煤及煤的形成的成因分类

中国的煤岩煤质特征，在不同地区、不同时代的煤之间存在着明显的差别。这是由于古地理、古气候、古构造、古植物条件不同，以及地球化学条件和煤化作用有所差异造成的。早古生代没有陆生高等植物生长，但是在广阔的浅海中，特别是在边缘近岸浅海内，藻类等低等生物大量繁殖，为形成早古生代煤提供了充分的原料。中国早古生代的煤统称石煤，以高灰、高硫、低碳、低发热量为特点，主要分布在湖北西部、陕南实康、浙江余杭及常山、湖南常德及汉寿等地，聚煤时代以寒武纪、志留纪为主，某些地区有震旦纪和奥陶纪石煤分布(如浙江余杭、常山，湖南常德等)。早古生代煤变质程度高，普通达到无烟煤阶段。其灰分和硫含量高，发热量低。按照灰分和发热量的高低，早古生代石煤基本上分成劣质腐泥无烟煤和优质腐泥无烟煤两类。其次，劣质腐泥无烟煤灰分高达40%～90%，发热量低，多为炭质泥岩和炭质板岩，优质腐泥无烟煤，灰分一般小于20%～40%，发热量高达16.75～25.12kJ/g，少数可达29.31kJ/g。早古生代煤中有机组分以均一基质为主，颜色和色调呈均匀状，异向光性明显。早古生代煤中矿物质含量高达30%～75%，成分以石英、黏土矿物和方解石为主，少量黄铁矿矿物呈微粒状与有机质均匀混合。晚古生代的煤主要生成于陆表海盆内较平坦的滨海地区，经历了最长久的煤化作用时期，加之地壳早期海水中含电解质较多，凝胶化作用显著，因此显微组分中镜质组一般大于60%。灰分的高低则决定于距陆源区的远近，愈近大陆，灰分愈明显增加(如北方石炭二叠纪煤靠近阴山古陆，南方晚二叠世煤靠近康滇古陆的部分)，而灰分(和硫分)相对较低的煤通常总是与冲积体系向三角洲体系过渡或向碎屑海岸体系过渡的部位有关，或与上、下三角洲平原过渡带的沉积组合共生。晚古生代沉积物以富铝为特点，古煤岩系中常有铝质黏土赋存，因此在灰分中，Al2O3常大于20%在煤的无机矿物中，黏土类通常占很大比重，因此灰熔点常大于1250℃，并且也使煤变得难以洗选。晚古生代煤的硫分以中富硫为主，只在近古陆方向煤中含硫显著下降。煤种多为中变质烟煤，闽、赣、粤煤化作用强烈地区则以无烟煤为主。中生代的聚煤环境以内陆盆地为主，早、中侏罗世鄂尔多斯、准噶尔等大型内陆盆地的气候曾经历了较干旱—温湿—较干旱的变化，造煤植物为松柏类—苏铁类—松柏类交替出现，而煤岩宏观类型则为半暗煤、暗淡煤—半亮煤、半暗煤—半暗煤、暗淡煤组合，煤岩显微组分以富丝质组为最大特征。盆地虽然经历了几个煤化作用期，但作用较弱，所以煤种以低变质烟煤和褐煤为主。煤质以低灰、特低灰、低硫、低磷为主。早白垩世小型断陷盆地的褐煤，多数以低硫、中灰为主。灰分、硫分的变化通常与物探区的远近有关，往往靠近盆缘灰分、硫分均增高。早白垩世黑龙江省东部有规模较大的近海聚煤盆地，由于有利的覆水条件造成煤岩的宏观类型以光亮型和半亮型为主，显微组分中镜质组含量可高达70.9%。煤中灰分由中到低。由于当时海水是淡化的半咸水，所以煤中含硫在0.8%以下，属特低硫煤。煤种多为中变质烟煤。古近新近纪煤大部分为褐煤，以低硫中灰煤为主一些与海水有关的煤盆地中也出现了中硫与富硫煤。有些煤盆地中煤的壳质组，特别是树脂体含量较高，显微组分中有结构的成分增加。古近新近纪煤中的褐煤蜡和焦油产率较高。

图12-3 我国晚二叠世古气候略图(据韩德馨等，1980)

