摘要：通过封闭体系条件下对成煤原始物质泥炭的热解实验，获取了甲烷、重烃(C₂～C₅)和二氧化碳在不同成熟度阶段的产率和固体产物镜质体反射率(R_o)数据，分析了模拟煤层气主要组分的相对百分含量及在有机质成熟度演化过程中的变化情况，并探讨了模拟煤层气的组成研究的地质意义。结果发现：随着R_o的增大，煤层气甲烷相对含量呈现上升的趋势，CO₂则呈现单向降低的趋势，重烃气体呈先增后降趋势。同时建立了煤从一定成熟度，分别达到最高演化阶段情况下的3种煤层气组分构成模式，尝试应用此模式恢复现今阶段煤层气藏的原始煤层气组分构成情况，并且推测CO₂是重要的原始煤层气组分，其产量和后期保存条件的好坏直接影响到对煤层气成熟度的评价。

关键词：煤层气；热成因；气体组分构成；镜质体反射率；泥炭；热演化；模拟

    热成因煤层气(以下简称煤层气)是目前全球范围内已开采和发现煤层气藏的最主要成因类型，是泥炭在煤化作用过程中生成的由烃类(CH₄和C₂～C₅)、非烃气体(CO₂、N₂)和一氧化碳等组成的混合气体。通常煤层气组分中甲烷占据绝对优势，重烃和其他非烃气体为次要组分。但是，一些含煤盆地中重烃和非烃气体有时含量也较高，如我国的甘肃省窑街煤矿区CO₂在煤层瓦斯中的含量达到35.8%^[1]。甚至国外研究证实，CO₂的含量最高可以达到99%^[2]。这说明，煤层气各个组分的含量构成并非相对稳定，而在不同地质背景的含煤层气地区或者盆地内是存在很大差别的。经历的煤化作用程度、有机质母质性质、后期的煤层气保存条件等均有可能造成煤层气各组分含量构成的变化。同时，由于煤的形成是历史的演化过程，煤层气的形成势必伴随组分组成和产率出现变化，引起组分相对含量的不断变化。这种变化及其变化过程研究对于了解煤层气在一定演化程度条件下的组成特征和每一种煤层气组分对煤层气的贡献程度具有重要意义，同时也可加深对煤层气的形成机理和演化等的基本认识。

    在煤层气形成主控因素中，煤化作用过程时刻伴随有煤层气的生成。不同成熟阶段的煤，对应不同组分构成煤层气组成。因此，研究煤化作用演化也就能了解煤层气的形成过程，从而反映出煤层气组分构成的变化情况。实验模拟是认识这一变化过程的有效途径。本文通过对成煤原始物质泥炭，在封闭体系条件下(50MPa)的热解生气模拟实验研究，获取CH₄、C₂～C₅和CO₂这3种煤层气重要组分在不同成熟度阶段的产率和固体产物镜质体反射率(R_o)数据，以研究和分析模拟煤层气主要组分的相对百分含量及在有机质成熟度演化过程中的变化情况，探讨在研究煤层气的组成特征方面的地质意义。同时建立了煤从一定成熟度，分别达到最高演化阶段情况下的3种煤层气组分构成模式，尝试应用此模式解释现今阶段煤层气藏的组分构成情况，这在研究煤层气“阶段聚气’’研究方面属于一种新的探索。

研究采用泥炭进行煤层气组分及演化的模拟实验研究。泥炭被认为是成煤的原始物质，基本未经历加热过程，其中生成煤层气有机质组分保留较为完整。泥炭样品采自四川省若尔盖沼泽，采样深度为3.0～3.2m。实验在封闭高温高压体系和2℃/h升温速率条件下进行热解实验研究，分析的煤层气组分主要包括CH₄、重烃和CO₂。获得的产率和镜质体反射率数据如表1。样品的其他基本分析和实验方法均见本文参考文献[3]。

 

    成煤有机质的热演化程度增加，生成的煤层气气体组分的含量会不断发生变化。揭示一定的成熟度区间范围内这些变化的规律性，对于认识和描述不同成熟度条件下煤层气的特征产生重要影响。图1展示了本次研究中所研究的模拟煤层气组分CH₄、C_2-5和CO₂的组分含量随成熟度增加的演化特征。

