罗系八道湾组，主要含煤层段为此组下段，此段主力煤层有39#、41#、42#、44#等，煤层顶底板多为粉砂岩、泥岩，煤层倾角50°左右，煤层厚度在20.28～51.77 m之间，自东向西加厚，为急倾斜巨厚煤层[4]。受煤层自燃影响，于地表形成烧变岩带，在矿区北部呈带状分布。阜康矿区内气候干燥、大气降水少，矿区内河流均是博格达山冰川融水以及雨水、泉水混合形成，主要河流有水磨沟河、三工河、四工河、白杨河、西沟河、黄山河等，且以白杨河的流量最大[9]，河流受地貌影响从南至北流经矿区，通过地层构造、烧变岩裂隙和风氧化带补给矿区地下水，以上地质环境特征对研究区煤层气的成因具有一定控制作用[7]。阜康矿区含煤地层综合柱状图如图1。

图1 阜康矿区含煤地层综合柱状图[4]Fig.1 Comprehensive column chart of coal bearing strata in Fukang Mining Area[4]

2 样品采集与测试

研究采集了阜康矿区煤层气井排采气10组，利用排水集气法在井口收集、玻璃瓶水封保存气体。井位从左至右编号为1～10号（并以此编号作为从各井所采集样品的编号），其中仅10号煤层气井为单煤层排采井（采集42#煤层），其余1～9号煤层气井均为多煤层排采井，且产气层位均为39#、41#和42#主力煤层，埋藏深度为741～1 238 m。

煤层气组分和碳同位素测试在中国科学院油气资源研究重点实验室（兰州）完成。煤层气组分采用MAT-271气体质谱仪测定，测试条件为电子轰击型电子源、离子源温度95℃、电子能量86 eV、发射电流40μA，测试精度为±1%。煤层气碳同位素通过“GC-TC-IRMS”分析系统测定，仪器包括Agilent 6890气相色谱仪和Delta plus XP同位素质谱仪：气相色谱仪测试条件为进样口分流比3∶1，以氦气（纯度≥99.999%）为载气、载气流速5 mL/min；同位素质谱仪测试条件为电子能量120 eV、发射电流1.5 mA、氧化反应温度920℃，测试精度为±（0.1～0.5）‰，测试标准为国际PDB（Pee Dee Belemnite）标准。

3 实验结果

3.1 煤层气组分特征

不同地区、不同变质程度煤层气的成分差异显著，主要以CH4、CO2、N2、C2+（重烃气）为主，此外还有微量的H2S、CO、He、Ar、Hg等[15-17]。研究区煤层气以CH4为主，体积分数介于73.07%～89.24%，平均为81.79%；CO2次之，体积分数介于7.59%～0.68%，平均为14.36%；N2体积分数介于1.03%～4.51%，平均为2.28%；C2+体积分数介于0.20%～1.71%，平均为0.99%。

研究区煤层气中的CO2和N2的体积分数随CH4体积分数增大呈现减小的趋势，且CO2体积分数减小的速率远大于N2体积分数减小的速率；C2+的体积分数较小，随CH4体积分数的增大无显著变化。煤储层的吸附空间有限，其中CH4占据了大部分吸附空间，因此当CH4体积分数增加时，其他组分的比例便会随之减小，从而造成CH4体积分数与CO2体积分数、N2体积分数的负相关关系。C2+的体积分数与煤变质程度有关，低阶煤中C2+浓度较低，但C2+的吸附性极强，因此C2+的体积分数极小且基本不受其他组分体积分数变化的影响。阜康矿区煤层气中CO2、N2、C2+与CH4之间的体积分数关系如图2。

图2 阜康矿区煤层气中CO2、N2、C2+与CH 4之间的体积分数关系Fig.2 Relationship between contents of CO2、N2、C2+and CH 4 in Fukang Mining Area

阜康矿区煤层气组分与埋深的关系如图3。研究区煤层气中CH4的体积分数与埋深呈负相关；CO2的体积分数与埋深呈正相关；N2和C2+的含量较低，随埋深增大无明显改变。一般来说，埋深越大，CH4含量越高、CO2含量越低[18]，但当煤储层中发生次生生物作用时可能影响煤层气的组分[19]。研究表明次生生物气的形成能够提升煤层气中甲烷的体积分数[7]，故而推测研究区内可能存在次生生物作用，且次生生物作用一般发生在浅层，导致浅层煤层气的甲烷体积分数比深层更大，解释了上述异常。

