煤成气基础知识

1煤成气基础知识1．煤成气是含煤沉积中的高等植物及其细碎屑，在形成煤和暗色泥岩过程中产生的气体，也有称为煤型气或煤系气。一般所说的天然气主要包括煤成气和油型气。油型气是由地史上生活在海洋和湖泊中而后被埋藏沉积物里的轮藻、介形虫等微体生物，以及藻类等低等植物，在形成碳酸盐岩或泥页岩中产生的气体。煤成气和油型气原始母质的结构是完全不同的，结构的不伺导致产物的差异。油型气的原始母质，俗称腐泥型或偏腐泥型有机质，是由较多长链结构和少量环状结构的化合物组成，其热降解产物主要是液态的石油，同时伴有以甲烷为主体还含有大量乙烷、丙烷重烃气组分的油型气，由于油型气往往与石油伴生，所以在成油过程中一直兼探着油型气。煤成气的原始母质，俗称腐殖型有机质，是以缩合的环状结构为主的化合物，带有较短的侧链，其热降解产物以天然气为主（以甲烷占优势，并伴有相当量乙烷、丙烷和丁烷）并有少量凝析油或轻质油。尽管在煤矿中早已发现残留在煤层中的煤层瓦斯气，但由于受传统的石油地质学概念和煤层具有强吸附性、气体难以运移等观念的束缚，煤成气在相当长时间内未得到充分的重视。2．煤系有机质既能生气也能生油，各煤岩组分在成烃作用中贡献不同。镜质组、丝质组和稳定组是煤岩有机显微组分中三类主要部分。镜质组通常是气源岩中最主要的显微组分之一，它属于高等植物木质纤维组织凝胶化作用的产物，主要由腐殖物质的腐殖酸部分形成的组分。丝质组是不具化学活动性的富碳贫氢组分，属于高等植物木质纤维组织碳化作用的产物。稳定组由高等植物中较富含氢的组织器官及植物组织分泌物所形成，如孢子体、树脂体、角质体、木栓质体等。孢子体起源于高等植物孢子和花粉的外壳层；树脂体来源于高等植物的树脂、蜡质、树胶、香脂和油脂等分泌物；角质体来源于陆生高等植物表皮保护组织角质层；木栓质体来源于高等植物木栓化组织细胞。镜质组和丝质组以成气为主，稳定组以成油为主。煤成气主要产自镜质组。稳定组含量相对较高的煤可形成相当量的凝析油气或轻质油。煤系有机质的演化也不同于经典的有机质演化规律：在未成熟阶段以树脂体成烃为主，生成以甲烷占优势的天然气，还有凝析油或轻质油；在成熟阶段，稳定组、镜质组分别逐次成烃，主要生成以甲烷为主并有相当多重烃气的天然气，在本阶段的初期也产凝析油和轻质油。煤或煤系中的树脂体在形成煤成油中有重要的作用，随着煤成油理论的不断发展，许多学者认为树脂体不仅具有较高的生烃能力，而且成烃转化作用发生在煤化作用低级阶段，并以形成凝析油和轻质油为特征。人工热压模拟实验发现，岩样的荧光消失发生在350℃以下，而树脂煤的荧光消失则发生在250℃。这表明，树脂体在不太高的热力条件下，就发生了强烈的变化，从而支持了树脂体能早期生油的观点。在澳大利亚吉普斯兰盆地及加拿大斯科舍和温弗特—马更些盆地都已经发现了以树脂体为主要油源的油田。在我国吐鲁番盆地，近年来发现了以木栓体为主形成的煤成油田。3．煤成气地球化学及其鉴别标志2煤成气主要由烷烃气（甲烷、乙烷、丙烷和丁烷）、氮、二氧化碳及稀有气体氦和氩等组成，烷烃气占绝大部分，经济效益也主要来自烷烃气。一般把气中甲烷含量超过95％，乙烷、丙烷和丁烷含量少于5％的称为干气，而把前者含量小于95％，后者含量超过5％的称为湿气。地史上埋藏的植物遗体的有机质形成煤成气，与人的成长一样可分不同阶段，不同阶段各有差异。通常用成熟度（R0）来表达煤成气形成的阶段。所谓成熟度是指在地层中的镜质组（镜质体）随地温的增加，其光学性质出现有规律的变化，其量度单位为％（R0）。R0小于0.5％是属未成熟阶段，此阶段主要是由生物化学作用使植物的有机质形成煤型生物气，这种气是以甲烷为主的干气；R0在大于0.5％至2.0％阶段是热解阶段，形成煤成气以湿气为主，本阶段的前期形成相当数量的煤成油（以凝析油和轻质油为主）；R0大于2％，由热裂解作用形成的煤成气为干气，没有煤成油。在油气地质学中，常用稳定同位素地球化学来鉴别油气的不同来源，进行油气源对比，研究油气运移方向，确定勘探目的层。目前在油气地质学中应用最广、研究最好是碳（C）同位素。碳有两个稳定同位素（12C和13C），常以其丰度比值（13C／12C）来研究油气的性质、来源和形成环境，并以б13C值，来表示丰度比值。表示或论述某气组分的δ13c值，可在C右下角标出其分子式，例如甲烷的б13C值，可缩写为б13CCH4，乙烷、丙烷和丁烷类推。由于甲、乙、丙、丁烷分子中分别有1，2，3，4个碳分子，为更简便，它们的б13C值也可写为б13C1，б13C2，б13C，б13C3，б13C4。作为煤成气的母质高等植物的碳同位素，和作为油型气的母质微体古生物与藻类的碳同位素是不同的，其形成的气继承了母质的同位素特征。因此，б13C值成为鉴别煤成气，追踪气源，进行气源对比的有力的手段和依据。煤成油也同样继承了其母质的碳同位素特征。因此，可把煤成气固相母质（沥青、干酪根）及其液相（煤成油）和气相产物碳同位素系列作为鉴别标志。同样，还有许多煤成气的地球化学参数，也可作为鉴别指标，在此不一一表述。4．煤的排烃能力从原理上讲，煤的排烃能力主要决定于两个方面：一是它自身允许烃类流动的难易性，这一点取决于煤层自身的性质和流体的性质以及二者相互作用的性质；二是煤层的生烃量与其容纳能力的相对大小。从煤层自身性质来说，由于煤的表面积大而孔隙直径小，故其吸附能力较强。长期以来，传统的石油地质学观念片面地认为，含煤地层虽然能形成气体，但由于煤的强吸附性，气体难于运移出来而主要留存在成气母体中。本世纪40年代，德国学者首先提出含煤地层形成的煤成气，除残存在源岩中外，还可运移出源岩聚集成煤成气田（藏）。80年代，曾有学者研究表明，煤的这种吸附作用主要表现在对可溶重质组成（以多环和芳香化合物为主）的吸附上（Radke，1980），而对非极性的饱和烃的运移并无明显的影响（Hors-field，1988）。此外，煤中微裂缝发育和成气过程中一些类型气孔的形成有助于烃类的排出。从煤的生成量和容纳能力来看，煤中有机质的丰度高，生成产物的数量大，即煤成气的生成量远大于其容纳能力，并且煤层生成的烃量大，使排驱的动力也大，故煤中所生成的烃类可以远移出来并在有利的地质条件下聚集成藏，这是一种客观的地质地球化学现象。