淮南潘集礦區(qū)二疊系煤層瓦斯成因類型分析

胡寶林，王博文，徐宏杰

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層氣在漫長的演化過程中，其地球化學(xué)特征受內(nèi)因和外因的影響而發(fā)生變化，因此不同地區(qū)煤層氣成因類型差異顯著[1]。1982a，美國對煤層氣的地面勘探開發(fā)取得重大突破，拉開了煤層氣研究領(lǐng)域的序幕。20世紀(jì)90年代，在美國的圣胡安盆地煤層氣勘探開發(fā)中，專家首次揭示出次生生物成因氣的存在，認(rèn)為次生生物氣是由有機物經(jīng)細菌作用形成[2]。

淮南煤田主要含煤巖系為石炭-二疊紀(jì)煤系，區(qū)內(nèi)煤炭資源與煤層氣資源量豐富[3]。文獻[4-9]以淮南潘集深部石盒子組煤系地層為研究對象，分析了煤系頁巖氣儲集空間特征，探討了孔隙結(jié)構(gòu)對甲烷吸附能力的影響以及深部煤層氣含量估算方法。對于煤層氣成因方面的研究主要有兩方面：一是從礦井安全和環(huán)境保護考慮，探究瓦斯突出來源的問題；二是從資源儲量和評價方面，研究煤層氣的成因類型為其資源評價提供依據(jù)。以往對淮南煤層氣的研究主要還是停留在為煤炭的安全開采作鋪墊的階段，在煤層氣來源和成因類型方面的研究處于起步階段。煤層的內(nèi)在屬性與形成條件會直接影響煤層氣的成因。一般認(rèn)為煤層氣為熱成因氣，但也有次生生物成因[10-11]。采用甲烷碳同位素是對其判識的有效方法[12-13]。文獻[14]于2005a在淮南新集煤礦發(fā)現(xiàn)了次生生物氣，同時還伴隨有少量熱成因的混合氣，并對其同位素地球化學(xué)特征進行了的研究，但對研究區(qū)煤層瓦斯成因尚缺乏更多的探討。為此，本文以淮南潘集二疊系煤層氣為研究對象，實驗與理論相結(jié)合，系統(tǒng)地分析了礦區(qū)煤層氣來源及成因類型。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于淮南煤田復(fù)向斜的東段，陳橋—潘集背斜轉(zhuǎn)折端的深部(見圖1)。背斜軸向NWW，由轉(zhuǎn)折端向兩翼延伸地層傾角逐漸變小，兩翼走向變化明顯，南翼走向呈EW～NWW向，北翼由于受斷層影響，走向近SN向。研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組和石盒子組。石炭系煤層發(fā)育極不穩(wěn)定，煤層厚度薄，開采價值不大；而二疊系煤層發(fā)育相對比較穩(wěn)定，煤層層數(shù)多并且厚度大。本次研究主要涉及煤層有1、3、4、5、6、7、8、11、13等主采煤層，也是煤層氣資源儲量豐富的主要煤層。

圖1 淮南煤田構(gòu)造綱要圖

區(qū)內(nèi)孔隙、砂巖裂隙和巖溶裂隙發(fā)育，主要含水層由第四系松散層孔隙含水層組、二疊系砂巖裂隙含水層組、太原組和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組組成。它們彼此之間層序分明，構(gòu)成水力聯(lián)系密切的含水系統(tǒng)[15]。尤其是第四系松散層孔隙含水層，在構(gòu)造抬升過程中，煤系含水層與第四系松散層孔隙含水層發(fā)生水力聯(lián)系，而第四系含水層直接接受大氣降水和地表水的補給[16-17]。第四系松散層孔隙含水層將煤系含水層和地表水聯(lián)系起來，為大氣降水和地表水向煤系含水層補給提供了通道，為水中微生物進入煤層提供了載體。

2 地球化學(xué)特征分析

(1)樣品采集與測試

本次研究所用到的瓦斯樣來自于潘集外圍鉆孔煤心的解吸氣樣、潘集煤礦內(nèi)部礦井井下工作面鉆孔及地面鉆孔氣樣，其中，工作面鉆孔逸出氣樣直接用氣樣袋封裝。本次研究共采集袋裝氣樣47件，從潘一礦、潘二礦、潘三礦普查和勘探階段地面鉆孔及潘集外圍詳查鉆孔采集了共計70余件煤樣。所采集到瓦斯煤樣重量一般在200～300g之間，為了防止煤樣受大氣污染，應(yīng)盡快將煤樣裝入密封罐內(nèi)。

