淮南晚古生代煤的生烃特征及地质意义

秦国建

(煤炭科学研究总院西安研究院,陕西 710054)

1 引言

淮南煤田是我国华东地区的重要能源基地,是一个典型的二叠纪煤田。其二叠纪含煤地层厚度变化在610～920m之间,该煤系含煤38层,主要赋存于山西组和上、下石盒子组,其中,13-1煤层、11-2煤层、8煤层、1煤层是主要可采煤层。本煤田受构造活动也岩浆活动影响较大,潘集和丁集附近的煤矿井下,见有岩浆侵入体。

煤作为良好的烃源岩,也是独特的储层。组成煤的不同有机组分,生烃特征差异较大,从某种程度上影响着不同地区煤层气地质特征及开发潜力。本文尝试以煤的物质组成特征为基础,进行有机质类型、生气阶段和生气能力等方面的探讨,为煤层气开发提供地质依据。

2 煤储层的物质组成特征

2.1 宏观煤岩特征

通过对部分矿井的主要煤层进行井下观测与描述,主要煤层的宏观煤岩类型总的是以半亮煤、半暗煤为主,暗淡煤和光亮煤较少 (图1)。煤层多呈条带状结构,以细条带状结构和线理状结构为主。宏观煤岩成分中以亮煤和暗煤较多,镜煤较少,它们交互成层形成条带状结构。

表1 新集矿区不同煤体结构含量

图1 重点矿区主要煤层的煤岩类型和煤体结构图

各主要煤层中的构造煤比较发育。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤发育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤为主,上部以碎裂煤为主;8煤以碎粒煤、碎裂煤为主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤发育 (表1、图1)。

2.2 显微煤岩特征

通过主要煤层的显微组分统计及显微镜下组分鉴定可以看出,淮南不同矿区各主要煤层的显微组分中壳质组含量比较高 (表2)。

镜质组是各矿区主采煤层的主要成分,平均值39.5%～81.64%(表2)。煤田内由东向西,镜质组含量增高;垂向上,除潘集外,大部分矿区主要煤层的镜质组含量有自上而下增高的趋势。显微镜下以均质镜质体和细条带状或充填状的基质镜质体为主。

惰质组平均含量为17.13%～55.87%。显微镜下观测,主要由粗粒体、碎屑惰质体、丝质体组成;粗粒体多呈絮状、云朵状、团块状和基质;丝质体主要是氧化丝质体,细胞结构一般保存较差,多呈星状。

壳质组含量高是淮南各矿区煤的一大显微煤岩特征,其平均含量4.63%～16.62%,其含量空间变化规律不明显。显微镜下观测,13-1、11-2、8号煤层以树皮体为主,6号煤层以孢子体为主,其次是角质体、碎屑壳质体和树脂体。

表2 部分矿区主要煤层的显微煤岩组分、煤质特征统计表

2.3 煤质特征

通过对主要煤层的工业分析和元素分析测试结果统计表明,各矿区主要煤层的水分含量0.56%～2.31%;灰分含量15.41%～24.30%,属低中-中灰煤;挥发份含量21.49%～41.65%。碳含量85%以上,氢含量5.4%左右 (表2)。

3 生烃阶段与生烃潜力

3.1 有机质类型

淮南煤田煤的有机组成主要是镜质组,其次是惰质组,壳质组含量较高,有少量的腐泥质。根据P.K.Mukhopaclhyay,H.W.Hagemann及J.R.G ormli关于干酪根类型的划分,腐泥质属于Ⅰ型干酪根,壳质组属于Ⅱ型干酪根,镜质组属于Ⅲ型干酪根,惰质组属于Ⅳ型干酪根。Ⅰ型干酪根主要生成油,Ⅱ型干酪根可生成油和气,Ⅲ、Ⅳ型干酪根生成气。

根据不同显微组分的生烃特征,按有机组份百分含量进行加权计算,通过相关公式计算,淮南各矿区主要煤层的干酪根类型指数TI值为 (-55～-74) ＜0,属于Ⅲ型干酪根,以产气为主。

3.2 煤层气生成阶段

煤系地层形成后,进入三叠纪,一直连续接受沉积,当埋深达1600m时,大约为早三叠世,煤层温度大约有60℃ (古地温梯度2.65℃/100m,常温带16.8℃),煤分子开始发生热裂解、聚合、变质,随之热解气生成,随着埋深、温度、压力增高,直至中三叠世,煤层埋深约2600m,地温为86℃左右,伴随煤深成变质作用进行,气生成。印支运动使地壳抬升,终止了煤的深成变质作用及气的生成,但继之而来的是印支运动增强了该区的热流值,地温增高,出现二次变质和二次生气,该地温持续到燕山期 (140Ma),持续时间120～60Ma,尽管期间温度提高不多,但持续时间长,因而一直有煤层气生成,140Ma之后地温开始降低煤变质作用停止,煤层气生成也随之终止。

3.3 煤的生烃特征

肖贤明等根据干酪根光学鉴定及单组分的热模拟和地球化学研究,提出中国陆相烃源岩的产烃指数HP和产油指数 OP,根据显微组分定量结果,可按下式计算：

式中 xi,yi——分别代表第 i类生烃母质与生油母质百分含量;

HPi,OPi——分别为 i生烃母质的产烃指数HP与产油指数OP值。

淮南各主要矿区煤中壳质组主要是孢子体、树皮体,次是角质体、碎屑壳质体和树脂体,少量的沥青质体、藻类体、荧光体。产烃指数壳质组采用650,镜质组采用150,惰质组采用50。产油指数壳质组采用600,镜质组和惰质组采用0。

通过上述公式计算,淮南各矿区煤的产烃指数主要 (∑HP)为141.7～226.9,产油指数 (∑OP)为31.80～114.81(图2)。可以看出,淮南煤田的煤以产气为主,可生成少量的油。

4 结论

(1)矿区内各主要煤层中的构造煤比较发育。整体上,糜棱煤、碎粒煤占到50%以上。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤发育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤为主,上部以碎裂煤为主;8煤以碎粒煤、碎裂煤为主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤发育。

(2)本区煤中壳质组含量高,平均含量4.63%～16.62%;通过显微组分求出的干酪根类型指数TI为 (-55～-74) ＜0,有机质类型为Ⅲ型干酪根,以产气为主。其中,产烃指数 (∑HP)为141.7～226.9,产油指数 (∑OP)为 31.80～114.81。

(3)诸多事实表明,本区煤体结构破碎,主要是受到矿区高地应力、强烈的构造作用所致。虽然本区煤的生气潜力很大,但是强烈的构造运动致使本区煤储层的渗透率特低,地面煤层气开发受限,必须采取井下煤与煤层气一体化开发的模式进行。

[1] 王生维,陈钟惠,张明.淮南潘集矿区煤层气储层特征与勘探选区研究 [J].中国煤层气,1996,2(第二届全国煤层气学术研讨会专辑)：41-43.

[2] 桑树勋,秦勇,姜波,等.淮南地区煤层气地质研究与勘探开发潜势 [J].天然气工业,2001,21(5)：19-22.

[3] 张泓,郑玉柱,郑高升,等.安徽淮南煤田阜凤推覆体之下的伸展构造及其形成机制 [J].煤田地质与勘探,2003,14-17.

[4] 韩德馨.中国煤岩学 [M].徐州：中国矿大出版社,1998.

[5] 刘德汉,张惠之,戴金星等.煤岩显微组分的成烃实验研究与评价 [J].科学通报,2000,45(4)：346-352.