煤層氣成因類型及影響因素

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1、煤層氣成因類型及影響因素摘要:煤層氣已成為一種新興的非常規(guī)天然氣資源。煤層氣是成煤物質(zhì)在煤化過(guò)程中生成并儲(chǔ)集于煤層中的氣體。按其成因類型分為生物成因氣和熱成因氣。生物成因氣有原生和次生兩種類型，原生生物成因氣一般在低級(jí)煤中生成，很難保存下來(lái)。次生生物成因氣常與后來(lái)的煤層含水系統(tǒng)的細(xì)菌活動(dòng)有關(guān)。熱成因煤層氣的生成始于高揮發(fā)份煙煤(Ro=0.5%～0.8%)。與分散的Ⅰ/Ⅱ型或Ⅲ型干酪根生成的氣體相比，煤層氣的地球化學(xué)組成變化較大，反映了控制煤層氣組成和成因的因素多而復(fù)雜，主要的影響因素包括煤巖組分、煤級(jí)、生氣過(guò)程和埋藏深度及相應(yīng)的溫度壓力條件。此

2、外，水動(dòng)力等地質(zhì)條件和次生作用等也影響著煤層氣的組成。煤層氣，又稱煤層甲烷(CoalbedMethane,簡(jiǎn)稱CBM)，俗稱煤層瓦斯，指自生自儲(chǔ)于煤層中的氣體，成分以甲烷為主，含少量其它氣體成分。在長(zhǎng)期的地下采煤過(guò)程中，這種氣體一直被視為有害氣體。70年代末，由于能源危機(jī)，美國(guó)政府采取稅制優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)煤層氣的開發(fā)工作，從而推動(dòng)了煤層氣的研究和開發(fā)試驗(yàn)工作，并于80年代初取得重大突破，成為第一個(gè)進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)性生產(chǎn)的國(guó)家，證實(shí)了煤層氣資源的巨大價(jià)值與潛力，從而引起煤層氣研究的全球性熱潮。據(jù)估計(jì)，全世界煤層氣的資源量可達(dá)(84.9～254.9)×

3、1012m3。根據(jù)美國(guó)的報(bào)告，煤層氣的采收率為30%～60%，最高可達(dá)80%。煤層氣的發(fā)熱量也很高，達(dá)8000～9000kcal/m3，相當(dāng)于常規(guī)天然氣的90%以上。煤層氣屬潔凈能源，甲烷含量一般在80%～90%以上，燃燒時(shí)僅產(chǎn)生少量CO2。因此，煤層氣是一種潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源。而且，采煤前排出煤層中的氣體，也有利于地下采煤的安全和大氣環(huán)境的改善。1煤層氣的成因類型與形成機(jī)理植物體埋藏后，經(jīng)過(guò)微生物的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為泥炭(泥炭化作用階段)，泥炭又經(jīng)歷以物理化學(xué)作用為主的地質(zhì)作用，向褐煤、煙煤和無(wú)煙煤轉(zhuǎn)化(煤化作用階段)。在煤化作用過(guò)程

4、中，成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，揮發(fā)份含量和含水量減少，發(fā)熱量和固定碳的含量增加，同時(shí)也生成了以甲烷為主的氣體。煤體由褐煤轉(zhuǎn)化為煙煤的過(guò)程，每噸煤伴隨有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。泥炭在煤化作用過(guò)程中，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程，即生物成因過(guò)程和熱成因過(guò)程而生成氣體。生成的氣體分別稱為生物成因氣和熱成因氣(表1)。1.1生物成因氣生物成因氣是指在相對(duì)低的溫度(一般小于50℃)條件下，通過(guò)細(xì)菌的參與或作用，在煤層中生成的以甲烷為主并含少量其它成分的氣體。生物成因氣的生成有兩種機(jī)制，即二氧化碳的還原作用和有機(jī)酸(

5、一般為乙酸)的發(fā)酵作用。盡管兩種作用都在近地表環(huán)境中進(jìn)行，但根據(jù)組分研究，大部分古代聚集的生物氣可能來(lái)自二氧化碳的還原作用。煤層中生成大量生物成因氣的有利條件是：大量有機(jī)質(zhì)的快速沉積、充裕的孔隙空間、低溫和高pH值的缺氧環(huán)境。按照生氣時(shí)間和母質(zhì)以及地質(zhì)條件的不同，生物成因氣有原生生物成因氣和次生生物成因氣兩種類型，兩者在成因上無(wú)本質(zhì)差別。(1)原生生物成因氣原生生物成因氣是在煤化作用階段早期，泥炭沼澤環(huán)境中的低變質(zhì)煤(泥炭到亞煙煤)經(jīng)細(xì)菌等有機(jī)質(zhì)分解等一系列復(fù)雜過(guò)程所生成的氣體。由于泥炭或低變質(zhì)煤中的孔隙很有限，加之埋藏淺、壓力低，對(duì)氣體的吸附

6、作用也弱，故一般認(rèn)為原生生物成因氣難以保存下來(lái)。對(duì)于原生生物成因氣和熱成因氣的形成階段，不同學(xué)者的劃分方案不盡相同，A.R.Scott等以Ｒo<0.3%為原生生物氣的界限值，而熱成因氣開始生成的Ｒo值為0.5%(表1)；Palmer則將(原生)生物氣和熱(成因)解氣的Ｒo臨界值定為0.5%(圖1)；Rice則認(rèn)為熱成因氣的形成始于0.6%左右。之所以出現(xiàn)這種差異，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的天然氣成因理論認(rèn)為，生物氣一般形成于.Ｒo值為0.3%以前，而熱解氣則形成于Ｒo值在0.6%～0.7%之后，即生氣母質(zhì)在Ｒo值0.3%～0.6%的熱演化階段不生氣(表1即是

7、這種觀點(diǎn)的體現(xiàn))。但近若干年來(lái)的研究表明，生氣母質(zhì)在Ｒo值為0.3%～0.6%階段仍然生氣，且可形成相當(dāng)規(guī)模的氣田(目前出現(xiàn)的多為煤型氣氣田)，這一階段所生成的氣體稱為生物—熱催化過(guò)渡帶氣，即有機(jī)質(zhì)生氣是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，煤層氣也應(yīng)如此。(2)次生生物成因氣煤系地層在后期被構(gòu)造作用抬升并剝蝕到近地表，細(xì)菌通過(guò)流動(dòng)水(多為雨水)可運(yùn)移到煤層含水層中。在相對(duì)低的溫度下(一般小于50℃)，細(xì)菌通過(guò)降解和代謝作用將煤層中已生成的濕氣轉(zhuǎn)變成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成因氣。次生生物氣的形成時(shí)代一般較晚(幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)年前)。煤層中存留的生物成因氣大部分屬

8、于次生生物成因氣。次生生物成因氣的生成和保存需以下條件：①煤級(jí)為褐煤或褐煤以上；②煤層所在區(qū)域發(fā)生過(guò)隆起(抬升)作用；③煤層有適宜的滲透性；④沿盆地邊