构造-热演化对煤层气生成的制约及常用模拟方法综述

姚利萍

山西省潞安职业中等专业学校，山西 长治 046000

构造-热演化对煤层气生成的制约及常用模拟方法综述

姚利萍

山西省潞安职业中等专业学校，山西 长治 046000

煤层气作为煤层的主要衍生烃类，其生成过程必然受煤层所处盆地的构造作用影响，从煤层的构造热演化特征可以得出煤化作用大致主要发生年代，煤层气的生成量，也可对是否有利于煤层气开发做出评估。含煤地层构造热演化史对煤层气生成、聚集具有影响，二次生烃对煤层气的生成具有重要作用，用构造热演化模拟的手段，可以反演含煤盆地所在区的沉积史和热演化过程，并研究它们与煤层气的关系，为煤层气的勘探指明了方向。本文结合国内学者相关研究，简述并概括了我国对于构造热演化模拟方法的相关研究。

构造热演化；构造热演化模拟；煤层气

沉积盆地的形成和发展过程中，盆地的热质体是动态变化的，不同成因的盆地必然存在不同的热史状态，同样成因的原盆地经历了不同的改造叠加也会表现出不同的热史状态。成煤盆地的热状态历史也决定了其煤岩的成熟史，并影响和制约着生烃作用的类型和规模。在我国的几个主要含煤盆地如两淮、鄂尔多斯、沁水盆地、渤海湾等[1,2]，这些成煤区块在古生代的成煤沉积环境基本相同，但在中新生代的构造改造过程中，经历了不同的沉积历史和构造改造，从而最终形成了不同区域的生烃规模和生烃类型。

1 研究现状

国内学者已从多角度实验分析构造热演化与煤层气生成机理，诸如中国石油大学苏向光等[3,4]依据镜质体反射率利用EASY% Ro动力学模型对济阳坳陷沾化凹陷进行热演化模拟，通过对沾化凹陷四个洼陷20口井的单井热史模拟分析该区新生代的热演化状况；中国地质科学院朱志敏等[5]从构造热事件分析阜新盆地多能源矿产共存成藏；中国科学院大学的武昱东等[6]采用镜质组反射率古温标和古热流法恢复了淮北煤田宿临矿区晚古生代以来的热史和构造沉降史，并探讨了与煤层气生成和运移的影响，从而进一步分析构造热演化对煤层气生成的控制；中国科学院长沙大地构造研究所席先武等[7]采用数值模拟的手段，反演了新集地区所在坳陷的沉积史和热演化过程，并研究它们与煤层气的关系等。

2 煤层气成因及其控制

众所周知，煤层气是在煤岩演变过程中主要产生的衍生烃类，因而煤层气的生成不可避免的会受到构造热演化的影响。不同的热演化阶段对应不同的生气阶段，即不同的温度区间对应不同的煤层气生成类型，地层连续增温时，煤岩热演化程度不断增高；底层长期处于较高温时，煤岩热演化程度亦会缓慢增高；当盆地抬升时，底层温度降低时，会导致煤岩的热生烃作用终止。地层温度史决定了煤岩的生烃期次。以此为依据，煤层气可以按成因类型分为原生生物成因气、热成因气和次生生物成因气三类。

表1 煤化程度达到2．0%的镜质体反射率值时的气体体积构成

表2 生物成因和热成因煤层气的阶段

原生生物成因煤层气形成于沉积有机质的埋藏早期、泥炭向煤转变的低温阶段（温度低于50度），即Ro＜0.3%或Ro＜0.5%的热演化阶段经微生物作用而生成；热成因煤层气则是在温度逐步升高至50摄氏度以上、0.5%＜Ro＜0.3%、煤化作用逐步增强的过程中产生；而当煤系地层在后期被构造作用抬升近地表至温度低于50摄氏度时，由地表水带入的微生物降解已形成的湿气则将生成次生生物成因气。可以看出，温度条件、经肢体反射率、煤化作用程度以及后期构造作用等，是不同类型煤层气生成的基本前提。

3 构造热演化的重要性

我国作为一个煤炭资源的大国，不仅具有丰富的煤炭资源，而且还蕴藏着巨大的浅层煤层气。我国勘探、开发浅层的煤层气，主要通过对构造热演化史的研究，并以其为主体，将含煤盆地（煤田）的构造发展史、有机质热演化史和浅层煤成气的赋存规律及其内在联系进行了多维一体的研究，从而可以得出我国的浅层煤层气资源的评估。

构造热演化研究是对“以构造为骨架，沉积为实体，地化为依据”的煤层气资源评价方法的发展和体现，它将盆地的构造发育史、沉积埋藏史和有机质热演化史等研究有机地结合起来。含煤盆地构造热演化史特征决定了该煤田（或盆地）的浅层煤层气资源。