瓦斯組分含量測試按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19559-2004，在中國科學(xué)院廣州地化研究所進行，實驗儀器采用氣相色譜儀-氣體全組分測試儀(儀器型號為HP6890/Wasson- ECE Gas Analyzer，由美國安捷倫公司生產(chǎn))，實驗精度為1%。瓦斯甲烷同位素測試在中國科技大學(xué)進行，瓦斯甲烷碳同位素采用氣相色譜-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(型號為Isoprime，由英國GV Instrumentsr公司生產(chǎn))，實驗誤差在0.05%內(nèi)；瓦斯甲烷氫同位素采用生產(chǎn)的氣相色譜穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(型號為Delta Plus XL，由美國ThermoFinigan熱電公司生產(chǎn))進行，實驗結(jié)果的測試精度可達到0.05%。

(2)瓦斯組分特征

瓦斯氣體的組分特征是鑒別成因類型的重要依據(jù)。煤樣解吸氣經(jīng)氣相色譜儀測試分析，所得數(shù)據(jù)歸一化處理后，獲得其相應(yīng)瓦斯組份，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 潘集礦區(qū)煤樣瓦斯樣組份分析結(jié)果匯總表

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，潘集礦煤樣解吸瓦斯中烴類組分主要為CH4，含量介于50%～93%之間，平均為83.43%；重?zé)N含量在0.35%～10%，而在深部部分含量可達10%以上。文獻[18]研究發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯重?zé)N含量在煤化作用過程中呈現(xiàn)周期性變化，重?zé)N含量由低到高再降低。根據(jù)重?zé)N含量變化特征可以判斷煤層總體處于低變質(zhì)煙煤階段。非烴類氣體以N2和CO2為主，N2含量在0.13%～29.40%之間，平均為13.90%，深部煤樣解吸瓦斯中CO2含量介于1.62%～27.26%之間，平均為7.30%。經(jīng)過比較分析，潘集深部煤樣解吸瓦斯氣體中非烴類氣體含量高于淺部，重?zé)N含量高于淺部，而CH4含量低于淺部。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對比分析同煤層內(nèi)重?zé)N含量和同鉆孔不同煤層內(nèi)重?zé)N含量與深度的關(guān)系(見圖2～圖3)，來探討烴類組分與深度之間的關(guān)系。

圖2 同煤層內(nèi)重?zé)N含量與深度的關(guān)系 圖3 同鉆孔不同煤層內(nèi)重?zé)N含量與深度的關(guān)系

文獻[19]實驗研究表明，煤巖顯微組分與煤層的生烴能力密切相關(guān)，生烴能力以殼質(zhì)組最強，鏡質(zhì)組次之，惰性組最差，在焦煤至無煙煤階段三者產(chǎn)出總烴氣的比值大致為1.5∶1.0∶0.7。分析圖2和圖3可知，在同一煤層內(nèi)煤巖顯微組分基本相同，因此在同煤層內(nèi)重?zé)N含量變化不大；在同鉆孔下跨越不同煤層，煤巖顯微組分發(fā)生變化，隨著深度的增加，具有產(chǎn)油傾向的殼質(zhì)組含量增多，導(dǎo)致重?zé)N含量隨深度增多。17-1鉆孔988m附近重?zé)N含量異?？赡苁且驗橹?zé)N被微生物分解成了甲烷。綜上所得，在一定深度下范圍內(nèi)重?zé)N含量隨深度增加而增加，在同一煤層內(nèi)重?zé)N含量隨深度變化不明顯。根據(jù)重?zé)N含量的分布規(guī)律，在煤層開采過程中，可以通過重?zé)N含量來判別在掘進過程中是否發(fā)生串層。

(3)甲烷碳同位素分布特征

煤變質(zhì)階段的劃分一般用煤的鏡質(zhì)組最大反射率來表征。各煤層煤層氣的δ13C1值與煤的最大鏡質(zhì)組反射率的關(guān)系如下(見表2)。根據(jù)表2可知，研究區(qū)煤巖鏡質(zhì)組最大反射率范圍在0.71%～1.00%；根據(jù)變質(zhì)階段劃分依據(jù)可知，研究區(qū)內(nèi)煤的變質(zhì)程度主要屬于低變質(zhì)煙煤和中變質(zhì)煙煤階段[20]。研究區(qū)煤層瓦斯甲烷碳同位素波動范圍不顯著，變化范圍在-4.472%～-3.246%，與同時代波恩盆地[21]煤層甲烷碳同位素相比明顯偏重。