各种成因类型含煤盆地中同沉积碎屑物是各种煤灰分的主要构成部分。一些含煤盆地因为有岩浆活动和矿化强烈的地下水作用也可导致煤中后生灰分的增加，如辽宁阜新、陕西彬长、内蒙古东胜等煤田便是。中国煤的硫分，在晚古生代海陆交互相的煤中，总以中硫到高硫煤为主。中生代陆相煤则以低硫或特低硫为标志。黑龙江东部早白垩世与海水有关的含煤沉积，也以产特低硫煤为特征，这是由于当时海湾已深入内陆、海水已大为淡化的结果。南方晚二叠世与海水密切有关的煤，当硫含量超过了3%时，有机硫又占据上风，这可能是含硫的海水从泥炭沼泽阶段就不断侵入，并与有机质结合，形成了高有机硫的煤。煤的挥发分产率决定于煤化程度，但煤岩组分的影响也不容忽视，如鄂尔多斯盆地中生代低变质烟煤挥发分产率较正常值略有偏低，就是由于煤中惰质组含量较高所致。

本书对中国煤岩煤质的环境标志和若干特殊属性值做了初步归纳，结果如下:

1)沉积环境对煤质具有一定的影响。煤中灰分的高低主要决定于成煤泥炭沼泽距陆源区及海线的远近。古生代近海远陆的煤层一般为低灰煤，古陆边缘的煤层一般为高灰煤在冲积平原上生成的煤灰分的变化还与距分流河道的远近有关。分布于分流河道或决口扇厚砂岩带一侧的煤，灰分往往较低，发育在分流河道、决口扇、潮汐水道下游的泥炭沼泽生成的煤层灰分一般较高。煤层下伏为潮道砂体和障壁岛砂体时，煤中灰分较高，坝后泥坪或涨潮三角洲前缘，煤层灰分较低。在潟湖间湾处，往往形成高灰煤。煤成分中CaO及MgO较高与海水有关，因为海水中的Ca和Mg离子伴随海水进入或渗入泥炭沼泽，可与沼泽中的CO2离子结合形成CaCO3和MgCO3沉淀下来。水介质条件不同的泥炭沼泽，形成煤的灰成分不同。通常，在咸水—半成水—淡水泥炭沼泽中形成之煤层，SiO2+A12O3含量逐渐增高，FeO+CaO+MgO+SO3含量逐渐降低。研究资料表明，在近海远陆地区煤灰成分中FeO+CaO+MgO含量大于30%～54%，在近陆远海地区煤灰成分中，SiO2+A12O3含量可高达90%以上。泥炭沼泽受海水影响程度，是导致煤中全硫及各种硫变化的主要原因。

2)华北地区的腐泥煤具有自身独特的属性。山西的腐泥煤多呈透镜状或薄层夹在腐植煤中，构成藻煤烛藻煤腐植煤的组合系列，它们是由湖泊中的藻类和漂游生物经过部分腐解生成。山西河东煤田及霍西煤田，见有腐泥煤出露，厚度为0.5m左右，含油率可达18%～24%。单独藻煤则产于山西大同、浑源、洪洞、蒲县及山东肥城、兖州等地。烛煤(腐植腐泥煤)则产于山西浑源及山东新泰、兖州、枣庄，常与藻煤互层产出，挥发分、含氢量、焦油产率均高。

3)中国南方晚二叠世煤中瓦斯亦独具特征。瓦斯煤主要分布于湘、赣、川、黔、滇、粤、皖诸省。其特征是:腐植煤多形成高沼气煤矿，残植煤多形成低沼气煤矿煤层厚、含煤性好的地区多形成高沼气煤矿，中、低变质煤种多形成低沼气煤矿，高变质煤种多形成高沼气煤矿，超高变质的无烟煤既可以形成低沼煤矿，亦可形成高沼煤矿。围岩透气性的强弱是瓦斯保存的先决条件，同一地区盖层越厚，煤层埋藏越深，瓦斯积聚量越多地质构造的有利部位控制着瓦斯的储存和运移。研究表明，瓦斯的形成与含煤岩系沉积环境关系密切，晚二叠世龙潭组煤层中的瓦斯，几乎都分布在滨海三角洲和滨海平原含煤沉积区内，前者高沼气煤矿达97.8%，后者高沼气煤矿占67.8%而在浅海和局限海碳酸盐台地环境形成的含煤沉积区内，则以低沼气煤矿为主。