 

    在实验条件范围内，随着成熟度的增大，泥炭热解生成的煤层气CO₂气体百分含量从96%变为45%，下降41%。因此，随着成煤有机质的热演化成熟度的增加，煤层气中CO₂组分的相对含量在呈现单向降低的趋势，这表明CO₂气体在煤层气中的贡献程度在逐渐下降。与此相反，甲烷相对含量从1%升高至55%，总体呈现上升的趋势。重烃气体的含量则呈明显的先增后降特征，出现一次相对含量高峰。

    CO₂含量和干燥系数[C₁/(C₁+C_2-5)]是描述煤层气特征的重要参数，煤层气组分含量变化会引起这两个参数的变化。CO₂含量大于10%即被认为含量非常高^[4]。研究中在不同成熟度阶段的CO₂含量均要大于这一值，这说明成煤有机质的演化过程中CO₂始终是非常重要的煤层气组分。然而，与很多实际的煤层气藏中CO₂的含量相比，研究获得的CO₂在气体组分中的含量明显较高。在我国的含煤盆地，煤层气CO₂含量一般小于2%^[5]。尤其在煤岩演化程度很高的含煤盆地，CO₂在煤层气中的比重反而较低，例如，我国山西沁水盆地南部煤层气CO₂含量为0.03%～0.17%。造成这种差别的主要原因是：①此次研究中采用实验条件为封闭体系，其中的CO₂总体保持了持续增长的累计产率特征。除了可能参与的一些化学反应而被消耗之外，其余大部分在实验的各个阶段均被保存下来，增加了在产物气体中的含量。②在地质条件下，CO₂易溶解于水而被带走，从而降低了在煤层气中的比重。尽管模拟的煤层气中CO₂含量较高，但是其相对含量变化仍然可以反映出在地质条件下，如果盆地处于持续埋深，煤层气保存条件较好情况下，如果煤阶较低的含煤盆地中CO₂含量可能较高，而煤阶较高则CO₂含量可能较低趋势。

C₁/(C₁+C_2-5)系数在指示煤层气特征方面具有比CO₂含量更好的优势，体现在这一指标参数受到外界的影响较小，具有相对稳定性。这主要因为甲烷和重烃气体均具有比较相似和稳定的物理性质。图2为模拟煤层气的C₁/(C₁+C_2-5)系数随R_o的变化关系。C₁/(C₁+C_2-5)系数值随成熟度的增加，首先出现先短暂降低，在大约位于R_o=1.0%处达到最低值0.5，之后呈持续增大趋势。Scott等^[4]将C₁/(C₁+C_2-5)系数值小于0.86定义为特湿煤层气，0.86～0.94为湿气，0.94～0.99为干气，大于0.99为特干气。当R_o达到4.0%以后，模拟的煤层气C₁/(C₁+C_2-5)系数值均大于0.99，达到了特干气的程度。而达到干气的时间是R_o=3.6%，其余的成熟度演化阶段中生成的煤层气主要以湿气和特湿气为主。在一些煤层气藏分布区，煤镜质体反射率小于4.0%时，干燥系数C₁/(C₁+C_2-5)值也可达到0.99，如我国的沁水盆地、鄂尔多斯盆地和阜新盆地等。

 

    显然，模拟实验研究结果显示C₁/(C₁+C_2-5)系数值反映到达干气阶段的时间相对滞后。可能原因一方面煤层气样品的采集本身引起，一般解析采样方法采集煤层气样品，由于煤岩对重烃气体的吸附能力大于对甲烷的吸附能力，重烃气体不能完全被解析出来，导致干燥系数C₁/(C₁+C_2-5)增大；另一方面，地质环境中重烃的生成时间相对较早，一般于R_o=1.0%之前即可达到其高峰生烃阶段，而早期的埋藏条件不好会导致部分重烃散失，不同于实验的封闭体系条件的结果。总体上，干燥系数的升高指示了成煤物质演化程度的增高，这与地质环境中煤阶越高则煤层气越干的事实规律是吻合的。