表2 煤層氣的δ13C1值與煤的最大鏡質(zhì)組反射率的對比關(guān)系表

據(jù)表2和圖4可知，在潘集淺部各煤層中，甲烷碳同位素含量范圍在-3.372%～-3.247%之間，對應(yīng)煤層有機碳同位素含量在-2.452%～-2.334%之間； 淺部埋藏瓦斯煤樣中甲烷碳同位素與對應(yīng)煤層有機碳同位素的變化總體具有較密切的相似性。潘集深部各煤層甲烷碳同位素含量范圍在 -4.472%～-3.654%之間，深部煤樣解吸瓦斯中甲烷碳同位素的變化與對應(yīng)煤層中有機碳同位素的變化并不同步，可能是由于淺部煤層受構(gòu)造熱演化、水文條件及儲層結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致煤層中有機碳同位素即瓦斯中甲烷同位素發(fā)生分餾的同步性較強[22]。潘集深部煤層埋深較深，相比于淺部受構(gòu)造變動幅度影響所發(fā)生的煤層瓦斯碳同位素分餾程度要輕。

為了分析煤層瓦斯甲烷碳同位素的分布特征，先求各煤層瓦斯甲烷碳同位素的平均值，對比各主要煤層瓦斯中甲烷碳同位素及煤層中原始有機碳同位素的值(見圖4)。根據(jù)圖4不難發(fā)現(xiàn)，無論是淺部煤樣解吸的瓦斯還是深部煤樣解吸的瓦斯，其甲烷碳同位素與煤中有機碳同位素相比，均呈現(xiàn)明顯的偏輕狀態(tài)，說明研究區(qū)煤層吸附瓦斯在形成過程中隨深度的變化發(fā)生了明顯的分餾變化。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，煤層甲烷碳同位素變輕的根本原因是強烈的地下水活動[23]。還有學(xué)者指出，13CH4在水中的溶解能力要大于12CH4，在強水動力條件下，游離氣中的13CH4溶解于水， 使12CH4在游離氣中相對富集，富集的12CH4與吸附氣中的13CH4發(fā)生置換反應(yīng)，導(dǎo)致吸附氣中12CH4聚集，煤層甲烷碳同位素變輕[24]。在華北聚煤盆地，煤系與下覆奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層容易發(fā)生水力聯(lián)系，從而導(dǎo)致煤層甲烷碳同位素變輕。

圖4 有機碳δ13C1值與潘集淺部、深部對比關(guān)系圖

(4)甲烷氫同位素分布特征

現(xiàn)有資料顯示，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)煤層氣δ13C1值變化非常復(fù)雜，在實際應(yīng)用中存在很多困難[25]。因此甲烷的另一種同位素——氫同位素成了研究煤層瓦斯的另一種重要方法。文獻[26-27]研究表明，熱成因氣的氫同位素組成的影響因素主要包括沉積環(huán)境和成熟度，前者的影響程度比后者大，而且可以根據(jù)甲烷氫同位素組成來判斷烴源巖的干酪根類型，進而鑒別煤層氣的成因類型。研究區(qū)煤樣解吸瓦斯甲烷氫同位素分布特征如表3所示。

表3 煤樣解吸瓦斯甲烷氫同位素分布特征

數(shù)據(jù)分析得知， 研究區(qū)煤層甲烷氫同位素值差異較大， 含量介于-19.999%～-13.387%之間， 平均為-17.804%。 為了更好地說明研究區(qū)煤層瓦斯中甲烷氫同位素的分布特點， 將其與世界有關(guān)典型含煤盆地同時代煤層進行了對比。 波蘭下煤盆地石炭紀(jì)煤層氣甲烷氫同位素的分布范圍為-25.6%～-11.7%，美國波恩盆地二疊紀(jì)煤層氣甲烷氫同位素的分布范圍為-27.9%～-17.1%。對比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)瓦斯中甲烷氫同位素與世界典型盆地瓦斯中甲烷氫同位素分布一致[28]。

考察研究區(qū)瓦斯甲烷氫同位素的分布特點，繪制了氫同位素隨煤層埋深的變化圖(見圖4)。由圖可以看出研究區(qū)煤樣瓦斯中甲烷氫同位素隨煤層埋藏深度的增加而明顯偏重，且變化規(guī)律顯著。局部煤層出現(xiàn)異常，可能由于地質(zhì)構(gòu)造運動發(fā)生地球化學(xué)作用過程中甲烷同位素發(fā)生分餾效應(yīng)所致[29]。在研究區(qū)深部層位鉆探取心時發(fā)現(xiàn)巖石裂隙中出現(xiàn)油跡(見圖5)，說明深部煤巖干酪根類型為腐泥型或過渡型，即直鏈烷烴含量高，也佐證了深部重?zé)N含量較淺部高的情況。氫同位素含量隨深度增多也進一步說明了深部為富氫貧氧的沉積環(huán)境，從而解釋了深部巖心出現(xiàn)油跡的特點。

