准噶尔盆地南缘富CO2 低阶煤层气藏的形成机理研究

李站伟，汤达祯，唐淑玲，蒲一帆，张奥博

（1.中国地质大学（北京） 能源学院，北京 100083；2.煤层气开发利用国家工程中心煤储层试验室，北京 100083；3.非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点试验室，北京 100083）

0 引 言

煤层气化学成分一般以CH4为主，含少量CO2、N2等非烃类气体，甲烷气体主要以吸附态赋存于煤层中。 其中，CH4浓度是衡量煤层气资源品质的关键因素，一般CH4体积分数80%所对应的埋深常被定义为煤层气风氧化带下限深度［1-2］。 低阶煤储层含气量低，煤层CO2的富集不仅影响煤层气开发的地质边界，同时气体间竞争吸附作用也影响着煤层对CH4的储集能力，间接控制着煤层含气性。准噶尔盆地南缘（以下简称“准南”）地区埋藏2 000 m 以浅煤层气资源0.95×1012m3［3］，部分地区煤层中富集CO2，其浓度垂向差异较大。 关于煤层气藏中CO2成因，戴金星等［4］认为，有机质热降解成因CO2的δ13CCO2为-2.5%～-0.5%，与次生生物气相关的CO2的δ13CCO2为-4.0%～2.0%，无机成因δ13CCO2要重于-0.8%，其中无机成因CO2来源包括碳酸盐岩变质作用和岩浆-幔源析出作用。 国外学者对不同来源的CO2的碳同位素特征进行了多组对比试验，试验结果显示正常大气中CO2碳同位素特征值约为-0.8%［5］，煤炭燃烧产生的CO2碳同位素特征值-3.250%～-2.386%［6-7］。 国内学者基于准南地区煤系水化学信息和水动力条件，分析了该区水文地质特征与煤层气成藏模式、赋存规律的关系，认为构造、水动力条件是其富集成藏的重要控制因素［8］，并关注到煤层气中CO2成因、来源及其与煤层气成藏过程的关系。 为此，笔者基于气体同位素测试结果，剖析准南地区低煤阶、大倾角特殊地质背景下煤层气系统形成与改造特点，探讨富CO2低阶煤层气成藏模式。

1 样品采集与试验方法

取34 份气样来源于淮南区煤层气排采井。 煤层气样相关测试由国家地质试验测试中心完成。 其中，依据GB／T 13610—2014《天然气的组成分析气相色谱法》，采用7890B 气相色谱仪测定气体组分；煤层气碳、氢同位素组成采用Finnigan MAT 253 质谱仪测定，δ13C和δD 测定分别相对于13C 与12C 同位素丰度比（PDB）和海水中D 与H 同位素丰度比（SMOW）标准进行校正。 结果数据［9-10］如图1 所示。 气体组分资料收集于准南地区参数井气体测试报告见表1。

图1 准噶尔盆地南缘地区煤层气成因判识（底图引自文献［9-10］）Fig.1 Identification chart of CBM origin in southern margin of Zhunggar Basin

表1 准噶尔盆地南缘地区煤层气体化学组分Table 1 Chemical composition of CBM in southern Zhunggar Basin

2 煤层气成因类型

煤层气分为生物成因气和热成因气2 类，热成因气可进一步细分为早期热成因湿气和晚期热成因干气［11］。 煤层气中不同气体浓度在一定程度上反映煤层气成因，通过气体组分组成可大致判识煤层气成因。 不同成因煤层气干燥系数不同，热成因气该项比值＜100，生物成因气＞1 000，热成因气与生物成因气的混合气则介于100 ～1 000［12-13］。 甲烷稳定碳同位素也可作为判断天然气来源的重要指标，δ13CCH4小于-5.5%一般为生物成因气，反之为热成因气［14-16］。 前人关于甲烷稳定碳同位素分布特征提出过诸多假说与解释，例如，热动力学分馏效应、CH4／CO2同位素交互作用、甲烷气解吸-扩散-运移分馏效应、次生生物气作用以及地下水分馏效应［17-21］等。 准南地区煤化作用程度较低，镜质体最大反射率Ro，max为0.50%～0.90%，平均为0.65%，以长焰煤为主、气煤次之，在合适的地质条件下可形成生物成因气［21-22］。

