煤层气成因类型及其地球化学研究进展

　　摘要: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。

　　关键词:煤层气;成因类型;同位素;生物标志化合物;地下水化学

　　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]。

　　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]。

　　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]:φ(C1)=9．1lnRo+93．1808第5期琚宜文等:煤层气成因类型及其地球化学研究进展φ(C2)=-6．3lnRo+4．8φ(C3)=-2．9lnRo+1．9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)]。

　　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。

　　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。

　　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：

　　参考文献:

　　[1]MooreTA.Coalbedmethane:Areview[J].InternationalJournalofCoalGeology,2012,101:36-81.

　　[2]FloresRM.Coalbedmethane:Fromhazardtoresource

　　[J].Interna-tionalJournalofCoalGeology,1998,35:3-26.[3]ClaytonJL.Geochemistryofcoalbedgas-Areview[J].InternationalJournalofCoalGeology,1998,35(1):159-173.

　　[4]RightmireCT,EddyGE,KirrN.CoalbedmethaneresourcesoftheUnitedStates[J].AAPGStudiesinGeologySeries17,1984,17:1-14.

　　琚宜文1,2,李清光1,2,颜志丰1,2,孙盈1,2,鲍园1,2

　　

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