4)关于中国晚古生代煤的还原程度，不同学者看法不同。我国学者认为，煤的还原性是除煤岩成分和变质程度以外，影响煤质的第三个成因因素。相同煤岩成分和相同变质程度的煤，由于成煤原始植物属性和成煤初期转变环境的不同，可以使它们的物化性质、粘结性有所差异，也就是由于煤的还原性质不同造成的，或者说煤的不同还原程度是由不同成煤环境(或不同煤相)所造成的。赵师庆根据煤岩的显微特征研究了华北东部石炭二叠系煤层的煤质差别，识别出太原组煤一般具较强还原性，山西组煤属弱还原性，由此提出了环境—煤型—煤质的概略成因模型。韩德馨等则从华北若干地区煤的挥发分产率、碳含量、全硫量、煤灰成分及镜煤反射率的计算分析中，进一步表述了太原组煤和山西组煤还原性的差异。由于煤的还原系数(K)有明显的分带规律，因此可用以划分煤的还原类型。

兰凤娟1 秦勇1,2 常会珍1 郭晨1 张飞1

基金项目:国家自然科学基金重点项目(40730422)资助。

第一作者简介:兰凤娟,1986年生,女,博士研究生,煤层气地质,13151981375,lanfj11986@126.com。

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 2211162.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221008)

摘要:一般来说,煤层气中重烃浓度低于3%~5%,然而某些地区煤层气中重烃浓度超过常规而显现异常。煤层气化学组成中隐含着极为丰富的成因信息,对重烃异常原因的研究能深化对煤层气成因的认识,推动煤层气地球化学基础研究的完善发展。本文归纳总结了国内外煤层气中重烃异常的分布和特征,以及目前学者们对重烃异常成因的诸多解释,对于这些解释笔者分别提出了自己的见解,为重烃异常成因的深入研究提供一个思路和切入点,认为还需结合具体地区综合考虑多种因素进行进一步研究。

关键词:重烃异常 分布特征 成因

Distribution Characteristics of Abnormal Heavy Hydrocarbon in Coalbed Methane and its causes

LAN Fengjuan1 QIN Yong1,2 CHANG Huizhen1 GUO Chen1 ZHANG Fei1

(1. The School of Resource and Earth Science, china university of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, china 2. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)

Abstract: Generally speaking, concentration of heavy hydrocarbon of CBM is between 3%～5%, however, it is more than normal in somewhere. There is abundant genetic information in chemical composition of coalbed methane (CBM) . The research about its origin will deepen our understanding of origin and geochemistry of coalbed gas. This article summarizes the distribution characteristics of abnormal heavy hydrocarbon domestic and overseas and scholars' explanations for its causes at present, giving the author's own opinion which provides a starting point for the further research of the causes. It is thought that it still needs further study taking many factors into account in some definite area.

Keywords: abnormal heavy hydrocarbondistribution characteristics causes

引言

煤层气主要由CH4构成,次要组分为重烃(C2+)、N2和CO2,微量组分有Ar、H2、He、H2S、SO2、CO等(陶明信,2005)。据Scott对美国1400口煤层气生产井气体成分的统计结果,煤层气平均成分为:CH4,93%CO2,3%C2+,3%N2,1%干湿指数(C1/C1~5),0.77~1.0(Scott,1993)。中国煤层气虽然总体上以干气为特征,但也发现了大量“湿气”的实例。这些实例中,煤层气中重烃浓度通常在5%~25%之间,甚至出现了重烃浓度大于甲烷浓度的现象(吴俊,1994)。就云、贵、川的龙潭组而言,云南恩洪矿区煤层气中重烃浓度往往较高,其次是黔西和重庆地区。在恩洪向斜,煤层气中乙烷浓度达4.38%~33.90%,一般在16%左右丙烷浓度0.7%~5.88%,一般小于3%(吴国强等,2003)。不仅是恩洪,其他一些地区也出现重烃异常,如重庆天府矿区上二叠统焦煤煤层瓦斯中C2H6—C4H10浓度高达30.45%,是CH4浓度的1.98倍南桐矿区煤层气中重烃的比例高达6%~15%(刘明信,1986)。

