煤层气的形成

2025-03-03 20:29:28

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一、煤成烃的概念

煤成烃是指煤层或含煤岩系在成煤作用或者热成熟过程中形成的碳氢化合物，这种碳氢化合物可以是液态的也可以是气态的，因此，煤成烃大体上可以分为两大类，即煤成油和煤成气(包括煤层气)(黄第藩等，1995;傅家谟等，1990)。早在20世纪40年代，德国学者最早提出了有关煤成烃的理论，认为煤不仅能生气，而且其生成的气能从煤中运移出来在煤系中或煤系之外聚集成商业性气田，从而创立了纯朴的煤成气理论。欧洲应用该理论指导天然气勘探并获得了重大成功:1959年在荷兰发现了储量达2×10¹²m³的巨型气田———格罗宁根煤成气田。60年代苏联以该观点对西西伯利亚盆地和卡拉库姆盆地等进行了资源评价，为60年代后期至70年代在这两个盆地发现大批煤成大气田(包括世界上最大气田———乌连戈伊气田)提供了理论依据。到20世纪60年代后期，以澳大利亚学者为主的多数学者认为腐殖型干酪根可以成烃，并注意到煤中的壳质组对成油有重要贡献，说明煤不仅能成气还可成油，这对煤成烃理论的发展做出了重要的贡献。

经过数十年的发展，煤成烃的理论日益完善，相关理论指出煤系在成煤中成烃以气为主、以油为辅的总规律(戴金星，1979;1980;戴金星等，2000;胡社荣，1998;程克明，1994)。煤系地层中，不同的显微组分生成不同的烃类，富集的和分散的腐殖有机质，如镜质组、惰质组的煤，在成煤过程中形成天然气(即煤成气);由腐殖煤的富氢显微组分构成的生油母岩(类似于Van Krevelen图解中的Ⅱ、Ⅲ型干酪根)，如无定形体、藻质体及壳质组的煤，都有生成石油的能力。一般而言，煤中显微组分生油能力由大到小依次为:壳质组、镜质组、惰质组。煤系成煤作用中成烃阶段大体上可以分为3期:前干气期、气油兼生期和后干气期。

二、煤的物质组成与煤成烃

煤是可燃有机岩石，其组成上有明显的非均质性，主要因为煤层是有机物质和无机物质混合的复合体。同时，煤的组成部分———有机物残体具多样性和复杂性(Clayton，1998;卢双舫等，1995;黄第藩等，1984)。煤的显微组分按有机组分性质和成因分为壳质组、镜质组、惰质组。

壳质组是由成煤植物中生物化学稳定性最强的部分，即植物的繁殖器官(孢子、花粉壁的壳质)及保护器官所形成的。壳质组在透射光下透明，呈浅黄到深红色，外形各有明显特征;油浸反射光下多呈黑灰和浅灰，大多数稍有突起。镜质组在煤中最常见，在大多数煤中其含量达65%～80%以上，是由植物的茎干、根和叶等组织的木质素、纤维素经煤化而形成的;它具粘结性，热解时熔解并粘结惰性组分。镜质组中的结构镜质体保留有植物细胞结构;无结构镜质体通常看不到植物细胞结构;均质镜质体呈条带状或透镜状，轮廓清晰、均一;基质镜质体是胶结其他显微组分和同生矿物的基质;碎屑镜质体是呈碎屑状的镜质组组分。惰性组原始物料与镜质组相同，但是它是经丝质化作用而形成的。丝质组在透射光下黑色不透明;油浸反射光下呈白色到黄色，有不同程度的突起。由于丝质化成因，丝质化程度及原始物料不同，丝质组可分为微粒体、粗粒体、半丝质体、丝质体、巩膜体、惰屑体等显微成分(Liu等，1997;王铁冠等，1990;王会祥等，1986;傅家谟等，1995;孙旭光等，1999)。

按照煤的成因可以将煤分成腐殖煤、腐泥煤和残留煤。腐殖煤是由高等植物经成煤作用形成的。腐泥煤是由海藻之类的低等植物的残骸生成的。残留煤是由不易被细菌分解的植物生成的，常残留有植物，像蜡煤和一些烛煤等。

在煤炭资源中占绝对优势的腐殖煤，来源于以木质纤维素为支撑组织的陆生植物。木质纤维素在弱氧化-还原条件下经凝胶化作用形成凝胶化物质;而在氧化条件下经丝炭化作用形成丝炭化物质(苏现波等，2009)。在煤化作用过程中，前者转化为镜质组，后者转化为丝质组。高等植物中所含少量的角质、孢子、木栓质和树脂等稳定组分，主要由富H的蛋白质和脂类化合物组成，它们是煤中稳定组分的前身。镜质组、惰质组与稳定组按不同比例组合，就构成了不同类型的腐殖煤。图4-1表明了不同类型干酪根在演化过程中产生CH₄，排出CO₂和H₂O的趋向。图中4种干酪根类型是通过元素分析予以确认的，并与3个显微煤岩组分组相对应:富稳定组分煤通常对应于Ⅰ型和Ⅱ型干酪根，富镜质组分煤对应于Ⅲ型干酪根，富惰性组分煤对应于Ⅳ型干酪根(Levine，1987)。

