黄陇煤田大佛寺井田煤层气成因机制研究

刘恺德，姚凯文，陈能远，范章群，李姝佳，郑 涵，岳文萍，李晓龙

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安 710123；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710123；3.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

随着煤层气勘探开发技术的不断发展及美国、加拿大、澳大利亚等国外低阶煤煤层气藏商业开发的成功进展[1-3]，中国煤层气的勘探开发也从高阶煤发展到中低阶煤，中低阶煤煤层气的规模化开发在实现我国能源结构优化、确保国家能源安全等方面具有重要作用。

彬长矿区大佛寺井田位于鄂尔多斯盆地西南缘，为典型的黄陇侏罗纪低阶煤煤层气田，煤层气资源量丰富，达16.02×108m3[4]。作为彬长矿区的主力矿井，大佛寺矿井在开拓过程中瓦斯涌出量远超预期，连续多年被鉴定为高瓦斯矿井[5]。为实现大佛寺井田在煤矿瓦斯灾害防治、清洁能源补充和大气环境保护等“三重效益”，2014 年起陕西彬长新生能源有限公司开展了“大佛寺地面煤层气井开发‘26+1’项目”。几年来，该项目的实施结果显示，只有少部分垂直井单井稳定日采气量超过1 000 m3，个别井最高日采气量达3 043 m3，大部分井产气效果并不理想，有的井甚至不产气。要弄清导致这一产能差异化的原因，除需仔细查明每口井的钻井、压裂、排采等工程设计、施工环节的技术达标情况，以及地质构造等控气条件外，还应对大佛寺井田煤层气地球化学特征及成因机制进行系统性研究。煤层气成因研究对深化煤层气的形成机理认识和科学评价煤层气资源量具有重要指导意义，可为煤层气高、低产井产能差异化分析提供重要依据。

近年来，针对大佛寺井田煤层气地质条件[6-7]、富集规律[8-9]、产能[10-11]等方面的研究成果已颇为丰富，但有关该区煤层气成因机制方面的研究还有待深入[12]。笔者结合国内外前人的研究成果，选择大佛寺井田内有代表性的煤层气井气样、水样、煤样作为研究对象，通过分析主采煤层的显微煤岩组分，煤层气井气体组分，CH4、CO2碳同位素特征，研究煤层气形成演化过程及次生改造作用机理，探明大佛寺井田煤层气成因机制。

1 研究区地质概况

大佛寺井田处于彬长矿区南部路家小灵台背斜与彬县背斜之间。地质构造整体较为简单，呈一条N50°～70°E，倾向NW-NNW 的波状单斜构造，主要发育3 条NEE 向宽缓褶皱，即安化向斜、祁家背斜和师家店向斜，以及一系列NNW、NNE 向的次级褶皱(图1)。井田地层产状的变化与褶皱构造有关，含煤地层倾角平缓，一般为3°～5°，仅在井田北部安化向斜南翼与祁家背斜北翼之间倾角较大，为17°～21°，断层落差以5 m 以下为主[13]。侏罗系延安组为本区唯一含煤地层，共含6 个煤层(包括分煤层和分叉煤层)，自上而下依次为3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上-3、4 号煤，其中，4上煤大部分可采，4 号煤全区可采。4 号煤厚度为0～19.42 m，平均11.65 m，结构简单，属特厚煤层，面积可采率97.01%，埋深270～750 m，一般400～650 m，为本区主采煤层(图2)。井田水文地质条件相对简单，断裂构造不发育，含水层之间泥岩隔水层稳定分布，延安组含水层与其他含水之间不具有明显水力联系，有利于煤层气的保存和开采。

图1 大佛寺井田构造分布Fig.1 Structure of Dafosi mine field

图2 大佛寺井田侏罗系延安组综合柱状图Fig.2 Histogram of Jurassic Yan’an Formation in Dafosi coal mine

2 样品采集和测试方法

本次研究采用排水集气法对大佛寺矿区6 口正常排采的地面煤层气井进行取样，其中，对DFS-C01、DFS-C03V、DFS-C04V、DFS-05V、DFS-06V 井各取气样1 件，共5 件；而对煤层气产量(最高达1.8×104m3/d)较大的DFS-C02V 井，取气样3 件，总计8 件。其中，将部分气样送至中煤科工西安研究院(集团)有限公司地质研究所物化测试中心，依据GB/T 13610-2020《天然气的组成分析 气相色谱法》进行煤层气化学组分测试，测试精度0.001%。另一部分气样送至中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心，依据PDB 国际标准，在测试误差为±0.25‰以下，采用MAT253 及Delta Plus XP 稳定同位素质谱仪进行煤层气碳同位素检测分析。同时，为使研究结果更具普遍性和代表性，本次气样除了实测的8 组数据外，采用文献[12]中对本区煤层气组分及碳同位素分析的7 组数据，共对15 组数据进行分析，测试结果见表1。同时，采集本区22 块4 号煤层样进行显微煤岩组分分析，其中，5 块进行煤的镜质体最大反射率(Rmax)测定。