4 构造-热演化的常用模拟方法选择

构造-热演化模拟常用的方法是利用古温标来反演盆地沉积层的受热史和埋藏史，镜质体反射率方法具有易于准确测定和测试成本低廉的特点，在油田和煤田系统取得了广泛的应用。

4．1 沉积盆地热演化模拟的尺度

沉积盆地形成和发展过程中，盆地的热体制是动态变化的。盆地动态热体制的研究可归结为盆地热历史的重建或恢复，并且热历史的重建可以在岩石圈和盆地两种不同的尺度上进行：

（1）在岩石圈尺度上，盆地的热体制换边与下伏岩石圈的构造-热演化，包括岩石圈伸展剪薄、地幔底劈侵位、岩浆活动、地壳均衡等密切相关。由于盆地的形成过程极为复杂，往往是多个不同成因机制的演化阶段的叠合，而现有的盆地定量模型都经过了显著的简化，只反映主要的构造-热作用过程，加之模型边界参数的不确定性，因此岩石圈尺度的构造-热演化在一定程度上只能将其视为半定量的，这种方法只能提供盆地的热背景概念。

（2）在盆地尺度下，盆地的热体制变化既受控于盆地内的一些物理工程，沉积与埋藏、抬升与剥蚀、沉积压实亦即吸热和放热化学反应、地下水活动、火山岩浆活动等，也取决于盆地地步热流的变化。反演计算可分为直接反演和简介反演两类：直接反演以样品的热史路径作为反演参数，具有多解性，仅适用于单个样品的简单线性增温或降温的热史路径，且不涉及样品的埋藏式。简介反演是建立在埋藏史重建和盆地内物理工程模拟的基础上，以古温标动力学模型正演模型以盆地底部热流Q和剥蚀量He作为反演迭代参数，然后根据盆地埋藏史简介确定地层的热史路径。

岩石圈和盆地两种尺度的比较和结合，不仅可以检验所选择的盆地模型，提供盆地成因的信息，而且可以揭示盆地构造演化过程中岩石圈的伸展量、厚度变化等参数，从而成为盆地构造演化研究的一种新的途径和方法，是通常所说的沉积盆地热模拟。

4．2 常用古温标数据类型

建好的古温标通常应具备如下条件：（1）在岩石中广泛分布容易取得大量或较系统的数据；（2）某一物理特性或化学特性对温度的敏感，主要受温度控制且温度范围较宽；（3）受温度作用后具不可逆性；（4）结果具有相当的精度，足以反应温度变化细节无论用何种古温标进行盆地热史恢复，其关键环节是古温标的理论动力学模型和应用方法。

4.2.1 镜质体反射率指标

镜质体反射率原本用来标定煤阶，是镜质体所经历的最高古温标和有效受热时间综合作用的结果，且具有不可逆性，记录温度区间广（从成岩阶段到变质阶段，可达350度）。其测试方法简单，测试成本低，适用于系统采样和测试。

不同学者提出了基于镜质体反射率化学动力学的拟合计算方法，通过用重建的沉积埋藏史和假设一个热历史模型，计算沉积盆地有机质受热过程，在用实测的有机质成熟度指标验证计算结果，通过反复修改热历史模式，使计算的成熟度和盆地实测的成熟度一致或最大程度的吻合。概括起来可以分为以下三类：

仅与温度有关，或者与温度和事件有关，但以温度为主函数的经验模型，这些方法提出了有机质成熟度、温度和受热时间关系的雏形。

单一活化能，或者活化能是温度函数的Arrhenius一级化学反应模型，这类模型也只能是一种经验关系，因为单一活化能不能模拟不同温度和加热速度范围内的复杂化学反应。

平行Arrhenius一级反应高斯活化能分布模型，是根据镜质体反射率组分随时间和温度的变化，用不同的活化能分布的Arrhenius一级平行反应方法简历的镜质体反射率与热诚数计算的化学动力学模型。相对而言，不仅适用于各种地质地热条件，而且能模拟有机质成熟过程中的复杂化学反应。近年来，在国际上得到普遍认可和应用，这类模型的典型代表就是Easy%R0化学反应动力学模型。

4．3 Easy%R0模型原理

Easy%R0模型[2]是Sweeney在VITRIMAT模型的基础上改进创新的，经过多种热历史下盆地验证，在预测中到高成熟度时具有较高的精度，目前在国际上广为接收。