准南地区煤层气成因多样。 煤层甲烷碳、氢同位素总体上偏轻（图1），δ13CCH4分布在-7.83%～-4.06%，δ13DCH4分布范围为-29.0%～-30.41%；在米泉地区以生物成因气为主（δ13CCH4为-7.83%～-5.50%），甲烷成因以CO2还原为主、乙酸发酵为辅；四工河地区煤层气δ13CCH4为-6.03%～-4.06%，以热成因气为主；白杨河地区δ13CCH4为-6.38%～-4.76%，以混合成因气为主；玛纳斯地区δ13CCH4为-6.30%～-4.39%，以热成因气为主。

在准南地区的不同地带，煤层CO2浓度差异明显，垂向上分布规律不同（表1），二氧化碳δ13CCO2为-1.54%～2.51%。 在玛纳斯、白杨河、四工河地区，以微生物产甲烷伴生煤层CO2为主；米泉地区煤层CO2的成因复杂和来源多样，微生物作用产甲烷伴生、热降解作用均参与生成CO2，同时，除单个数据显示存在海相碳酸岩转化成因，仍然有部分CO2成因不明。

3 CO2成因及其地质效应

3.1 CO2来源与成因

低阶煤具有氢、氧、氮含量高，碳含量低以及化学反应性好的特点［25］。 低阶煤分子碳骨架中的芳香结构主要以苯环和萘环为主，芳香层侧链数目远大于桥和环的数目，碳骨架中芳香结构延展度和堆砌度均较低［26］。 泥炭和褐煤富含易于生物降解的原始有机物，细菌可利用的营养物质丰富，厌氧菌群分解生成原生生物气，伴生大量CO2。 煤层在埋藏较浅的地层条件下，如果具备适宜的温度（一般＜50 ℃）、贫氧、高有机质丰度、中性或偏碱性流体等地层条件，通过乙酸发酵（1.03＜分馏系数＜1.06）和二氧化碳还原，可大量生成次生生物成因气［24，27］（图1c），两种作用的相对强弱关系控制着煤层中CO2的组分特征。 煤在热解过程中，视煤气发生率十分可观，褐煤乃至气煤气态产物都表现为CO2数量优势（图2）。

图2 煤化作用过程中气体生成量［15］（据Rice，1993 修改）Fig.2 Amount of gas generated during coalification

在长焰煤生烃热模拟过程中，热解生气量随反应时间延长成倍增加［25］。 氢气几乎不出现在现实煤层气藏中，但在人工热解产物中大量存在，快速增温导致C-O 原子竞争结合，限制了H 元素转入成烃反应。 试验结果虽未记录其他杂原子（N、S）产物构成，仍然反映出一个不争的事实，即煤化作用早期阶段脱氧反应成就了CO2的大量生成，使其占到气体产物的60%以上。

准南地区煤层风氧化及自燃现象广泛发育，热变煤（烧结带）的深度有时逾越千米，煤层不同程度受火烧影响［26］，导致其渗透性被增强，为地表水提供了良好的下渗补偿通道［27］，进一步加强了煤层气藏与地表的沟通，成为非烃类气体参与成藏的又一途径。 引言述及，自然界中煤层燃烧生成的CO2碳同位素特征值介于-3.250%～-2.386%，而图1d 显示，准南地区二氧化碳的δ13CCO2值分布在-1.54%～2.51%，不符合煤层燃烧成因二氧化碳的碳同位素值分布特征，说明自燃所产生的CO2对煤层气藏的影响甚微。

3.2 地下水溶解及差异性生物改造作用

甲烷由单键组成正四面体结构以及碳、氢原子间负电性接近，整个分子几乎不被水分子吸引，而CO2在水中的溶解度远大于相同条件下甲烷的溶解度［28］。 CO2易溶于水并反应生成碳酸，其反应为可逆反应，在地层水交换通畅的条件下，煤化作用产生的CO2可被大量消耗［29］。 由于这种选择性水溶作用将导致含气系统中气体组成的改变，即CH4相对增加，CO2相对减少。 这种受水体流动性影响下的CO2不充分溶解消耗，正是导致准南米泉地区为代表的煤层气CO2浓度随埋深增加而增高的可能原因。

准南地区受多次冰期、天山融雪作用影响，在地表易形成低盐度、低矿化度地层水，在地质历史上利于甲烷菌与生物甲烷气的生成。 对于低阶煤而言，煤化作用以含氧官能团的断裂为主，芳烃结构上烷烃支链部分断裂形成少量CH4和C2H6以上的重烃，CO2等非烃类气体大量生成，导致含煤层气系统储集空间充斥CO2，为次生生物甲烷生成积聚了充足的底料。 浅部煤层产甲烷菌活跃，CO2作为二氧化碳还原生成甲烷的主要原料被大量消耗，导致浅部煤层CO2含量降低；煤层深部由于水体环境、压力等的制约，CO2溶解造成的酸化及高矿化度介质环境，同时抑制产甲烷菌活性，CO2消耗速率减缓，导致深部煤层CO2浓度高于浅部，这一现象在以生物成因气为主的区域（图3）表现得更为明显。