图3 阜康矿区煤层气组分与埋深的关系Fig.3 Relationship between CBM component content and buried depth in Fukang Mining Area

3.2 煤层气成因

煤层气组分和同位素组成等地球化学特征是进行煤层气成因类型判别的重要依据[16,19-20]。煤层气成因类型的划分多借鉴天然气成因类型的分类方案，一般分为3大类：有机成因气、无机成因气以及混合成因气，其中有机成因气主要包括生物成因气和热成因气2类，生物成因气分为原生生物气和次生生物气[21-23]，热成因气分为热降解气和热裂解气，无机成因气包括幔源气和岩石化学反应气[16]。

设：φ（CH4）、φ（C2H6）、φ（C3H）、…、φ（CiHj）和φ（CO2）分别为CH4、C2H6、C3H8、…、CiHj和CO2的体积分数；C1为烷碳同位素；C2乙烷碳同位素；C3乙烷碳同位素；…；Ci为烷烃碳同位素。从煤层气组分和甲烷碳同位素、乙烷碳同位素、二氧化碳碳同位素特征出发，对研究区的煤层气成因类型进行判别。

3.2.1 基于煤层气组分的成因分析

煤层气中CO2体积分数小于15%时多为有机成因，大于等于60%时为无机成因[24]。研究所测试的所有煤层气样品的CO2体积分数均远小于60%，且在15%左右，属于有机成因。热成因气的CDMI不超过90%，裂解气不超过0.15%，当CDMI小于5%时属于生物成因气，当CDMI大于99%时可能存在外部来源气体即无机成因气[25]。所有测试样品的CDMI分布在5%～90%内，以热成因气为主。样品1、样品7～样品10的C1/（C2＋C3）＜100，属于热成因降解气，其他样品的C1/（C2＋C3）介于100～1 000之间，在混合成因气范围内[26-27]。中低煤阶（最大镜质组反射率Ro,max=0.6%～1.8%）的煤经热成因作用生成的煤层气重烃组分含量较高（湿气）[28]，研究区煤样最大镜质组反射率主要介于0.60%～1.00%，处于上述的大量产生湿气的阶段，但测试结果表明研究区所有样品C1/C1-5均大于0.95，为干气，其中大于0.99的样品数量占1/2，为特干气[29]，生物成因气和热裂解气都具有干气特征，而热裂解气主要产生于Ro,max＞2.0%的高阶煤[16]。初步推断研究区煤层气处于热成因降解生气阶段，且存在生物成因气，研究区煤层气属于混合成因气。

3.2.2 基于甲烷碳同位素特征的成因分析

研究区煤层气甲烷碳同位素值（δ13C1）分布较为集中，介于-58‰～-49‰，平均值为-53‰，阜康矿区煤层气的甲烷碳同位素分布如图4。热成因煤层气演化过程中主要生气阶段为Ro，max=0.6%～4.0%[16，23]，研究区已进入热演化的生气阶段。当δ13C1＜-55‰时，煤层气为生物成因气；当δ13C1＞-55‰时，煤层气为热成因气；当-60‰<δ13C1＜-55‰时，煤层气可能是混合成因气[21-22,30]。所测试的大部分样品δ13C1>-55‰，属于热成因气，符合研究区煤岩所处的热演化阶段；样品6和样品8的δ13C1分布在-60‰～-55‰之间，属于混合成因气。一些学者将生物成因气进一步细分为CO2还原生物气（CO2+4H2→CH4+2H2O）和醋酸发酵生物气（CH3COOH→CH4+CO2）[19]，前者-110‰<δ13C1＜-65‰、后者-65‰<δ13C1＜-50‰[23,31]。研究的所有样品δ13C1的测试结果均在-65‰～-50‰范围内，属于醋酸发酵生物气。上述分析表明研究区煤层气属于混合成因气，混入热成因气中的生物成因气主要为醋酸发酵生成的次生生物气。

图4 阜康矿区煤层气的甲烷碳同位素分布（部分数据引自文献[18，29]）Fig.4 The methane carbon isotope distribution of CBM in Fukang Mining Area[18,29]

3.2.3 基于乙烷碳同位素特征的成因分析

阜康矿区煤层气δ13C1和δ13C2的关系如图5。

图5 阜康矿区煤层气δ13C1和δ13C2的关系Fig.5 Correlation betweenδ13C1 andδ13C2 of CBM in Fukang Mining Area