    成煤泥炭若处于持续的埋藏加深过程或稳定增长的加热状态，最终形成的煤层气藏中，各类组分保留比较完整，而其形成过程也是相对完整，贯穿了成煤有机质从低成熟度到最高成熟度的演化。而实际的煤层气藏形成过程中，由于地质构造运动等外部环境对盆地埋藏、异常地热等的影响，如埋藏和抬升的交替，往往完整的煤层气形成过程受到破坏，一些阶段所形成的煤层气组分最终不能被完全保存下来，实际保存下来的煤层气为一定煤成熟阶段生成的煤层气，即所谓“阶段聚气”的结果。通过图1可以了解煤成熟度达到一定时刻对应的煤层气组分含量构成情况，但不能对一定演化阶段到最高演化阶段过程中各组分气体对煤层气累计的贡献作出评判，而这对于人们评价和预测现今已形成煤层气藏中气体各组分的原始贡献很有意义。

    通常不同的煤层气藏分布盆地，甚至同一盆地内不同地区之间，实际的煤层气形成的地质加热条件也是不同的。其结果是导致煤的成熟演化程度有明显差别，煤层气组分含量构成也存在差异。例如，沁水盆地在霍州地区煤岩的R_o大部分为2.0%左右，煤层气尚未达到干气，而阳城地区煤岩的R_o可达到4.2%左右，煤层气已经为特干气。同时，煤层气的保存条件影响了煤层气的组分组成，而这种认识在实际地质条件下去了解是很难实现的，模拟实验为此提供了条件。本文通过泥炭在封闭条件下的生气模拟实验研究获得的CH₄、C_2-5和CO₂在不同成熟度阶段的生成率和固体产物镜质体反射率(R_o)数据，结合数学分析方法，初步建立了成煤有机质从一定成熟度最高演化至R_o为2.O%、3.0%和4.0%阶段生成的煤层气组分构成模型(图3-a、3-b、3-c)。为对比分析不同起始成熟度阶段到最高演化程度之间煤层气的原始组分构成提供了科学数据，也有助于煤层气成因类型划分。

 

    模型表明了演化阶段不同则各种煤层气组分含量的变化情况。煤层气组分组成与煤的演化阶段、成熟度和保存情况密切相关。成煤有机质分别最终演化到R_o最大为2.O%、3.0%和4.O%时煤层气的组分构成不同。例如，当R_o=1.0%演化到R_o=2.O%时，煤层气组成中CH₄的含量为45%，CO₂为9%，重烃46%；R_o=1.0%演化到R_o=3.0%时，CH₄含量为52%，CO₂为24%，重烃23%；R_o=1.0%演化到R_o=4.0%时，CH₄含量为66%，CO₂为29%，重烃5%。由此可见，有机质热成熟演化过程越长，煤层气组分中烃类气体CH₄含量越高，重烃气体的含量越低。这一规律与实际的地质环境中，煤岩演化程度愈高，煤层甲烷的含量越高，重烃含量愈低的情况相符的。而C0₂基本保持了随成熟度演化过程增长而含量增大的趋势。所以，在应用煤层气组分进行煤层气分类时要考虑这些因素的影响。

    应用建立的模型可以进行含煤盆地中煤层气原始组分构成的评价。泥炭由于属于低演化程度的成煤有机质，未经历较强的埋藏受热和地质作用过程，其中各类生成气体的元素组成基本被保留下来。因此，封闭体系条件下以泥炭热解模拟的煤层气，其组分组成特征保留较为完整，也因此可以看作原始煤层气组分构成。

    沁水盆地是我国重要的含煤盆地，煤炭资源丰富。同时也是煤层气的有利生成地区，一直作为我国煤层气勘探开发的重点地区，并且发现了我国第一个大型整装煤层气田。该盆地晚古生代石炭纪和二叠纪是主要成煤期。二叠纪末煤层被快速埋藏，此阶段属于正常古地热场范畴。晚侏罗世至早白垩世，沁水盆地煤层由于燕山运动中期岩浆事件的作用，出现了异常的古地热场的特征。在霍州地区和阳城地区，现今保存的煤层气主要以晚侏罗世至早白垩世期间生成的为主^[6～8]。