该模型用四个相互平行的化学反映来描述镜质体成熟，这些反应具有相同的频率因子，不同的活化能E。模型在热模拟以及理论计算的基础上分别求取有机质演化过程中脱水、脱二氧化碳、脱甲基及脱高碳数烷基等一系列平行反应所需的反应活化能及其分布范围然后根据Arrhenius化学反应动力学原理建立起数学模型，以定量模拟镜质体反射率的演化历程：

式中：w—残留溶液浓度；A-频率因子；E-反应活化能；R-通用气体常数；T-绝对温度。

表3 EASY% R0模型使用的化学计量因子和活化能值

反应程度F可以把通过时间温度历史分解为一系列恒温或等速率阶段而求得。

式中：F为敬重某底层地界的第j个埋藏点的化学动力学反应程度，t为第j个埋藏点的埋藏时间；Tj为第j个埋藏点的古地温；校正系数：a1=2.334733，a2=0.250621,b1=3.330657,b2=1.181534。

根据反应程度F，简历起模拟镜质体反射率及其演化的数学模型。

Easy% R0=exp(3.7F-1.6)

在此模式中，F的范围为0～0.85，R0的最大值小于4.7

Easy%R0模型正演热史的过程，用Easy% R0模型正演古地温史的步骤如下：

(1)重建地层埋藏史；

(2)给定地温史，结合埋藏史酸楚各地层的古地温场；

(3)利用Easy%R0模型计算各生油层的R0史；

(4)用实测地层的先进R0和上树理论R0进行对比。如果拟合得很好，则认为给定的地温史就是地层世纪经历的地温史。相反，如果拟合得不好，则重复2，3步骤，知道拟合程度较好为止。

4．4 故热流法原理

打的热流是岩层中最主要、最普遍存在的热源，是地壳深部热特征的反映，也是用来标志区域基本地热特征的热量参数。打的热流在树枝上为热导率与地温梯度的乘积，由于先进热流、验尸热导率以及岩石的比热、密度均可通过测量得到，所以古温标计算值就可以表示为古热流值(Q)、埋藏史(Z)及时间t的函数：

这种将热历史与埋藏史相结合的热史反演方法就是故热流法，由于在繁衍过程中考虑了故热流随埋深和时间的变化以及在沉积演化过程中注入沉积、剥蚀等非稳态热效应，适用于钻井数据分析。繁衍过程中首先将模拟的钻井剖面分成若干个构造层，通过对每个构造层内盆地底部热流（Q）不整合面剥蚀厚度（He）这两个变量的迭代，使得理论古温标数据（R0值）的演化曲线与先进实测古温标数据（R0值）大道最佳拟合，从而实现反演盆地热流史和不整合面剥蚀厚度的目的。

需要注意：只要其活化能与温度相关时（无论用何种古温标凡炎热），都只能反演出地层大道最高古地温时及其之后的热史，对于最高古地温时刻之前的热史，则只能利用盆地构造-热演化模型或构造热沉降史与热流的关系来制约和估计。最高古地温之前和其他无法直接确定故热流的地址时间点，可以根据当时的地质构造背景，给定可能的故热流范围进行搜索反演。

图1 不同的热年代学方法的完善与变形-时间-热演化关系图

5 结论

综上可以看出，构造热演化的相关研究在国内具有很大的研究潜质，而且能够从地质角度很合理的解释煤层气生成机理，含煤地层构造热演化史对煤成气生成、聚集具有影响，二次生烃对煤成气的生成具有重要作用，用构造热演化模拟的手段，可以反演含煤盆地所在区的沉积史和热演化过程，并研究它们与煤层气的关系，构造热演化特征对于煤层气的资源勘察、勘探开发具有很强的预见作用、指导作用、理论作用，为煤成气勘探指明了方向。

[1] 张遂安．我国主要煤田构造热演化史特征及浅层煤成气资源[J]．天然气工业．1991(4)．12-19．

[2] 胡圣标．渤海盆地热历史及构造一热演化特征[J]．地球物理学报．1999(11)．748-460．

[3] 苏向光, 邱楠生, 柳忠泉, 等．沾化凹陷构造—热演化研究[J]．西安石油大学学报： 自然科学版, 2006, 21(3)： 9-12．

[4] 魏志彬, 张大江, 许怀先, 等．EASY%Ro模型在我国西部中生代盆地热史研究中的应用[J]．石油勘探与开发, 2001, 28．

[5] 朱志敏, 闫剑飞, 沈冰, 等．从"构造热事件"分析阜新盆地多能源矿产共存成藏[J]．地球科学进展, 2007, 22： 468-479．

[6] 武昱东．淮北煤田宿临矿区构造一热演化对煤层气生成的控制[J]．自然科学进展．2009(10)．1134-1145．

[7] 席先武．新集地区及外围煤层气构造-热演化模拟研究[J]．大地构造与成矿学．2001(9)．321-330．