图3 煤层CO2浓度与埋深关系Fig.3 Relationships between CO2 concentration and buried depth in coal seams

图3 显示，以生物成因气为主的米泉地区和混合成因的白杨河地区，受浅部径流环境长期稳定溶解消耗、微生物生烃作用以及深部滞留水体环境富集作用，煤层CO2浓度在＜1 000 m 埋深范围表现出随埋深增大而增加的趋势，而埋深＞1 000 m 后受制于CO2溶解平衡，CO2浓度逐渐趋于稳定；河西、硫磺沟地区浅部煤层受风氧化作用影响，CO2浓度较高且随着埋深增加而呈现出对数降低的趋势，这是深部煤层风氧化作用减弱的结果；四工河、玛纳斯地区取样点较深（1 000～1 300 m），煤层气以热成因气为主，微生物后期改造作用弱，CO2浓度偏低。

4 CO2成因与煤层气成藏作用

准南地区煤层CO2浓度变化大，表明该区煤层气成藏作用的复杂性以及煤层气成因的多样性，可归纳为如下3 种类型。

1）封闭原位型煤层气藏。 主要分布于大倾角煤层中深部，褶皱核部以及封闭性断层部位。 突出特征表现为煤层封闭性好，煤层与地表基本无直接沟通作用，地下水以滞留、弱径流为主。 该类煤层气藏一般埋藏较深，煤化作用早期产生的水消耗极弱，且生物还原作用亦在地层水高度矿化和酸化条件下进行不彻底。 煤层气中CO2占比高达20%以上，甚至超过41%。 这类气藏主要分布于米泉、白杨河深部区域。

2）半封闭扰动型煤层气藏。 常作为过渡型煤层气藏与其他类型煤层气藏共生，可赋存于各类构造部位，多以弱径流地下水环境为主，间接与地表沟通。 煤层气以混合成因气为主，资源品质较好，气体成分以CH4为主，CO2、N2等极少，非烃类气体占比一般少于10%，主要分布于阜康向斜核部和河西、玛纳斯、呼图壁等单斜深部。

3）开放连通型煤层气藏。 主要分布于大倾角煤层中，常位于单斜浅部、褶皱翼部以及开放型断层部位。 突出特征表现为煤层出露地表，受地表水、大气影响显著。 该类煤层气藏通常埋藏较浅，煤层气多以次生生物成因为主，出露地表的煤层易受火烧作用影响于浅部生成CO2，地表径流作用可导致一定埋深范围内CO2浓度异常。 主要分布于玛纳斯、呼图壁、河西等单斜浅部。

5 结 论

1）准南地区煤层中甲烷碳、氢同位素偏轻，其中δ13CCH4分布在-7.83% ～-4.06%，δ13DCH4分布在-29.0%～-30.41%。 米泉地区以生物成因气为主，以CO2还原为主、乙酸发酵为辅2 种方式共同影响CH4的生成；四工河、玛纳斯地区以热成因气为主；白杨河地区则为生物成因气与热成因气并存为混合型气藏。 此外，准南地区的不同地带煤层中CO2浓度差异明显，成因复杂。

2）准南地区煤层CO2浓度垂向差异较大， CO2具有煤化作用初期热解、微生物成烃伴生、无机等成因。 浅部水力循环造成煤层CO2持续溶解消耗，深部滞流环境中产甲烷菌活性降低，煤化作用早期大量产生的CO2水溶消耗速率减缓，导致深部煤层CO2浓度高于浅部，这种差异性成烃改造作用影响到煤层CO2的分布特征，形成了现今准南地区煤层气系统的CO2干预现象。

3）米泉和白杨河地区受地下水长期稳定溶解消耗和微生物生烃作用，煤层CO2浓度在＜1 000 m埋深范围表现出随埋深增大而增加的趋势，埋深＞1 000 m后受制于CO2溶解平衡而逐渐趋于稳定；河西、硫磺沟地区浅部煤层受风氧化作用影响，CO2浓度较高，随着埋深增加呈现出对数降低的趋势；四工河、玛纳斯地区煤层微生物后期改造作用弱， CO2浓度偏低。 煤层气成藏过程中普遍存在的CO2干预作用，指示研究区具有封闭滞流原位型、半封闭扰动型、开放连通型3 类煤层气藏，承载着煤层气成因、赋存等关键信息。