    该地区煤层生烃过程主要经历了两个关键的时期：三叠纪末期，第一次煤系生烃结束，此时煤层的R_o=0.9%～1.3%；晚侏罗-早白垩世，由于燕山中期异常热事件，尽管地层处于抬升剥蚀阶段，但是仍然存在煤层的再次热演化和二次生烃，此时形成的煤层R_o=2.4%～4.2%^[9]。其中晚侏罗世晚白垩世是沁水盆地主要煤层的有效生气阶段(桑树勋等，1997)。通过模型3(图3-b)可对沁水盆地南部阳城地区的原始煤层气的组分构成特征进行评价。考察该地区原始煤层气的组成特征，则泥炭模拟的从R_o=1.2%演化到R_o=4.0%阶段的煤层气组成相近，比较符合煤成熟度最高达到R_o=4.0%的情况。在R_o=1.2%～4.0%阶段，煤层气中CH₄含量为66%，CO₂为29%，重烃5%，干燥系数C₁/(C₁+C_2-5)值为93%，接近于干气的程度。而现今该地区的3^#和15^#煤层气组成分别是：CH₄含量为94.49%～99.28%和95.7%～99.15%；CO₂含量极低，具有过成熟的天然气特征^[10]。

    由此可见，煤层气原始组分构成和现今保存的煤层气组分构成存在明显差异，体现在高的CO₂含量和低成熟度。同时可以推测，CO₂在地质环境中极不稳定，易于散失的特点可以导致煤层气的相对高甲烷含量，以及高成熟度指标(干燥系数)。因此，CO₂的产量的多少和保存条件的好坏直接影响到对现今煤层气成熟度的评价。煤阶高但是煤层气中CO₂保存多，煤层气的成熟度指标体现明显，反之亦然。

    1) 有机质热演化程度越高，甲烷相对含量呈现上升的趋势，CO₂则呈现单向降低的趋势，重烃气体呈先增后降趋势。

    2) 本文尝试建立了成煤物质从一定成熟度，分别达到最高演化阶段情况下的3种煤层气组分构成模式，并应用此模式恢复现今阶段煤层气藏的原始煤层气组分构成情况，推测出CO₂的产量和后期保存条件的好坏直接影响到现今对煤层气成熟度的评价，也为研究煤层气“阶段聚气”理论研究方面进行新的探索。

[1l 陶明信，徐永昌.窑街煤田CO₂气中氦同位素特征及其意义[J].科学通报，1991(12)：921-923.

[2] Clayton J L. Geochemistry of coalbed gas-A review[J].International Journal of Coal Geology，1998，35：159-173.

[3] 段毅，吴保祥，郑朝阳，等.煤层气形成演化的实验模拟研究[J].科学通报，2005(50)：27-31.

[4] Scott A R，Kaiser W R，Walter J B A. Thermogenic and secondary biogenic gases，San Juan Basin，Colorado and New Mexico-Implications for coalbed gas producibility[J].AAPG Bull，1994，78：1186-1209.

[5] 张新民，张遂安，钟玲文，等.中国的煤层甲烷[M].西安：陕西科学技术出版社，1991.

[6] 秦勇，刘焕杰.山西南部上古生界煤层含气性研究：Ⅱ.推断区及预测区煤层含气性预测[J].煤田地质与勘探，1997，25(6)：18-22.

[7] 秦勇，宋党育，王超，等.山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征[J].煤炭学报，1997，22(3)：230-235.

[8] 张建博，王红岩.山西沁水盆地煤层气有利区预测[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[9] 赵孟军，宋岩，苏现波，等.决定煤层气地球化学特征的关键地质时期[J].天然气工业，2005，25(1)：51-54.

[10] 桑树勋，刘焕杰，李贵中，等.煤层气生成与煤层气富集I：有效阶段生气量与煤层气富集[J].煤田地质与勘探，1997。25(6)：14-17.

 

(本文作者：吴保祥 段毅 孙涛 何金先 中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室)