1 国内外煤层重烃异常分布

国内出现重烃异常的地区从南往北有云南、贵州、重庆、浙江、湖南、江苏、安徽、河南、陕西、辽宁、河北、内蒙古、黑龙江(见表1)。出现重烃异常的时代集中在石炭纪、二叠纪和侏罗纪,其中以二叠纪为主。煤化程度处于气煤、肥煤、焦煤阶段,在长焰煤中也有出现。重烃浓度介于0.1%~48.7%之间。出现重烃异常的煤层常常与油气有关联,有的在煤层中或其顶底板发现有液态油的存在,有的有明显的气显示和油显示。

表1 国内煤层气重烃异常分布表

续表

根据已查阅的资料,国外煤层中出现重烃异常的有美国、俄罗斯、德国。煤变质程度主要处于气肥煤阶段,重烃浓度最高大于43%。有趣的是许多出现重烃异常的煤田附近有一个与煤成气相关的天然气田或油田,有的煤层中也见到了液态石油或者有良好的气显示和油显示,因此有的学者就用石油气的成分来解释重烃浓度,认为与盆地深部层位的含油性有关,可能其运移是沿深断裂进行的(А.И.Кравцов,1983)。

表2 国外煤层气重烃异常分布表

续表

2 煤层重烃异常成因

关于煤层气中重烃异常的成因众说纷纭,有生气母质说、油气渗透说、接触变质说、煤化作用阶段说等。下面列出了重烃异常原因的各种假说。

2.1 生气母质

烃源岩的生烃母质组成特征影响着烃源岩的生烃品质和生烃潜力,是烃源岩研究的重要内容,其主要研究方法有两种:一是煤岩学的方法,一是干酪根方法,煤岩学法保存了有机质的原始状态与结构,有利于对成因的研究,镜质组反射率更可靠,干酪根法富集了矿物沥青基质中的那部分有机质,利于干酪根类型的确定(韩德馨,1996)。

煤岩显微组分很大程度上决定了煤层的产烃能力。通常认为,富壳质组煤层具有产油倾向,富镜质组煤层具有产气倾向。岩相学和地球化学研究表明,高或中等挥发分烟煤中,以壳质组分为主的腐泥煤生成湿气和液态烃,以镜质组分为主的腐殖煤生成干气(Rice D D,1993)。但某些种类镜质组分也具有生成较高重烃浓度气体的能力(Bertrand P,1984)。例如,新西兰富氢煤层中镜质组含量在80%以上,但具有很高的产油能力(Kilops S D et al.,1998)研究发现挪威北海中侏罗纪腐殖煤中壳质组含量和产油能力之间没有明确关系Gentzis等认为,加拿大阿尔伯塔MedicineRiver煤层(乙烷和丙烷浓度5%)湿气来源于煤中大量的富氢镜质组分(Gentzis T, et al.,2008)。一般认为,惰性组由于芳构化程度和氧化程度更高及氢含量极低,不仅不能生油,而且产气量也比相同煤阶的壳质组和镜质组低,因而通常不把惰性组作为油气母质。但是近年来,经过煤岩学家的深入研究发现,某些惰性组分并非完全惰性,如南半球煤中“活性半丝质体”(RSF)的发现以及荧光与非荧光惰性体的划分(黄第藩等,1992),为惰性体成烃提供了有机岩石学证据。徐永昌等对惰性组分加热也曾得到产油量为2.94kg/t的残物(徐永昌,2005)。

笔者认为前人对煤岩显微组分对重烃产生的影响只是通过显微镜观测和测得的气组分的对比来进行的猜测,对具体显微组分对重烃产生的影响还没有进行过实验验证,尤其还未进行过煤化学结构特殊性的探索验证,还应对不同地区同类型的干酪根对重烃产生的影响进行深入研究。