表1 煤层气组分及碳同位素测试结果Table 1 Test results of coalbed methane composition and carbon isotopes

3 煤层气成因机制分析

3.1 显微煤岩组分

研究区主采的4 号煤宏观煤岩组分主要以暗煤为主，含少量亮煤和镜煤，局部丝炭较富集，多呈条带状或薄片状夹杂于其他组分之中；宏观煤岩类型以半暗型煤为主，暗淡型煤次之。4 号煤显微煤岩组分测试结果(表2)表明：有机组分含量较高，平均占93.2%，其中，惰质组体积分数明显占优，平均68.2%；镜质组次之，平均22.8%；壳质组最低，平均2.2%；无机组分体积分数很小，平均占6.8%，主要以黏土类和碳酸盐岩类矿物为主。

表2 4 号煤层显微煤岩组分测试结果Table 2 Test results of coal maceral in No.4 coal seam

根据已有的热模拟实验研究结果[14]，各种煤岩有机显微组分的生烃能力及生烃特点均有很大差别，通常，壳质组最强，镜质组次之，惰质组最差；但壳质组以生液态烃为主，而镜质组以生气为主，是热成因煤层气的最重要生气母质；丝质体等惰性组分的生烃潜力则极低。

根据研究区4 号煤层镜质组体积分数(平均为22.8%)，可知，该区有一定的热成因气生成物质基础；又该区Rmax为0.62%～0.71%，平均值为0.65%，大于0.5%，且0.65%∈(0.6%，2.0%)，可知煤中生成的气体既有热成因气，也有次生生物气，可能为混合成因气[15]，但其确切成因类型还要根据这一区间内的煤阶是否具备产生混合成因气的条件，以及本区气体碳同位素值等进行判断。

3.2 煤层气组分

大佛寺井田煤层气组分以CH4为主，其次是N2，含少量CO2，C2及以上重烃含量甚微(表1)。其中，各组分体积分数分别为：CH4为73.805%～98.006%，平均83.753%；N2为1.259%～25.735%，平均15.220%；CO2为0.040%～2.380%，平均1.023%；重烃(C2+，主要为C2H6)为0～0.029 6%，平均值小于0.005 4%。显然，该区的煤层气以干气为主。又根据干燥系数(φ(C1)/φ(C2+))对生物成因气(φ(C1)/φ(C2+)=1 000～4 000)与热成因气(φ(C1)/φ(C2+)＜100)的成因类型初步判识准则[15]，可知研究区煤层气的φ(C1)/φ(C2+) ≫1 000，即φ(C1)/φ(C1-n)∈0.999～1，φ(C1)/φ(C1-n)＞0.999，可确定检测气样为特干气，虽然生物成因气和热裂解气均具有干气特征，但后者主要产生于Rmax＞2%的高阶煤[16]，研究区煤层为典型的低阶煤，故可推断研究区煤层气属于生物成因气。

对表1 中的CH4和N2含量变化进行拟合分析(图3)，容易发现二者具有良好的线性负相关性，通常这种关系在无次生变化的煤层气中很难出现，其反映了大佛寺井田煤层气在成藏过程中，尤其在成藏后期受空气的影响很大[17]。究其原因，一方面，因为早在侏罗纪末期，延安组煤系就受到燕山运动第二幕的影响，发生过一次明显的抬升作用，使得上覆地层遭到剥蚀，导致大量的已生成煤层气发生逸散，且大气和含菌地下水得以渗入煤层，后又经多次剧烈的地壳运动，使煤层气和大气之间的交换作用更加显著；另一方面，由于地球大气层主要由约78%的N2、21%的O2和其他微量气体组成，因N2化学性质不活泼，渗入地下后可与煤层气混合稳定存在于煤层中；而O2性质较活泼，渗入地下后极易与许多岩石和矿物质发生反应而消耗。因此，大佛寺井田煤层气主要是以CH4为主的特干次生生物成因气和以N2为主的惰性气体组合而成的混合气体，而其中CH4和N2的相对含量变化呈现为彼此消长的负相关关系，其反映了以CH4为主的原生生物成因气逐渐向次生生物气过渡的趋势。