研究区煤层气的乙烷碳同位素值δ13C2）分布范围为-32.2‰～-23.1‰，平均值为-28.1‰。煤岩若为Ⅲ型干酪根，其产生的热成因气甲烷碳同位素（δ13C1）和乙烷碳同位素（δ13C2）应满足δ13C1=0.91δ13C2-7.7‰的关系，若存在次生生物气混入、不同来源热成因气混合或者微生物氧化分解煤层气等情况，则δ13C1和δ13C2之间不具备这种相关性[32]。对研究区煤层气δ13C1和δ13C2的相关性进行分析，结果显示δ13C2和δ13C2之间不符合上述关系。

阜康矿区煤层气Bernard成因判别如图6。由图6可知，研究区大部分煤层气样品落在混合成因气区域内，且有一部分样品分布在混合成因气和次生热成因气的分界线上，表明可能由于地层抬升、煤层压力减小，煤层气发生解吸-扩散-运移效应，同时抬升后的煤层有微生物进入，受微生物氧化作用生成次生生物气混入热成因气形成混合成因气[20]，基于研究区煤层气气体组分的成因分析已知，这种热成因气属于热成因降解气，因此δ13C1和δ13C2的关系是由于微生物进入煤储层中分解有机质生成的次生生物气混入热成因气造成的。

图6 阜康矿区煤层气Bernard成因判别（底图引自文献[33]）Fig.6 Bernard diagram for classifying genetic type of CBM in Fukang Mining Area[33]

3.2.4 基于二氧化碳碳同位素特征的成因分析

研究区煤层气中二氧化碳的碳同位素值δ13C（CO2）分布范围为+8.5‰～+14.2‰、平均值为+12.9‰，样品少数分布在生物成因区域内，多数分布在混合成因区域内，表明了研究区煤层气的混合成因。阜康煤矿煤层气δ13C（CO2）和δ13C1的关系如图7。

图7 阜康煤矿煤层气δ13C（CO2）和δ13C1的关系（底图引自文献[34]）Fig.7 Relationship betweenδ13C（CO2）andδ13C1 of CBM in Fukang mining area[34]

前人研究表明，若煤层气中的CO2由腐殖质热降解产生，其δ13C（CO2）多分布在-25‰～-5‰[33]；与次生生物气相关的CO2，其碳同位素值分布范围为碳的碳同位素值δ13C（CO2）分布在上述与次生生物气相关的范围内。阜康矿区煤层气δ13C1和δ13C（CO2）的分布特征如图8。由图8可以发现，研究区的CH4和CO2的碳同位素分布范围全部包含在醋酸根发酵成因的分布范围内；利用CDMI值和δ13C（CO2）绘制研究区煤层气CO2成因分类图也显示样品全部落在微生物生成甲烷的伴生CO2区域内，阜康矿区煤层气δ13C（CO2）和CDMI的关系如图9。以上分析表明，研究区煤层气中的二氧化碳主要是微生物引起醋酸发酵形成次生生物气时甲烷的伴生产物。

图8 阜康矿区煤层气δ13C1和δ13C（CO2）的分布特征（底图引自文献[19，36]）Fig.8 Distribution characteristics ofδ13C1 andδ13C（CO2）of CBM in Fukang Mining Area[19,36]

图9 阜康矿区煤层气δ13C（CO2）和CDMI的关系（底图引自文献[35]）Fig.9 Relationship betweenδ13C（CO2）and CDMI of CBM in Fukang Mining Area[35]

综上所述，二氧化碳碳同位素分布特征指示了阜康矿区煤层气为次生生物气与热成因气的混合气，与上文根据煤层气气体组分、甲烷碳同位素特征、乙烷碳同位素特征的判别结果一致。研究区混合成因气中热成因气为热降解成因，而次生生物气是醋酸发酵形成的产物，是微生物作用于已经形成的湿气、正烷烃和其他有机化合物降解、代谢所生成的。

3.2.5 基于地质条件的综合分析

阜康矿区特殊的地质环境对其煤层气成因类型具有明显的控制作用，阜康矿区单斜构造的煤层气成因示意图如图10。

图10 阜康矿区单斜构造的煤层气成因示意图[11]Fig.10 Schematic diagram of the origin of CBM about the monoclinic structure in Fukang Mining Area[11]