圖4 煤層埋深與甲烷氫同位素關(guān)系圖

圖5 巖心見油跡圖

3 煤層氣(瓦斯)的成因類型分析

文獻[30]認(rèn)為生物成因甲烷δ13C1值一般 <-5.5%，而熱成因甲烷δ13C1值一般>-5.0%。研究區(qū)甲烷碳同位素范圍在-3.406%～-3.246%之間，明顯符合熱成因甲烷的碳同位素組成的基本特征。根據(jù)表2可以得知，研究區(qū)的鏡質(zhì)組反射率介于0.79%～1.00%之間，正處于強熱成因甲烷開始產(chǎn)生的階段(Ro為0.8%～1.0%)，符合熱成因氣的特征。

另有研究表明，氣態(tài)烴組分中的重?zé)N能被微生物降解，微生物將重?zé)N分解為甲烷，使殘留的烴類氣體變干，從而使碳同位素組成顯著變重[31-32]。研究區(qū)淺部煤層氣中重?zé)N含量很低，甚至沒有，說明多已被分解，反映了重?zé)N組分遭受微生物降解的同位素變化特征。

據(jù)Smith資料顯示[33]，烴類垂直擴散前緣速度與深度成負相關(guān)關(guān)系，并且甲烷擴散速度比重?zé)N快。氣體解吸速度與分子結(jié)構(gòu)、分子大小及分子輕重成反比，甲烷分子結(jié)構(gòu)簡單、分子小且質(zhì)量輕比結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子大且質(zhì)量重的重?zé)N解吸快。在甲烷分子中極性弱的12C比極性強的13C更容易解吸，在煤層瓦斯中往往會出現(xiàn)甲烷同位素分餾效應(yīng)?；茨系刭|(zhì)資料顯示[34]，淮南煤田二疊紀(jì)煤層在變質(zhì)程度達到氣、肥煤階段后，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)構(gòu)造演化，煤層部分出露地表，煤巖內(nèi)部壓力差和氣體濃度差變大，為煤層氣產(chǎn)生強烈的解吸-擴散作用創(chuàng)造了有利環(huán)境。由于長期強烈的構(gòu)造運動，煤層埋藏深度變淺，煤層與地表水的水力聯(lián)系加強，為攜微生物的地下水向煤系含水層的滲入提供了前提條件。同時，由于煤田主要煤層的地溫處于生物氣生成的最佳環(huán)境，由此可以判斷研究區(qū)含有次生生物氣。

煤層氣成因類型的鑒別通常采用圖示方法，本次研究采用了Schoell版圖，結(jié)合煤層氣的甲烷碳氫同位素相關(guān)數(shù)據(jù)繪制了煤層氣成因版圖(見圖6)。Schoell版圖原理一般依據(jù)甲烷碳氫同位素含量之間的關(guān)系，將煤層氣成因劃分成生物成因、混合成因和熱成因三大區(qū)域。根據(jù)圖6得知，研究區(qū)的煤層氣樣點落在熱成因與混合成因分布范圍，且混合成因區(qū)域的點明顯多于熱成因區(qū)域，結(jié)合前面分析的其他資料和特征，表明研究區(qū)屬于熱成因氣為主的混合成因氣。

圖6 煤層氣成因版圖(Schoell版圖)

4 結(jié)論

(1)潘集礦區(qū)二疊系煤層氣組分甲烷占主要優(yōu)勢，屬于濕氣。重?zé)N氣體含量與顯微組分表明研究區(qū)煤層處于低變質(zhì)煙煤和中變質(zhì)煙煤階段。

(2)研究區(qū)煤層瓦斯甲烷碳同位素波動范圍不顯著，并且由于地下水活動，煤層吸附瓦斯在形成過程中隨深度的變化發(fā)生了明顯的分餾效應(yīng)。研究區(qū)煤層甲烷氫同位素變化范圍較大，研究區(qū)煤樣瓦斯甲烷氫同位素的含量與埋深具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

(3)研究區(qū)深部瓦斯生成與深成熱變質(zhì)的熱成因直接相關(guān)，但在熱成因氣體生成以后，由于同時期構(gòu)造運動使煤層氣發(fā)生解吸-擴散作用以及細菌活動等原因發(fā)生了次生生物作用，最終的瓦斯成因類型為熱成因為主的伴隨部分次生生物氣的混合次生熱成因氣。