煤系气是怎样形成的

许行行 傅雪海

近年来，“碳中和”三个字不断出现在大众视野。“中和”意为正负相抵，指排出的二氧化碳等温室气体以植树造林、节能减排等形式抵消。减少碳排放、缓解全球变暖一直是国际上的热点话题。2020年9月22日，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”

目前，国际上为缓解全球变暖均设定了碳中和目标，而减少碳排放最有效的办法还是要从根源上解决，即使用清洁能源。2020年，我国天然气消费量约为3259亿立方米，产量为1925亿立方米，对外依存度高达41%，这一趋势仍在逐年增长，亟需加大国内天然气勘探开发强度。煤系气作为一种以甲烷为主的非常规天然气，是一种清洁高效的能源，在工业、电力、民用等诸多方面具有广泛的用途。自从危害煤矿开采安全的瓦斯被人们成功开采之后，煤层气——煤系气的一种类型——产量逐年上升，2020年突破200亿立方米，其他类型的煤系气也陆续被人们发现、开采和利用。煤系气的开发对于增加新能源、减轻矿井灾害、改善生态环境都大有裨益。

什么是煤系气呢？弄清楚煤系气之前，需要了解什么是煤系。煤系是在一定地质历史时期形成的，含有煤层或煤线，并具有成因联系的一套沉积岩系，通常由煤层、泥页岩、致密砂岩以及灰岩相互组合而成。煤系气则泛指赋存在煤系中的各类天然气（煤矿开采涌入巷道的部分称为瓦斯），包括煤层气、煤系泥页岩气、煤系砂（灰）岩气。

煤系中煤层、泥页岩以及伴生的油页岩等层系，富含有机质，所以也被称为烃源岩。烃源岩经过一系列的生物化学、地球化学作用，在埋藏、构造、热演化等地质作用过程中产生大量的烃类气体。其中，赋存在煤层中的为煤层气，赋存在泥页岩层系中的为泥页岩气，赋存在致密砂岩、灰岩层中的为致密气。上述“三气”也被称为非常规天然气，以区别于常规天然气。所谓常规天然气，是指由常规油气藏开发出的天然气，也就是勘探实践发现的能够用传统的油气生成理论解释的天然气。

煤系气的形成要经历富有机质烃源岩的沉积过程，包括聚集有机质烃源岩和分散有机质烃源岩的沉积。

聚集有机质烃源岩主要是指煤层的沉积。在湿润的泥炭沼泽环境中大量出现和生长的高等植物为煤层的沉积奠定了物质基础。在漫长的地质历史时期，曾经出现过植物大爆发事件，在长年或周期性积水并充分湿润的沼泽环境中生长的高等植物死亡后，植物遗体被泥沙覆盖，在生物和化学作用下逐渐形成泥炭，然后埋藏于地下，在上覆地层压力和地热的作用下最终形成煤层或煤线，覆盖的泥沙也逐渐演变为泥页岩和砂岩。

分散有机质烃源岩的形成则与浮游生物有关。沼泽水体变深导致高等植物不能生长，但是沼泽中存在大量的浮游生物，这些浮游生物死亡后会沉积在深水泥岩中，再经过一系列的生物化学作用就形成了富分散有机质烃源岩。

煤层或煤线以及富含有机质的烃源岩为微生物的生长和繁衍提供了物质基础，在微生物的代谢和地热作用下分别产生了生物成因气和热成因气，并赋存在煤层、泥页岩、砂岩和灰岩中，形成了煤系气。

煤系气的形成过程复杂而漫长，简而言之可以分为两个阶段。第一阶段煤系埋深一般淺于1000米，这是一个适合微生物生长的环境，可以发生一系列由微生物控制的生物化学作用，它们吃着煤层或岩层中的有机物质并代谢释放出气体，由于此时埋深较浅，未被上覆岩层压实成岩，生成的气体量相对较少，故不易保存，往往在后期的地质历史演化过程中慢慢逸散了；第二阶段煤系埋深大于1000米，地层温度逐渐升高，微生物无法生存，温度的作用使煤系中的有机质发生热降解、热裂解转化作用，生成热成因气。热成因气占今天勘探开发的煤系气中的大部分。

煤系气与含煤地层的配置关系也是复杂多样。在煤层和富有机质泥页岩中“出生”的气，首先会在煤层、泥页岩中保存下来，形成煤层气和泥页岩气。这些层系中的气体饱和以后，多余的气体会沿着煤层、泥页岩中的孔隙和裂隙运移到砂岩层中。砂岩是一种主要以石英和长石等矿物组成的沉积岩层，孔隙十分发育，煤层和富有机质泥页岩中“出生”的气更易“钻”进去。当砂岩层在上覆地层的重力作用下，从疏松多孔变成致密少孔，“钻”进去的气再也“钻”不出来，此时储存在其中的气体就称为致密砂岩气。

泥页岩层比较特殊，它本身由富含有机质的沉积岩组成，与煤层不同的是它所含的有机质较煤层少，无机质所占的比例比煤层要大得多。所以跟煤层一样，它除了本身可以产生气体外，也可接收来自其他烃源岩层的气体。由于煤系中泥页岩层、砂岩层、煤层交替重复出现，于是产生了煤层气、泥页岩气、致密砂岩气等多种多样的组合类型。

煤系气在形成之后，会慢慢在地层中散失殆尽，能够保留至今的气体，缺少不了“封盖条件”。煤系气不仅可以通过一些渗透率很低的烃源岩层本身进行封盖，而且可以利用岩层中的气、水压力差或者地层中气体的浓度差进行封盖保存。

随着对煤系气资源的不断研究，人们对于煤系气的形成、聚集、保存以及成藏特征也有了更深一步的了解，为煤系气的采集和利用提供了坚实的基础。煤系气作为一种清洁能源，不仅能为我国经济建设提供能源支撑，而且也符合我国绿色能源的可持续发展战略。