新疆侏罗纪含煤地层受燕山、喜山构造运动抬升作用，矿区中段的原有构造受逆冲推覆构造运动的强烈破坏，向斜只剩一翼，成为倾角极大的单斜构造[3]，致使煤层一端到达浅部甚至出露地表，浅部煤层遭受剥蚀、风化、自燃形成火烧区，这种不对称的单斜煤层在经历剥蚀作用后再次沉降，被第四系松散沉积所覆盖、风化作用减弱，且由于急倾斜煤层的特殊构造，火烧区的形成规模得到控制[8,37-38]。自燃后的煤层质地松散、或存在被胶结的现象，其透水性很强，受煤层自燃烘烤的围岩含水量大幅度降低，形成孔、裂隙发育的烧变岩[39]。孔、裂隙发育的火烧区和急倾斜煤层有利于产甲烷菌等微生物随大气降水和地表径流沿煤层倾斜方向或平行于裂隙方向渗透到煤储层中，使由于热成因作用已经形成的湿气、正烷烃和其他有机化合物降解、代谢成甲烷和二氧化碳，即产生次生生物气[18-19]。

研究区煤储层正处于热演化的生气阶段，产生的热成因气沿单斜构造形成的急倾斜煤层由深部高压区向浅部低压区运移，早期形成的热成因煤层气顺煤层发生部分逸散，此时煤储层含气量通过新生成的次生生物气得到补给，并于风氧化带下形成混合成因气。单斜构造有益于地表水与地下水沟通，为次生生物作用提供产甲烷菌来源，次生生物气的存在能够提高煤层气含量与产能，含有次生生物气的地区具有显著的资源潜力，如澳大利亚波恩盆地、美国粉河盆地等[40]，是以研究区的单斜构造为次生生物气的生成提供了基础条件。次生生物气的生成有赖于产甲烷菌等微生物的作用，而地下水作为产甲烷菌的载体，其温度、酸碱度、矿化度均对产甲烷菌具有重要作用。产甲烷菌是一种专性厌氧菌，生存温度不超过75℃、在中性或碱性条件下易失去活性、且最易于其生存的水体矿化度小于4 000 mg/L。而研究区地下水环境较为适宜，能够为产甲烷菌提供了稳定的生存空间，从而间接了控制次生生物气的补给[19,41]：阜康矿区地温普遍小于60℃[42]；煤层中BSR活动普遍，易生成H2S气体，H2S溶于水后形成的H2S水溶液呈现明显的酸性和还原性，使地下水环境偏酸性；且研究区内地下水矿化度较低（<4 000 mg/L）[43]，以上因素均有利于产甲烷菌的生存[44-45]。此外，地下水径流方向与煤层气顺层运移方向相反，具有水力封堵控气作用[46]；相对封闭、水径流活动较弱的地下水环境，在火烧区内形成滞水层，并通过火烧区通道接受地表径流和大气降水的补充；煤层顶底板岩性致密，具有良好的盖层效果，与火烧区滞水层一同对煤层气藏进行有效圈闭，使煤储层内所产生的混合成因气在这种圈闭条件下得以保存[11,47-49]。

4 结论

1）阜康矿区煤层气以甲烷为主要成分，平均体积分数为81.79%，其余成分含量从大到小依次为二氧化碳（14.36%）、氮气（2.28%）和重烃气体组分（0.99%）。煤层气甲烷碳同位素值（δ13C1）的分布范围为-58‰～-49‰，平均值为-53‰，分布范围较为集中；乙烷碳同位素值（δ13C2）分布范围为-32.2‰～-23.1‰，平均值为-28.1‰；二氧化碳的碳同位素值δ13C（CO2）分布范围为+8.5‰～+14.2‰，平均值为+12.9‰。

2）阜康矿区煤层气为次生生物气与热成因气的混合气，其中热成因气为热降解成因，次生生物气主要是醋酸发酵形成的产物，是微生物作用于已经形成的湿气、正烷烃和其他有机化合物降解、代谢所生成的。

3）阜康矿区特殊的地质环境对其煤层气成因类型具有明显的控制作用。火烧区和急倾斜煤层为微生物提供了通道，微生物可以随大气降水和地表水进入到煤层中通过降解醋酸产生次生生物气，次生生物气与低煤阶热成熟阶段产生的热成因气混合形成混合成因气，地下水渗流方向与煤层气运移方向相反具有水力封堵控气作用，温度适宜、偏酸性且矿化度较低的地下水环境为微生物提供了生存环境；同时火烧区滞水层与煤层顶底板一同对煤层气藏进行了有效圈闭，保证了混合成因气的储存。