实验证明，壳质组生烃量大和生油性能好(图4-2)，因为其H/C原子比值高，芳碳率低，脂碳率高，甲基、α亚甲基、亚甲基和次甲基含量较高;而与壳质

组相比，富镜质组—惰质组的腐殖煤H/C原子比的值较低，芳碳率高，脂碳率低，甲基、α亚甲基、亚甲基和次甲基含量低，故其生烃性能相对较差并以生气为主(图4-3)。随着煤的热演化程度增高，H/C原子比的值降低(黄第藩等，1995;刘德汉等，2000)。

图4-1 干酪根类型及演化路径Van Krevelen图版

图4-2 壳质组热演化生烃模拟产率图

非常规油气地质学

图4-3 均质镜质体(a)和基质镜质体(b)热演化生烃模拟产率图|(据刘德汉等，2000)

非常规油气地质学

三、煤化作用过程

煤化作用的实质是温度升高条件下的化学反应过程，反应的产物即为烃类。由图4-4可知，所有类型的煤，在演化过程中均表现为C含量增加，而H、O含量减少。低煤级以O的减少为主，而高煤级H含量迅速降低;不同类型的煤，其C、H、O重量百分比化幅度不同，但到高煤级各种煤趋于一致，表明多余的H、O已脱除，成分趋于稳定。从烃源岩的角度，可将煤化作用划分为几个阶段，如图4-5所示。

图4-4 两种不同类型煤演化过程

(据Levine，1993)

图4-5 煤化阶段的划分|(据秦勇，1996)

四、煤岩生烃动力学

煤岩生烃过程中，温度和时间呈互补关系，这种关系符合化学反应动力学。煤岩生烃动力学基础研究的进展主要表现在生烃动力学模型的选择和模型的标定两个方面(Schaefer et al.，1990;Braun et al.，1992;Ungerer et al.，1987;王道钰等，1984)。目前，有机质成烃动力学模型有总包一级反应模型、串联一级反应模型、有限个平行反应模型和无限个平行反应模型，由于煤作为一种三维大分子网络结构的非均质多聚物，包含有多种官能团，多种化学链连接的复杂分子;热解过程中，其反应性质及分解断裂化学键的类型不断变化，成烃反应是一系列平行和串联的单元反应的组合，因此，煤成烃的动力学模型多为以下两种类型:

(1)串联一级反应模型

dx/dt=A·exp(-E/RT)(1-x)

式中:t为反应时间;x为反应物的浓度;A为视频率因子;E为反应物的表观活化能;R为气体常数;T为反应温度。

(2)平行一级反应模型

dx_i/dt=A_iexp(-E_i/RT)(x_i0-x_i)

式中:t为反应时间;x_i为i反应物的浓度;x_i0为i反应物的原始潜量;A_i为i反应的视频率因子;E_i为i反应物的表现活化能;R为气体常数;T为反应温度。

刘金钟等(1998)在研究烃类单分子动力学时提出的模型为:

x_i(t)=x_i0［1-exp(-k_i(t))］

k_i=A_iexp(-E_i/RT)

式中:x_i为第i个反应在时间t时的生成量;x_i0为第i个生烃母体的最大潜力;k_i为反应速率常数;t为时间，E_i为活化能;A_i为频率因子;R为气体常数;T为绝对温度。付少英等(2002)利用这一模型研究了鄂尔多斯盆地上古生界煤生成的甲烷和C_2-5组分的形成动力学。

煤岩生烃动力学模型的标定是煤岩生烃动力学研究的关键，这种标定实质上是确定动力学模型中的活化能(E)和频率因子(A)，一般通过实验数据［产烃率(成分)-温度(时间)］来实现。这种标定涉及研究样品、研究对象、模拟实验方法、计算机软件诸因素。煤的生烃特征受多种因素的影响，如煤岩显微组分、煤化程度和成煤环境等。实验研究表明，煤的不同显微组分具有明显不同的动力学特征，平均活化能是树脂体和木栓质体最低，约为167.5kJ/mol，藻质体最高为280.5kJ/mol，孢子体、镜质体和角质体居中，分布为213.5～234.5kJ/mol(卢双舫，1996;卢双舫等，1997)。活化能分布特征是角质体和藻质体具有单一的活化能，树脂体活化能分布极窄，而镜质体，木栓质体和孢子体活化能分布范围较宽。煤岩显微组分活化能的分布特征是该组分内部结构的宏观反映，同时，活化能的分布也决定了显微组分的生烃顺序:树脂体、木栓质体→基质镜质体→孢子体、镜质体→角质体→藻质体→丝质体。由此可见，在热演化作用早期阶段，树脂体和木栓质体就可以大量生成烃类，形成未熟油，在较高的演化阶段时，其他显微组分才出现生烃高峰。煤级和煤形成的环境与活化能的分布特征密切相关，以鄂尔多斯盆地东缘山西组和太原组不同煤级的煤为例(汤达祯等，1999)，在R_o=0.50%～1.30%内煤的平均活化能相对较低，数值一般小于350kJ/mol，特别是R_o值为0.95%时，平均活化能降至最低，为239kJ/mol，较低的活化能意味着生烃温度较低。低煤级煤的活化能分布范围较宽，随煤级增高至中度质烟煤阶段，活化能分布主要聚敛在250～350kJ/mol之间，随后进入高变质烟煤阶段后活化能又发散分布。

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