图3 煤层气中CH4 与N2 含量关系Fig.3 Content relationship of CH4 and N2

3.3 煤层气碳同位素特征

在判断煤层气成因时，只有结合煤的热演化程度和煤所处的地质条件，才能取得更好的判识效果[18]。在对其研究中，甲烷碳同位素值是判识煤层气成因类型最有效的指标之一。由表1 可知，大佛寺井田甲烷碳同位素(δ13C1)实测值为-80.516‰～-62.400‰，平均-73.000‰。根据大佛寺井田煤层气成因判别Bernard图版[19](图4，对表1 中φ(C1)/φ(C2+)为无限大的点取100 000 来处理)，容易看出，研究区所有样品点均落在生物成因范围内，再次验证了该区煤层气的生物成因。

同时，容易发现实测值明显小于煤层气成因分类的临界值-55‰[15]，且与中国煤层气δ13C1值分布范围(-72.3‰～-24.9‰[18])相比，部分实测值已超出了该分布区间的下限，甚至平均值也低于下限；再者，根据不同研究者所建立的原生型煤层气δ13C1-Rmax热模拟拟合关系式[20-26]，可推知大佛寺井田原生型煤层气δ13C(CH4)介于-57.4‰～-30.9‰(表3)，较实测值明显偏重。因此，可进一步确认该区煤层气主要气源不是原生生物成因气，而是经历过后期次生生物改造作用，且呈现出显著“变干”“变轻”特征的次生生物成因煤层气，这与我国煤层气普遍变轻、变干的规律相吻合。

表3 大佛寺井田原生型煤层气δ13C1 值推测Table 3 Estimation of δ13C1 values of primary coalbed methane in Dafosi mine field

3.4 煤层气成因机理

3.4.1 煤层气形成演化

成煤有机质经泥炭化和煤化作用过程可演化为不同变质程度的煤，并在不同演化阶段生成不同成因类型煤层气，如原生生物成因气、热成因气和次生生物成因气等[27]。大佛寺井田的煤层气为生物成因气，究其形成演化机理，无论是原生生物成因气还是次生生物气，其生成途径主要有2 种[28-29]：一种是由CO2还原而成，一种是由甲基类发酵(一般为乙酸发酵)而成，即：

这2 种作用一般是在近地表环境的浅层煤层中进行，且要求地层中具备良好的产气母质、较低的温度及中性的pH 值等条件[30]。研究区地层温度为22.13～24.5℃，地层水pH 值为8.33，煤层有机组分体积分数达90%以上，明显高于其他矿区，且埋深为270～750 m，具备良好的生气条件。

原生生物成因煤层气主要产生于泥炭化作用阶段[31]，在相对低温和浅埋深的泥炭沼泽环境中通过细菌分解等一系列复杂过程所生成。但此时生成的原生生物成因气在煤层中的吸附量很少，加之，早期煤的显微结构还未充分发育为聚气结构。因此，一般认为，大部分早期生成的原生生物成因甲烷并不能被大量地保留在煤层中，一般在煤层压实和煤化作用下从煤层中逸散[32-33]。依据大佛寺井田煤层气所呈现出的显著变轻的次生生物成因特征，认为研究区原生生物成因气在煤层中保留量很少。

根据气含量测试结果，黄陇侏罗纪煤田彬长矿区4 号煤层总含气量为0.82～6.38 m3/t，其中甲烷为0.33～5.82 m3/t[34]，分区域而言，大佛寺井田甲烷含量一般可达2～4 m3/t，煤层气主要以次生生物成因气为主，原因在于大佛寺井田煤层满足次生生物气生成和滞留的条件[2]。

首先，大佛寺井田煤层埋藏较浅(270～750 m)，煤系受到多期强烈的构造运动抬升和剥蚀[35]，在煤系沉积之前，受海西-印支运动影响，煤系基底呈现出明显的NEE 向隆起与凹陷格局；聚煤期后，在中侏罗世末期，受燕山运动第一幕的影响，地壳抬升，先期沉积地层受到较轻程度的剥蚀；早白垩世末期，晚燕山运动使鄂尔多斯盆地边部经历了挤压逆冲、抬升剥蚀作用，而且作用时间长，活动强烈，直到古近纪早期，地壳全面隆升；新近纪，区内构造活动仍然比较强烈，尤其在喜马拉雅运动多期作用下，当混入外来微生物的含菌地表水渗入煤层，并在较低温度下，发生细菌降解煤化过程中产生湿气、正烷烃及其他有机物的现象时，便生成次生生物成因气[2]。