2.2 微生物

微生物可以从两方面对重烃浓度产生影响,一是重烃菌有助于煤层产生重烃,一是微生物可以消耗掉重烃(如产甲烷菌),产生次生生物气,不利于重烃的保存。

一种解释认为自然界存在重烃菌,生物气中少量重烃是重烃菌的贡献,即生物成因说。但要证明生物作用可以形成重烃,必须有以下证据:在一定的地质背景下,生物成因气中可以含有少量的重烃组分(0.1%~0.2%)乙烷的碳同位素较轻(就目前所报道的碳同位素值都在-70‰~-55‰之间)(Mattavelli L and Martinenghic,1992),充分的证据证明无其他成因乙烷混入还有一个重要的条件,就是在实验室内能够培养出产重烃菌。徐永昌等(2005)测得了陆良天然气乙烷的碳同位素组成δ13C2值为-66.0‰~-61.2‰,结合其单一的地质背景的分析,基本排除了热成因乙烷的可能,较明晰地显示了其为生物成因,对长期争议的生物作用是否可以生成乙烷给出正面的回答(徐永昌,2005)。

笔者认为重烃菌和细菌生源等有助于煤层产生重烃的因素尚需进一步验证而影响到重烃的保存的次生生物气来解释重烃异常的前提是,整个向斜的煤层产生重烃的数量都很多,只是有的井田未受到微生物的影响而保存了下来,需要证明重烃正常区存在次生生物气。

2.3 催化作用

近年来,越来越多的学者开始注意催化作用对煤层气生成的影响,国内外学者研究中涉及地质过程中能起催化生气作用的无机质主要有粘土矿物、碳酸盐矿物、氧化物矿物、过渡金属元素等(吴艳艳和秦勇,2009)。催化剂对重烃生成的影响也有一些假说:

某些著作中提出一个假设,煤层中的重烃是由于甲烷、煤的灰分化合物和地层水的相互化学作用造成。据Е.Е.Вороищй的结论:包含在岩石孔隙中甲烷的氧化将导致高分子同系物的形成,其反映是:

Fe2O3+2CH4→2FeO+C2H6+H2O和2Fe(OH)3+2CH4→2FeO+C2H6+4H2O

但这种假设未必正确,还应研究煤层中重烃从属于矿物杂质的分布情况(А.ΝКраввцов,1983)。

火山活动及深部流体活动在沉积有机质生烃地质过程中的作用也日益受到重视。张景廉认为含煤盆地的原油可能的模式是深部氢气与有机质的加氢液化生烃,或是深部H2、CO2、CO在中地壳的低速高导层中经费托合成反应生成油气(张景廉,2001)。金之钧等认为,深部流体至少从3个方面影响烃类的生成:一是直接以物质形式参加生烃过程,深部流体中的氢与沉积有机质可能发生加氢反应而增加烃的产率二是热效应,深部流体携带的大量热能有助于提高有机质成熟度,加快有机质生烃过程三是催化作用,深部流体携带的各种元素可能成为烃源岩生烃的催化剂(金之钧等,2002)。实验结果表明:以熔融铁作媒介,CO2和H2可以合成烷烃类物质地下深处的玄武岩、橄榄玄武岩和橄榄岩与实验室条件下的熔融铁类似(郭占谦和杨海博,2005)。

笔者认为若是火山活动及深部流体活动在煤层生烃过程中起到了的催化作用,可以很好的解释许多重烃异常点的分布特征,所以流体活动对重烃产生的影响值得深究。

2.4 煤化作用阶段差异

在煤层气热成因的中期阶段,有机质主要通过树脂、孢子和角质等稳定组分降解初期所形成沥青的转化,以及芳核结构上的烷烃支链的断裂,形成富含重烃的气体。肥煤和焦煤初期阶段是有机质生油的高峰期,这是造成煤层气中重烃浓度相对增高的一个重要原因。根据我国统计资料,在整个煤级序列中,镜质组最大反射率处于0.9%~1.4%之间煤层的煤层气中重烃浓度明显较高(吴俊,1994)。

笔者虽在肥焦煤阶段是重烃产生的最高峰,但只有少数肥焦煤中煤层气出现重烃异常,所以煤化阶段是重烃异常的影响因素,但却不是唯一的影响因素。

2.5 煤对气体组分的差异吸附作用

由于被吸附势的差异,煤对重烃气体成分的吸附能力比对甲烷的要大。在煤微孔中,重烃气体分子主要被吸附在孔壁表面,甲烷分子主要位于重烃分子吸附层之上。被吸附力的这种差异,造成甲烷分子易于运移,导致煤层中重烃气体相对富集(吴俊,1994)。