其次，次生生物气的生成有赖于专性厌氧菌，如产甲烷菌，而大佛寺井田地层水温度较低、pH 值为中偏碱性、矿化度(3 284.15 mg/L)小于4 000 mg/L，适宜的地下水环境可为产甲烷菌创造有利的生存空间[36]。

最后，研究区煤化程度为长焰煤，煤层渗透性较好，其中，4 号煤层渗透率为(3.06～5.73)×10-3μm2；且含气饱和度较高，为40.39%～ 80.47%；储层压力梯度虽较低，平均为0.38 MPa/hm，但煤层底板为泥岩隔水层，顶板为砂泥岩隔水层，圈闭条件好。这些也不同程度地反映或佐证了研究区具备适于次生生物成因气生成及存储的有利因素，也是煤层气气源良好的一个重要原因。

3.4.2 煤层气偏轻机理

大佛寺井田煤层气为次生生物成因气，其最显著的标志为δ13C1偏轻和重烃含量极少，显示为典型干气、特干气特征。现从研究区水动力作用、次生生物改造作用两个方面，分析甲烷碳同位素偏轻机理，以探讨次生生物气的成因机制。

1) 水动力作用

首先，水的溶解作用可使煤层甲烷碳同位素发生分馏。根据相似相容原理，水作为一种弱极性溶剂，13CH4在水中的溶解能力要大于12CH4，故在径流区更容易将13CH4溶解带走。因此，根据地下水运动规律，在水动力强的径流区13CH4减少，而在水动力弱的滞流区13CH4增加，从而出现滞流区甲烷碳同位素变重的现象[37]。然而，对研究区水动力特征研究[38]表明，延安组煤系含水层与其他含水层之间并不具有明显的水力联系，水动力条件弱且煤系地下含水层仅能补给于区外侧向径流，属地下水滞流区。水溶解作用对研究区甲烷碳同位素的影响较小，且只能导致变重。

另外，从矿化度的角度而言，因其是水动力强弱的重要指标[39]，在一定程度上反映水动力条件的强弱，即矿化度越高，代表目标区域的水动力越弱。根据研究区4 号煤层地下水及地表水样水质监测结果(表4)，大佛寺井田延安组4 号煤层地下水总矿化度达3 284.15 mg/L，水型为NaCl 型，呈弱碱性，阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-、、为主。而地表水水型为NaSO4/NaHCO3型，呈弱碱性，矿化度为1 071.87 mg/L。显然，4 号煤层地下水矿化度明显高于地表水，明显为高矿化度水[40]。综上可知，研究区煤层地下水动力作用弱，水溶解作用并非本区甲烷碳同位素变轻的原因。

表4 大佛寺井田4 号煤层地下水及地表水水质监测结果Table 4 Monitoring results of groundwater and surface water quality in No. 4 coal seam of Dafosi mine field

2) 次生生物改造作用

由次生生物改造作用引起煤层气甲烷碳同位素偏轻的主流观点有两个：即同位素分馏效应[41]和原始母质同位素继承效应[42-43]。前一观点将同位素分馏看作是量子效应，即重同位素和轻同位素在量子机械效应方面存在零位能上的轻微差异。轻同位素因零位能较高，其组成的物质化学键易断，从而导致二者在反应速率上存在明显差异，进而引起同位素分馏。同时，由于轻同位素键能较小，断裂所需离解能也较低，致使微生物优先作用于键能小的12C，从而导致次生生物成因气碳同位素偏轻。换言之，煤有机质12C 的化学活性比13C 大，厌氧微生物利用12C 所需要的活化能比利用13C 要小，导致厌氧微生物首先利用12C，使生成的生物气甲烷具有轻碳同位素特征[44]。

原始母质继承效应观点则认为，次生生物气是微生物以煤中有机质作为母质代谢产生，而煤作为一种典型的Ⅲ型干酪根，为腐殖质，含有大量的芳香族化合物和不同种类的官能团(侧链)，其中，芳核δ13C 丰度高于类脂侧链，芳香族物质一般富含13C，类脂物质一般富含12C，于是致使煤中总体碳同位素组成具有δ13C干酪根＞δ13C芳香族＞δ13C类脂侧链特点[43]。因此，一方面，微生物降解作用的主要对象即为类脂侧链，而这些类脂侧链中富集明显偏轻的碳同位素，因而，次生生物成因气13C1偏轻。另一方面，同位素形成分配函数比(即β 因子)与重同位素的丰度成正比，其值越大，对应结构的同位素组成就越重，而天然的固体有机母质中甲基碳原子β 因子(βδ13C)的值明显小于羧基[43,45]。因此，有机母质本身甲基碳同位素组成偏轻，而羧基碳同位素组成偏重。次生生物气的地球化学组成与原生生物成因煤层气相似，其主要生成途径也是细菌还原CO2产气和乙酸发酵作用产气[28-29]，但前者需满足-110‰＜δ13C1＜-65‰，后者需-65‰＜δ13C1＜-50‰[2,46]。根据研究区δ13C1的测试结果：-80.5‰～-62.4‰，容易看出，本区大部分(-80.5‰＜δ13C1＜-65‰)次生生物成因气由CO2还原而成，少量(-65‰＜δ13C1＜-62.4‰)由乙酸发酵而成。由表1，δ13CCO2为-41.693‰～-7.065‰，平均-18.660‰。采用Bernard 图版[19]得到研究区煤层气δ13C1和δ13CCO2的关系(图5)。从图中可以发现，除1个样品点落在CO2还原和乙酸发酵的交界处外，其余的样品点均落入CO2还原区域，这进一步验证了大佛寺井田煤层气中的甲烷绝大部分由CO2还原形成，仅少量由乙酸发酵而成。对于前者，在微生物将CO2还原为CH4的过程中，发生了残留的CO2碳同位素组成变重，而CH4的碳同位素组成变轻的同位素动力学分馏效应[19,47-48]，从而使δ13C1值变低。其根本原因在于气体碳同位素对母质的继承效应，使得轻碳同位素被分馏到CH4中，而重碳同位素被分馏到CO2中[49]，进而说明次生生物气偏轻。对于后者，乙酸在发酵过程中通过甲基加氢而形成CH4，羧基去氢形成CO2，因继承效应，煤中由甲基组成的轻碳同位素多被分馏到CH4中，而由羧基组成的重碳同位素则多被分馏到CO2中[43]。如 此，生 物 甲 烷 富 集δ12C 越 多，CH4中δ13C1占比越少，δ13C1则越轻；而CO2富集重碳同位素越多，CO2中δ13CCO2占比越多，δ13CCO2则变得越重，其结果必然呈现出次生生物成因气中甲烷总体富集轻碳同位素的趋势。可见，无论次生生物成因气在哪种生成途径下生成，最终均会导致煤层气中甲烷富集轻碳同位素的结果，此即为研究区煤层气甲烷碳同位素明显偏轻的根本原因所在。

图5 δ13C1 与δ13CCO2 关系(底图据文献[19])Fig.5 Relationship of δ13C1 and δ13CCO2(Based on Reference [19])

4 结 论

a.黄陇煤田彬长矿区大佛寺井田煤层气组分以

CH4为主，体积分数为73.805%～98.006%，平均83.753%；N2体积分数为1.259%～25.735%；平均15.220%；CO2体积分数为0.040%～2.380%，平均1.023%；C2及以上重烃体积分数平均值小于0.005%；φ(C1)/φ(C1—n)＞0.999，判定研究区煤层气为特干生物成因气；CH4和N2含量呈明显负相关性，表明煤层气在成藏后期受空气影响严重。

b.大佛寺井田煤层气δ13C1实测值为-80.5‰～-62.4‰，平均-73.0‰；δ13CCO2为-41.693‰～-7.065‰，平均-18.660‰。判定研究区煤层气经历过后期次生生物改造作用，为呈现出显著“变轻”特征的次生生物成因气。

c.研究区煤层气主要为次生生物成因气，其绝大部分由CO2还原而成，少量由乙酸发酵而成，甲烷碳同位素偏轻的根本原因是，在次生生物成因气生成过程中，2 种生成途径最终均会出现生物甲烷富集轻碳同位素的结果，从而导致甲烷碳同位素13C1偏轻，煤层气为典型干气、特干气特征，而水动力作用不是研究区碳同位素变轻的原因。

致谢：文中部分数据来源于第一作者之前的供职单位：中煤科工西安研究院(集团)有限公司，在此深表感谢！