某些学者注意到由于镜质组吸附作用造成煤排出烃类成分的变化。Given、Derbyshire等、Erdmann等发现,煤层中产生的油被吸附在镜质组微孔中(GivenP,1984Derby- shire F et al.,1989Erdmann M and Horsfield B,2006)。Ritter采用分子直径的概念研究了镜质组中微孔的吸附作用,基于杜平宁一兰德科维奇(Dubinin-Radushkevitch)理论建立起来的镜质组吸附模型模拟排出了高含量的芳香族气体冷凝物,认为显微组分微孔的分布和交叉连接密度可能对煤层排出烃类的成分起着决定性作用,干酪根中吸附溶解过程影响到了煤层排出的烃类物质成分(Ritter U,2005)。

2.6 煤微孔隙分子筛作用

煤中孔隙分布极不均匀,对于分子直径大小不一的烃类气体具有明显的分子筛作用。甲烷气体分子直径最小,在煤层中最易运移重烃气体分子直径较大,在运移过程中常受到孔径制约而停滞于孔隙中,使重烃气体相对富集,且常以较高压力状态存在(吴俊,1994)。

2.7 烃类物质驱替效应

许多煤层具有煤、油、气共生的特征,含油性高的煤层中较多的液态烃占据了煤中有效孔隙,并驱替气态烃运移。分子量越小,被驱替的效应就越为明显。这种差异驱替特性,造成C2以上重烃气体在煤层中相对富集(吴俊,1994)。

笔者认为差异吸附作用、分子筛作用、驱替效应涉及的是气体分馏作用使得重烃得以富集和保存,对此项因素的验证需排除生烃母质差异的可能性。

2.8 油气渗透说

主张油气渗透说者认为,煤层中存在重烃是油、气藏中石油或天然气渗透到煤层中的结果(于良臣,1981)。

2.9 构造作用

现在煤层中保存的烃气,不仅包括深成变质作用产生而保留下来的烃气,还应该包括叠加在深成变质作用之上的构造煤动力变质作用产生而保留下来的烃气。

赵志根等探讨了构造煤动力变质作用的生烃问题,认为:(1)构造煤在动力变质过程中有烃气形成(2)动力变质作用所形成的烃气对瓦斯含量、瓦斯压力的增加起着重要作用(3)重烃是在构造煤动力变质过程中形成的(赵志根等,1998)。曹代勇等认为构造应力影响化学煤化作用存在两种基本机制→应力降解和应力缩聚。应力降解是指构造应力以机械力或动能形式作用于煤有机大分子,使煤芳环结构上的侧链、官能团等分解能较低的化学键断裂,降解为分子量较小的自由基团,以流体有机质形式(烃类)逸出的过程。应力缩聚是指在各向异性的构造应力作用下,煤芳环叠片通过旋转、位移、趋于平行排列使秩理化程度提高,基本结构单元定向生长和优先拼叠、芳香稠环体系增大的过程,构造应力在煤化作用中有“催化”意义(曹代勇等,2006)。

笔者认为从构造的动力学机制来分析重烃的产生能解释某些地区重烃异常沿断层的分布的特征,但为何只有部分断层的两侧有重烃异常需进一步研究。

3 结论

(1)国内外均有较多地区的煤层气中出现重烃异常,出现重烃异常的时代集中在石炭纪、二叠纪和侏罗纪,其中以二叠纪为主。煤化程度处于气煤、肥煤、焦煤阶段,在长焰煤中也有出现。出现重烃异常的煤层常常与油气有关联,有的在煤层中或其顶底板发现有液态油的存在,有的有明显的气显示和油显示。

(2)从生气母质、微生物、催化作用、煤化作用阶段差异、差异吸附作用、煤微孔隙分子筛作用、烃类物质驱替效应、油气渗透说、构造作用等方面总结了目前学者对重烃异常可能成因的解释并分别提出了笔者的见解,认为重烃异常成因的研究对煤层气的成因、勘探和开发以及煤矿的安全生产都有着重要的意义,需结合具体地区综合考虑多种因素进行进一步研究。

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